Развитие моделей по прогнозированию последствий разрушительных землетрясений Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

/40 Civil SecurityTechnology, Vol. 9, 2012, No. 3 (33)

УДК 699.85

Развитие моделей по прогнозированию последствий разрушительных землетрясений

ISSN 1996-8493

© Технологии гражданской безопасности, 2012

Г.М. Нигметов, О.М. Салтыкова, А.С. Скоробогатая

Аннотация

Первые модели по прогнозированию последствий землетрясений, созданные в военно-инженерной академии им. В.В. Куйбышева Ларионовым В.И., Сущевым С.П., Нигметовым Г.М. и другими авторами, в связи с появлением новых типов зданий и сооружений, изменением макросейсмических шкал, появлением новых научных и экспериментальных данных в области оценки индивидуального сейсмического риска требуют дополнительных доработок по совершенствованию как моделей воздействия сейсмической нагрузки, так и модели поражения и разрушения зданий и сооружений.

Ключевые слова: землетрясение; прогноз; модель; геоинформационная система; макросейсмические шкалы; законы поражения; законы разрушения.

Development of Models on Forecasting of Consequences of Destructive Earthquakes

ISSN 1996-8493

© Civil Security Technology, 2012

G. Nigmetov, O. Saltykova, A. Skorobogataja

Abstract

The first models on forecasting of consequences of the earthquakes, created in V.V. Kujbyshev Military-engineering academy by Larionov V.I., Sushchev S.P., Nigmetov G.M. and other authors, in connection with occurrence of new types of buildings and constructions, change of macroseismic scales, occurrence of new scientific and experimental data in the field of an estimation of individual seismic risk demand development of models of influence of seismic loading, defeat laws and destruction laws.

Key words: earthquake; the forecast; model; geoinformation system; macroseismic scales; defeat laws, destruction laws.

Технологии гражданской безопасности, том 9, 2012, № 3 (33)

/41

Для эффективного планирования спасательных и гуманитарных операций после разрушительных землетрясений необходима точная информация о возможных последствиях. Из практического опыта известно, что информация о последствиях катастрофических землетрясений, близкая к реальной, появляется на третьи—десятые сутки и позже. Так, например, данные, близкие к реальным, после катастрофического землетрясения в провинции Сычуань появились только через 20—30 дней. Тогда как для успешной организации спасательной операции необходимо иметь в первые часы как можно более точные данные о возможных последствиях катастрофического землетрясения. Наиболее активная фаза спасательных работ длится не более 10 дней, поэтому точные данные о возможных последствиях необходимы сразу после получения информации о параметрах катастрофического землетрясения: его магнитуде, координатах и глубине. Впервые задача по оценке последствий катастрофических землетрясений была решена российскими специалистами. В основу модели был положен вероятностный алгоритм, учитывающий связь между сейсмической нагрузкой и вероятностью разрушения различных типов зданий и возможными потерями. Эта модель была реализована в виде геоинформационной системы (ГИС) для прогнозирования последствий катастрофических землетрясений и получила название «Экстремум».

Авторами вероятностной модели по прогнозированию последствий катастрофических землетрясений, встроенной в ГИС «Эктремум», являются Ларионов В., Сущев С., Нигметов Г., Козлов М., Угаров А., Фролова Н., Машера В., Шахраманьян М. В основу модели были положены полученные авторами вероятностные законы поражения для различных типов зданий, рассматриваемых в известных макросейсмических шкалах MSK-64,

ММSK-86 и ММ-31, а также вероятностные законы поражения для населения, находящегося в зданиях типа А, В и С. В модели также учитывается время суток и температура воздуха и вносятся поправки при расчете математического ожидания степени повреждения различных типов зданий и математического ожидания потерь. Впервые модель, адаптированная к ГИС, была представлена комиссии ЧОС ЕС в 1996—1997 г. Тогда на базе ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) был проведен международный конкурс программ и моделей по расчету последствий катастрофических землетрясений. В конкурсе принимали участие специалисты Индии, Чехословакии, Италии, Франции, Югославии (Сербии), России и других стран. Рассматривались модели, представленные Россией, Индией и Чехословакией. По решению международного конкурса лучшей и фактически готовой для дежурства была признана программа ГИС «Экстремум».

Опыт круглосуточного дежурства с 1997 г. показал, что прогнозы последствий, полученные с помощью ГИС, дают близкие к реальным результаты.

Например, в апреле 2009 года в центральной Италии произошло катастрофическое землетрясение. Землетрясение произошло 06.04.2009 года в 03:32:43 в провинции Абруззо в районе города l'Aquila. Координаты эпицентра землетрясения: 42.40N — северной широты, 13.32E — восточной долготы, глубина очага ^10 км, мощность очага — Ms=6.3.

По уточненным данным института геофизики и вулканологии Италии гипоцентр землетрясения находился на глубине 8,8 км и в пяти километрах от центра города Л'Аквилы, расположенного в 95 км северо-восточнее Рима.

