3
Кокшетауский технический институт Комитета по чрезвычайным ситуациям
Министерства внутренних дел Республики Казахстан
УПРАВЛЕНИЕ РИСАМИ НАВОДНЕНИЙ Методическое пособие
Кокшетау 2015
4
УДК 614.8 (082) ББК 68.69
Рецензенты:
Р.М. Джумагалиев – кандидат технических наук, профессор, Президент АО
«НИИ ПБ и ГО» КЧС МВД РК
Рекомендовано к печати Ученым советом
Кокшетауского технического института КЧС МВД РК протокол №
Управление рисками наводнений. Методическое пособие / С.Д. Шарипханов, К.Ж. Раимбеков, А.Б. Кусаинов – Кокшетау: Кокшетауский технический института КЧС МВД Республики Казахстан, 2015. – 94 с.
В методическом пособии: изложены основные понятия, характеристика и причины возникновения опасных гидрологических явлений. Проведен анализ и оценка риска возникновения наводнений и аварий на крупных гидротехнических сооружениях расположенных на территории Республики Казахстан. На основании обобщения зарубежного и отечественного опыта, разработаны инженерные и не инженерные мероприятия по снижению риска возникновения наводнений.
Методическое пособие предназначено для слушателей и курсантов Кокшетауского технического института КЧС МВД Республики Казахстан, обучающихся по специальностям «Защита в чрезвычайных ситуациях» и
«Пожарная безопасность».
УДК 614.8 (082) ББК 68.69
© Кокшетауский технический институт КЧС МВД Республики Казахстан, 2015
5
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ РИСКА НАВОДНЕНИЙ
7
2. ИДЕНТИФИКАЦИЯ РИСКА 9
2.1 Основные понятия и классификация рисков наводнений 9 2.2 Основные понятия и классификация риска аварии на
гидротехнических сооружениях 16
3. АНАЛИЗ И ОЦЕНКА РИСКА НАВОДНЕНИЙ 23
3.1 Хроника произошедших наводнений 23
3.2 Причины возникновения наводнений 40
3.3 Анализ и оценка риска наводнений 43
3.4 Среднесрочный прогноз наводнений 48
3.4 Оценка риска наводнений в результате аварий на гидротехнических сооружениях
50 4. МЕРОПРИЯТИЯ ПО УПРАВЛЕНИЮ РИСКАМИ НАВОДНЕНИЙ 61
4.1 Инженерные способы 61
4.1.1 Инженерные сооружения 62
4.1.2 Увеличение пропускной способности русел рек 67 4.1.3 Повышение отметок защищаемых территории 70
4.1.4 Переброска стока 71
4.2 Не инженерные способы защиты 72
4.2.1 Страхование 73
4.2.2 Управление водным хозяйством 75
4.2.3 Мониторинг и прогнозирование 82
4.2.4 Оповещение и информирование населения 87
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 90
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 91
6
ВВЕДЕНИЕ
Общеизвестно, что состояние и развитие как биосферы, так и человеческого общества находится в прямой зависимости от состояния водных ресурсов. В последние десятилетия все большее число специалистов и политических деятелей среди проблем, стоящих перед человечеством, под номером один называют проблему воды. Так, в Послании Президента Республики Казахстан Н.А. Назарбаева народу Казахстана «Стратегия
«Казахстан-2050» новый политический курс состоявшегося государства», одним из глобальных вызовов ХХI века определен «острый дефицит воды».
За последние 60 лет на планете потребление питьевой воды возросло в 8 раз, к середине столетия многие страны будут вынуждены импортировать воду.
Вода – крайне ограниченный ресурс и борьба за обладание источниками уже становится важнейшим фактором геополитики, являясь одной из причин напряженности и конфликтов на планете [1].
В своей книге «Ресурсы пресной воды и актуальные задачи гидрологии»
В.А. Семенов пишет: «- резкое повысилось водопотребление во всем мире.
