ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 2

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА ОБСТАНОВКИ ПРИ НАВОДНЕНИЯХ

Под наводнением понимается затопление водой прилегающей к реке, озеру или водохранилищу местности, которое причиняет материальный ущерб, наносит урон здоровью населения, или приводит к гибели людей. Затопление водой местности, не приводящей к ущербу, называется разливом.

Речной бассейн – территория суши, с которой талая и дождевая вода стекает в реку. Важнейшей числовой характеристикой бассейна является размер водосбора, называемый площадью бассейна. Различают ручьи (площадь водосбора менее 10 км²), малые реки с площадью водосборов от 10 до 5000 км², средние реки с площадью водосбора от 5000 до 50000 км² и большие реки с площадь водосбора более 50000 км². Протяжённость водотока (реки) от истока до устья называют длиной реки.

Одной из основных характеристик реки является её водность или сток воды – объём воды, проходящий через поперечное сечение русла за определённый интервал времени (месяц, квартал, сезон, год). Объём стока в единицу времени называют расходом воды, обозначают буквой Q и измеряют в м³/с или л/с. Хронологический график изменения расхода воды называют гидрографом стока.

Для каждого населённого пункта, расположенного вблизи водного объекта устанавливаются критические отметки уровня: опасные и особо опасные.

Опасная отметка - значение уровня воды, при превышении которого начинается затопление поймы, сельскохозяйственных угодий.

Особо опасная отметка – значение уровня воды при превышении которого начинается затопление прибрежных населённых пунктов, хозяйственных объектов, дорог, линий электропередач и так далее.

В режиме рек выделяют: половодье, паводок и межень.

Половодье – ежегодно повторяющийся в один и тот же сезон значительный и продолжительный подъём уровня воды в реке.

Поводок – интенсивный, кратковременный подъём уровня воды, вызванный дождями и ливнями.

Меженью называется период низкой водности рек, который устанавливается в зимний и летне – осенний сезоны, поэтому различают зимнюю и летнее – осеннюю межень.

В период половодья и паводка уровень воды в реках достигает наивысшего значения, которое называется максимальным уровнем воды. Максимальный уровень воды определяет площадь и глубину затоплений прибрежных территорий. Эти данные используются при проектировании гидротехнических сооружений, а также жилых и хозяйственных объектов, расположенных в прибрежной зоне.

По повторяемости, площади распространения и суммарному среднему годовому материальному ущербу в масштабах страны наводнение занимает первое место в ряду стихийных бедствий. Ни в настоящее время, ни в будущем наводнение, как стихийное бедствие не могут быть целиком предотвращены. Их можно только ослабить и локализовать.

В зависимости от причин выделяют 4 группы наводнений.

Первая группа – наводнения, связанные с максимальным стоком от весеннего таяния снега.

Вторая группа – наводнения, формируемые интенсивными дождями.

Третья группа – наводнения, вызванные большим сопротивлением, которое водный поток встречает в реках. Встречается при зажорах и заторах льда.

Четвёртая группа – наводнения, создаваемые ветровыми нагонами воды.

По размерам или масштабам и по наносимому ущербу наводнения делятся также на 4 группы.

Первая группа – низкие или (малые) наводнения. Наблюдаются в основном на равнинных реках и имеют повторяемость раз в 5 – 10 лет. Затопляются при этом не менее 10 % сельскохозяйственных угодий, расположенных в низких местах. Эти наводнения не причиняют значительный материальный ущерб и практически не нарушают ритм жизни населения.

Вторая группа – высокие наводнения. Сопровождаются значительным затоплением, охватывают большие участки речных долин и нарушают хозяйственный и бытовой уклад населения. В населённых районах приводит к частичной эвакуации населения, наносят материальный и моральный ущерб.

Третья группа – выдающиеся наводнения. Такие наводнения охватывают целые речные бассейны. Они парализуют хозяйственную деятельность и резко нарушают бытовой уклад населения, наносят большой материальный и моральный ущерб. Во время выдающихся наводнений происходит массовая эвакуация населения и материальных ценностей из зоны наводнения и защиты наиболее важных хозяйственных объектов. Выдающиеся наводнения повторяются один раз в 50-100 лет. Затапливаются 50 – 70 % сельскохозяйственных угодий. Начинается затопление населённых пунктов.

Четвёртая группа – катастрофическое наводнение. Вызывают затопление территорий в пределах одной или нескольких речных систем. В зоне затопления полностью парализуется хозяйственная и производственная деятельность населения, временно изменяется жизненный уклад населения. Повторяются не более одного раза в 100-200 лет или ещё реже. Затапливается свыше 75 % сельскохозяйственных угодий, населённые пункты, промышленные предприятия и инженерные коммуникации.