Официальное число погибших составляет 305 человек, 10 человек пропали без вести. Помимо этого, итальянские власти оценивают количество оставшихся без крова в 29 тысяч человек. От землетрясения было повреждено примерно 15 тысяч зданий. Тяжелые разрушения получил населенный пункт Онна в старом центре Л'Аквилы. Наиболее сильные повреждения возникли в деревнях к востоку от города. Почти полностью разрушена Онна, относящаяся к коммуне Л'Аквилы. Только в этом населенном пункте жизни лишились около 30 человек. Почти так же сильно пострадали Кастельнуово, Фосса, Паганика, Темпера, Камарда и Вилла Сант-Анджело.

До 2009 г. в ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) велось круглосуточное дежурство по оценке возможных последствий катастрофических землетрясений на территориях земного шара. Под катастрофическими землетрясениями понимаются землетрясения, которые вызывают интенсивность колебаний земной поверхности 6 и более баллов по шкале МSK-64. Для оценки последствий использовалась геоинформационная система (ГИС) «Экстремум». ГИС в ждущем режиме при получении параметров катастрофических землетрясений автоматически производила расчет последствий, определяла возможные разрушения застройки населенных пунктов, попавших в шестибалльную зону, и возможные потери среди населения в этой зоне.

Результаты расчетов по ГИС «Экстремум» по землетрясению в Л'Аквиле оказались сходными с реальными, расхождение результатов составило не более 20 %. Данные, полученные в ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), были сразу отправлены в национальный центр управления в кризисных ситуациях МЧС России и международные организации: ЧОС ЕС, ООН и центры управления министерств по ЧС стран СНГ.

От руководства МЧС России ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) была получена команда по отправке специалистов по оценке сейсмостойкости зданий и сейсмичности площадок в Республику Италия.

Ом! Бесиг^уТесИпоЬду, Уо!. 9, 2012, N0. 3 (33)

Рис. 1. Эпицентральная зона катастрофического землетрясения в Италии, основное событие и сильные

афтершоки показаны звездочками

Соответствующее ведомство Республики Италия дало приглашение на въезд специалистов ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ).

Для оценки сейсмостойкости зданий применялась технология динамических испытаний системы «грунт — сооружение», разработанная Нигметовым Г.М.

Данные по сейсмостойкости, полученные по результатам динамических испытаний, дополнительно закладывались в ГИС, и выполнялась оценка последствий для заданного объекта с экспериментально полученными данными по его сейсмостойкости.

Однако ГИС можно использовать не только для прогнозирования последствий катастрофических землетрясений, но и для оценки индивидуального сейсмического риска.

Для оценки индивидуального сейсмического риска сейсмоопасной территории необходимо иметь следующие исходные данные:

1) координаты, глубину и мощность возможного (прогнозируемого) очага землетрясения на рассматриваемый интервал времени;

2) данные о сейсмостойкости зданий и сооружений, населении и геологии рассматриваемой территории;

3) результаты расчетов возможных последствий от прогнозируемого возможного очага землетрясений.

Самой трудной задачей является задача определения возможных (прогнозируемых) очагов землетрясений на долгосрочный, среднесрочный и краткосрочный периоды времени.

В ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) в инициативном порядке для оценки сейсмической активности территорий использовались сейсмические, геодинамические, метеорологические, мониторинговые данные и данные, получаемые на основе анализа портрета облачности по космическим снимкам.

Комплексная обработка данных позволила составить среднесрочно-долгосрочный прогноз сейсмической активности территории Евразии на 2008—2012 гг. (рис. 3). Этот прогноз был представлен в январе 2008 г. на Российском экспертном совете по прогнозированию землетрясений сейсмической опасности и риску. Результаты прогноза подтвердились по катастрофическим землетрясениям в Китае (май 2008 г.), Италии (апрель 2009 г.), Японии (2010 г.), Турции (2011 г.).

Для оценки и уточнения данных о сейсмостойкости зданий и сооружений предлагается использовать мобильный диагностический комплекс «Струна-Мантис» (рис. 4). Уточненные данные по сейсмостойкости зданий закладываются в базу данных ГИС «Экстремум». Работы по оценке сейсмостойкости зданий и сооружений специалистами института под научным руководством Нигметова Г.М. проводились

С*»*- Терет^ам^етардо Кастель«е»ьо

фТерме

Селламо Трвяи .