Реки отличаются друг от друга различными условиями формирования стока воды. Сток воды – это количество воды, протекающей через замыкающий створ реки за какой – либо интервал времени.

По условиям формирования стока и, следовательно, по условиям возникновения наводнения реки РФ делятся на четыре типа.

Первый тип – реки с максимальным стоком, вызываемым таянием снегов на равнине. К этому типу относятся большинство рек Европейской части РФ и Западной Сибири.

Второй тип – реки с максимальным стоком, возникающем при таянии горных снегов и ледников. К такому типу относятся горы Северного Кавказа.

Третий тип – реки с максимальным стоком, обусловленным выпадением интенсивных дождей. К этому типу относятся реки Дальнего Востока и Сибири.

Четвёртый тип – реки с максимальным стоком, образующимся от совместного влияния снеготаяния и выпадения осадков. Наличие такого типа рек характерно для северо-западных районов РФ и некоторых районов Кавказа.

К факторам, обуславливающим величины максимального расхода воды, для случая весеннего паводка относят:

- запас воды в снежном покрове перед началом весеннего паводка;

- осенне-зимнее увлажнение почвы перед началом весеннего паводка;

- глубина промерзания почвы;

- интенсивность снеготаяния.

Из поражающих факторов наводнений выделяют:

- гидродинамический – в виде потока (течения) воды;

- гидрохимический – обуславливающий загрязнение гидросферы, почв, грунтов, а также ускорение процессов коррозии, гниения и других химических и микробиологических процессов.

К основным характеристикам последствий наводнений относят:

- численность населения, оказавшегося в зоне, подверженной наводнению;

- количество населённых пунктов, попавших в зону, охваченную наводнением;

- количество объектов различных отраслей народного хозяйства попавших в зону, охваченную наводнением;

- протяжённость железных и автомобильных дорог, линий электропередач, линий коммуникаций и связи попавших в зону, охваченную наводнением;

- количество мостов, тоннелей, затопленных, разрушенных и повреждённых в результате наводнения;

- площадь сельскохозяйственных угодий, охваченных наводнением;

- величина ущерба, наносимого наводнением различным отраслям народного хозяйства.

Различают прямой и косвенный ущерб от наводнений.

К видам прямого ущерба относят:

- повреждение и разрушение жилых и производственных зданий, железных и автомобильных дорог, линий электропередач и связи;

- гибель скота и урожая сельскохозяйственных культур;

- уничтожение и порча сырья, топлива, продуктов питания, кормов, удобрений;

- затраты на эвакуацию населения и материальных ценностей в незатопляемые районы;

- смыв плодородного слоя почвы и занесение почвы песком и илом.

Виды косвенного ущерба:

- затраты на приобретение и доставку в пострадавшие районы продуктов питания, строительных материалов, кормов для скота;

- сокращение выработки продукции и замедление темпов развития народного хозяйства;

- ухудшение условий жизни населения;

- увеличение амортизационных расходов на содержание зданий в нормальном состоянии.

Здания, попадающие в зону затопления, теряют капитальность:

- повреждаются гнилью дерево, отваливается штукатурка, выпадают кирпичи, подвергаются коррозии металлические конструкции, из-за разжижения и размыва грунта под фундаментом происходит неравномерная осадка здания и появляются трещины;

- из-за неравномерной осадки грунта происходят разрывы канализационных и водопроводных труб, электрических, телевизионных и телеграфных кабелей.

Для городов и населённых пунктов вводятся понятия «подтопление» и «затопление». При подтоплении вода проникает в подвальные помещения через канализацию или из-за подпора грунтовых вод. В случае затопления местность покрывается слоем воды той или иной высоты.

При прогнозировании последствий наводнений схематически сечение русла реки можно представить либо треугольным сечением (рис 1, а), либо сечением трапецеидального вида (рис.1, б).

Рис.1. Расчётная схема сечение реки

а – треугольное сечение; б – трапецеидальное сечение

а₀ – ширина дна реки; b₀, b – ширина реки до и после наводнения; h₀, h – глубина реки до и во время наводнения; h_з – глубина затопления; h_м – высота места; m, n – углы наклона берегов реки.

Расход воды в реке до наступления наводнения (паводка) рассчитывается по формуле:

Q₀ = V₀ ∙ S₀, (1)

где, Q₀ – расход воды в реке до наступления наводнения (паводка), м³/с; V₀ – скорость воды в реке до наступления паводка, м/с; S₀ – площадь сечения русла реки до паводка, м².

Для треугольного сечения площадь сечения русла реки до паводка рассчитывается по формуле:

S₀ = 0,5 ∙ b₀ ∙ h₀ , (2)

Для трапецеидального сечения площадь сечения русла реки до паводка рассчитывается по формуле:

S₀ = 0,5 ∙ (а₀ + b₀) ∙ h₀ , (3)

Расход воды после выпадения осадков (таяния снега) и наступления половодья ( паводка) рассчитывается по формуле:

Q_max = Q₀ + [(J ∙F) / 3,6], (4)

где, J – интенсивность осадков (таяния снега), мм/ч; F – площадь выпадения осадков (таяния снега), км².

Высота подъёма воды в реке при прохождении паводка для треугольного сечения определяется из выражения:

h = [(2 ∙ Q_max ∙ h₀^5/3) / (b₀ ∙ V₀ )]^3/8 - h₀, (5)

где, h – высота подъёма воды в реке при прохождении паводка, м.

Высота подъёма воды в реке при прохождении паводка для трапецеидального сечения определяется из выражения:

h={[2∙Q_max∙[(b₀ - а₀)/(ctgm + ctgn)]^5/3/(b₀ ∙V₀)}^3/8 -[(b₀ - а₀)/(ctgm + ctgn)], (6)

Максимальная скорость потока воды при прохождении паводка рассчитывается по формуле:

V_max = Q_max / S_max, (7)

где, V_max – максимальная скорость воды при прохождении паводка, м/с; S_max – площадь поперечного сечения потока при прохождении паводка, м², определяется по формулам (2), (3), в которые вместо h₀ подставляется h, а вместо b₀ подставляется b.

Поражающее действие паводка определяется глубиной затопления и максимальной скоростью потока. Глубина затопления определяется по формуле:

h_з = h – h₀ – h_м, (8)

где, h – глубина затопления, м.

Максимальная скорость потока затопления рассчитывается по формуле:

V_з = V_max ∙ f, (9)

где, f – параметр удалённости объекта от русла реки; V_з – скорость потока затопления, м/с.

Таблица 1

Значение параметра f

hз / h	Сечение русла
	прямоугольное	трапецеидальное	треугольное
0,1	0,20	0,23	0,30
0,2	0,38	0,43	0,50
0,4	0,60	0,64	0,72
0,6	0,76	0,84	0,96
0,8	0,92	1,05	1,18
1,0	1,12	1,20	1,32

Действие наводнения и паводка приведено в табл.2.

Таблица 2

Доля повреждённых объектов (%) на затопленных площадях при крупных наводнениях (V_з = 3 – 4 м/с)

Объект	Время затопления, ч
	1	2	3	4	24	48
Затопление подвалов	10	15	40	60	85	90
Нарушение дорожного движения	15	30	60	75	95	100
Разрушение уличных мостовых	-	-	3	6	30	50
Смыв деревянных домов	-	7	70	90	100	100
Разрушение кирпичных зданий	-	-	10	40	50	60
Прекращение электропитания	75	90	95	100	100	100
Прекращение телефонной связи	75	85	100	100	100	100

Продолжение таблицы 2

Объект	Время затопления, ч
	1	2	3	4	24	48
Повреждения систем газо- и теплоснабжения	-	-	7	10	30	70
Гибель урожая	-	-	-	-	3	8

Примечание: При V_з = 1,5-2,5 м/с приведённые в таблице значения надо умножить на 0,6; при V_з = 4,5-5,5 м/с – умножить на 1,4.

Пример: Определить последствия наводнения, вызванного осадками в пойме реки для населённого пункта, состоящего из деревянных и кирпичных малоэтажных зданий, производственных зданий деревообрабатывающего комбината (ДОК). Интенсивность осадков J = 75 мм/ч, площадь поймы реки F = 300 км², ширина реки b₀ = 100 м, глубина h₀ = 3 м, скорость течения V₀ = 2 м/с, русло реки в сечении имеет форму трапеции с шириной дна а₀ = 80 м, высота места (города и ДОК) h_м = 2м.

Решение:

1. Определим расход воды в реке до наступления наводнения Q₀ с использованием формул (1) и (3):

Q₀ = 2 ∙ 0,5 ∙ (100 + 80) ∙ 3 = 540 м³/с.

2. Определим расход воды после осадков Q_max по формуле (4):

Q_max = 540 + [(75 ∙ 300) / 3,6] = 6790 м/с.