Нуово •

Трипоиц»

•биссо «РуЗДино

Гуальдо

УЪИрИО Дсио/н-Пмчемо

Сполето

^'оллемяемца ОатаЕч^Спалето*

Акхув<парт^яьяи

1Ажте»астр«ллм

О

СамД»*ии«и

Аыелш

Насн^Олпо»

Вммье

МснЛйи»«£ф*рвн1,мляо

Рию

• Терпи Каллешиполс

^^^^ Кастеллальто* Кастельиуововлъ- Ромам

Кот

Стрмммм МАГьямо-СабммоТарамо

АТР«

•АТУ»Н4Ж0 Л^Й«^

Ч«тта- Сант^мджул;

Мсит«силье*ио-Марнн,)

Лерето-А' Трутаио

Пьчмелла

Кьети.Оалог' Катмньяно «чепагаТт*^™

ЧпнАкуама

»

Аллаимо

Рми

Салоне

[кастельиадаиа

Д«*рамо Карсоли • •

БеллеграАффмле

6алл«л>етт!а Ч«вителла-Рсвето

Филеттммо* Кошклсмго

БуИММИМО

С«фаМаислелло ^«■•■Каааур** ^

* Гуардиат-Реле^ Карамамико

Паломбадс

СуЛьмома Лама-деи-Пелжь* Квиеамо

• Палена

Петторамо •

Палена

#

Ъея-вММ #Сянио пеохжоетаицо

• ш

Рис. 2. Макросейсмическое поле в районе Л'Аквилы с интенсивностью до 6 баллов, рассчитанное с помощью ГИС «Экстремум» по параметрам землетрясения 6.04.09

/44

Ом! 8еситуТесИпо!оду, Уо!. 9, 2012, N0. 3 (33)

Рис. 3. Долгосрочно-среднесрочный прогноз зон повышенной сейсмической активности территории

Евразии на 2008—2012 гг.

Рис. 4. Пример применения мобильного диагностического комплекса «Струна-Мантис» для оценки

сейсмостойкости зданий в Республике Греция

в Республике Турция, Республике Греция, Исламской Республике, Республике Азербайджан, Республике Италия и на территориях России. В ГИС «Эктремум» была заложена информация по застройке более миллиона населенных пунктов стран мира.

Таким образом, с помощью ГИС «Экстремум» возможно выполнить работы по оперативной оценке последствий сильных землетрясений, а при извест-

ных прогнозируемых возможных очагах землетрясений и данных о сейсмостойкости возможна оценка индивидуального сейсмического риска для населения территорий (рис. 5).

Направлениями дальнейшего развития ГИС «Экстремум» являются:

учет форшокового и афтершокового воздействия на здания и сооружения;

Технологии гражданской безопасности, том 9, 2012, № 3 (33)

/45

Рис. 5. Пример использования ГИС «Экстремум», данных о сейсмостойкости, полученных с помощью мобильного диагностического комплекса оценки сейсмостойкости «Струна-Мантис» и прогностических данных о возможных сейсмоактивных зонах для определения индивидуального сейсмического риска

на территории Республики Греция

учет влияния рельефа местности на характер распространения сейсмических волн;

разработка законов поражения для зданий и сооружений, не входящих в макросейсмические шкалы; совершенствование базы данных; развитие базы знаний.

Реализация указанных направлений по развитию модели прогнозирования последствий позволит увеличить скорость и точность расчетов.

Таким образом, введение дополнительных функций в модель оценки последствий, позволяющих учитывать различные типы зданий и сооружений, не включенных в макросейсмические шкалы, учи-тывание влияния многократного сейсмического воздействия (форшоков, афтершоков), влияния рельефа и тектоники местности, позволит существенно повысить точность расчетов, повысить эффективность мероприятий по снижению индивидуального сейсмического риска. В следующих статьях планируется рассмотреть математическую модель учета влияния многократного сейсмического воздействия на сооружения и накопления усталостных повреждений в сооружениях при расчете вероятности их разрушения.

Литература

1. Cataloque 0f seismoforecasting research carried out in Azerbaijan territory in 2009. Г.М. Нигметов. Некоторые вопросы краткосрочного прогнозирования сейсмической опасности и риска.

2. Cataloque 0f seismoforecasting research carried out in Azerbaijan territory in 2010. Г.М. Нигметов. Колебания земной коры перед разрушительными землетрясениями.

3. Р.С. Трофимов, Н.А. Махутов, М.А. Шахраманьян, Г.М. Нигметов, В.Н. Гладкова, И.А. Емельянов. Возможности краткосрочного прогноза катастрофических землетрясений и разрушений // Проблемы безопасности при ЧС. М., 2009.

4. Теоретические основы реагирования на чрезвычайные ситуации. Прогнозирование чрезвычайных ситуаций. Механика разрушения. Учебное пособие. М.: Издание ВИУ, 1999.

Сведения об авторах

Нигметов Геннадий Максимович: к. т. н., доц., , ФГБУ

ВНИИ ГОЧС (ФЦ), вед. н. с.

121352, Москва, ул. Давыдковская, д. 7.

Тел.: (903) 171-62-31.

E-mail: tagirmaks@mail.ru

Салтыкова Ольга Мстиславовна: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), м. н. с.

121352, Москва, ул. Давыдковская, д. 7.

Тел.: (495) 449-90-74.

E-mail: olga-saltykova@inbox.ru

Скоробогатая Анна Сергеевна: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), н. с.

121352, Москва, ул. Давыдковская, д. 7. Тел.: (495) 449-90-74. E-mail: 7centr_09@mail.ru