3. Высоту подъёма воды в реке при прохождении наводнения находим по формуле (6):

h={2∙6790∙[(100-80)/(3,33+3,33)]^5/3/(100∙2)}^3,8-[(100-80)/(3,33+3,33)]=6,68м

Здесь ctgm = ctgn = (b₀ – a₀)/(2 ∙ h₀) = (100 – 80) / (2 ∙ 3) = 3,33.

4. Максимальная скорость потока воды при прохождении половодья определяется по формуле (7):

V_max = 6790 / 683 = 9,9 м/с.

Здесь S_max определяется по формуле (3), в которой вместо b₀ = 80 м подставлено значение b (ширина половодья) b = а₀ + 2 ∙ h ∙ ctgm = = 80 + 2 ∙ 6,68 ∙ 3,33 = 638 м².

5. Глубина затопления определяется по формуле (8):

h_з = 6,68 – 3 – 2 = 1,7 м.

6. Максимальная скорость потока затопления определяется по формуле (9). При h_з/h = 0,25 для трапецеидального сечения русла реки значение параметра f , найденное методом интерполяции по данным табл. 1 составляет 0,44:

V_з = 9,9 ∙ 0,44 = 4,3 м/с.

7. Долю повреждённых объектов на затопленных площадях определим по табл. 2. В течение суток 85 % подвалов будут затоплено, на 30 % разрушены уличные мостовые, до 50 % кирпичных зданий будут иметь различные степени разрушения. Прекратиться подача электроэнергии, на 30 % будут разрушены системы газо- и теплоснабжения.

8. По табл. 3 определим, что при скорости затопления 4,4 м/с и глубине затопления 1,7 м сильные повреждения могут получить деревянные и кирпичные малоэтажные дома. Производственные здания среднюю степень разрушения.

Таблица 3

Значения параметров волны прорыва, приводящие к разрушению объектов

Наименование объекта	Степень разрушения
	сильная		средняя		слабая
	V, м/с	h, м	V, м/с	h, м	V, м/с	h, м
Здания и сооружения
Сборные деревянные жилые дома	3.0	2,0	2,5	1,5	1,0	1,0
Деревянные дома (1…2 этажа)	3,5	2.0	2,5	1,5	1,0	1,0
Промышленные здания с лёгким металлическим каркасом и здания бескаркасной постройки	5,0	2,5	3,5	2,0	2,0	2,0
Кирпичные дома средней этажности (4 этажа)	6,0	3,0	4,0	2,5	2,5	1,5
Промышленные здания с тяжёлым металлическим или железобетонным каркасом (стены из керамзитовых панелей)	7,5	4,0	6,0	3,0	3,0	1,5

Продолжение таблицы 3

Наименование объекта	Степень разрушения
	сильная		средняя		слабая
	V, м/с	h, м	V, м/с	h, м	V, м/с	h, м
Бетонные и железобетонные здания, здания антисейсмической конструкции	12,0	4,0	9,0	3,0	4,0	1,5
Стенки, набережные и пирсы набережные и пирсы на деревянных сваях	4,0	6,0	2,0	4,0	1,0	1,0
Оборудование промышленных предприятий
Станочное оборудование	3.0	2,0	2,0	2,0	1,0	1,0
Оборудование химических и электротехнических цехов и лабораторий	4.0	1,5	3,0	1,5	1,0	1,0
Трансформаторно-понизительные подстанции	5,0	2,0	4,0	2,0	2.0	1,0
Портальные краны грузоподъёмностью 16 т	8,0	6,0	6,0	3,0	2,0	2,0
Мосты, дороги и транспортные средства
Деревянные мосты (поток выше проезжей части)	1,0	2,0	1,0	1,5	0,0	0,5
Железобетонные мосты	2,0	3,0	1,0	2,0	0,0	0,5
Металлические мосты и путепроводы с пролётом (30…100 м)	2,0	3,0	1,0	2,0	0,0	0,5
Железнодорожные пути	2,0	2,0	1,0	1,0	0,5	0,5
Дороги с гравийным (щебёночным) покрытием	2,5	2,0	1,0	1,5	0,5	0,5
Шоссейные дороги с асфальтовым и бетонным покрытием	4,0	3,0	2,0	1,5	1,0	1,0
Автомобили	2,0	2,0	1,5	1,5	1,0	1,0
Подвижной состав	3,5	3,0	3,0	1,5	1,5	1,0
Плавучие средства
Речные суда, катера с осадкой менее 2 м	5,0	2,0	4.0	1,5	2,0	1,5
Вспомогательные суда (плавучие краны, землечерпательные снаряды)	7,0	2,0	4,0	1,5	2,0	1,5