Если за период с 1900 по 1950 год среднее увеличение водопотребления за десятилетие составляло 156 км3, то с 1950 по 1960 год – 630 км3, то есть возросло в 4 раза, а в последующие годы возрастало на 800 - 1000 км3 за десятилетие -».
Обеспеченность пресной водой является одним из ключевых вопросов, стоящих перед человечеством в XXI веке. Сегодня в мире от дефицита воды, по данным ООН, страдают более двух миллиардов человек. К 2015 году постоянную ее нехватку будет испытывать половина, а еще через десять лет – уже две трети населения планеты. Вода стремительно становится одним из самых дефицитных природных ресурсов. Она превратилась в товар, сформировался международный рынок. Наступившее столетие можно смело назвать «веком водных проблем».
Проблема водообеспечения остро стоит и в Казахстане, не хватает качественной питьевой воды, целый ряд регионов испытывает в ней острую потребность [1].
Вместе с тем вода может быть и причиной больших бед. Из них особое место занимают наводнения. По данным ООН за последние 10 лет во всем мире от наводнений пострадало более 150 млн. человек. Статистика свидетельствует:
по площади распространения, суммарному среднему годовому ущербу и повторяемости в масштабах нашей страны наводнения занимают первое место в ряду других стихийных бедствий. Что же касается человеческих жертв и удельного материального ущерба, то - есть ущерба, приходящегося на единицу пораженной площади, то в этом отношении наводнения занимают второе место после землетрясений.
Водные артерии республики отличаются друг от друга различными условиями формирования стока воды. По условиям формирования стока и,
7
следовательно, по условиям возникновения наводнений водные артерии страны делятся на четыре группы [2]:
- максимальное формирование стока в результате весеннего таяния снега на равнинах;
- максимальное формирование стока в результате таяния горных снегов и ледников;
- максимальное формирование стока в результате выпадения интенсивных дождей;
- максимальное формирование стока в результате совместного влияния снеготаяния и выпадение обильных осадков.
В соответствии с данными группами в республике зарегистрировано 852 участка и территорий, подверженных воздействию сезонных паводков и наводнений. На потенциально опасных по возможным разливам и подтоплениям территориях страны расположено более 900 населенных пунктов, с общей численностью проживающего населения около2 млн. человек.
Паводки и наводнения сопутствуют человеческому обществу с древних времен. Но если ранее эти стихийные бедствия были чрезвычайно редкими, то в последнее время частота и размеры причиняемого ими ущерба стремительно возросло. О чем свидетельствуют катастрофические наводнения на реке Сырдарья в 2004-2007 годы в Кызылординской и Южно-Казахстанской областях, в Восточно-Казахстанской области в 2010 году, в Западно- Казахстанской области на реке Урал в 2011 году, в городе Атбасар в 2014 году приводившие к затоплению территорий регионов и большим материальным ущербам. Кроме того в последние годы все чаще происходят аварии на гидротехнических сооружениях: Кызыл-Агашская трагедия в 2010 году, прорыв плотины Кокпекты весной 2014 года и мн. др.
Проведенный краткий анализ последствий наводнений предопределяет необходимость поиска новых методов обеспечения социальной, экономической и экологической защиты населения и территории страны от вредного воздействия вод.
8
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ РИСКА НАВОДНЕНИЙ Существует большое разнообразие мнений по поводу понятия определения, сущности и природы риска. Это связано с многоаспектностью этого явления, недостаточным использованием в реальной деятельности, игнорированием в существующем законодательстве.
В самом определении понятия «риск» заложена основа методологического выделения направлений исследований — оценки, анализа и управления риском, несмотря на то, что вплоть до настоящего времени в трактовке этого термина не существуют единого мнения. В современных научных концепциях общее понятие риска трактуется как «характеристика ситуации или действия, когда возможны многие исходы, существует неопределенность в отношении конкретного исхода, и, по крайней мере, одна из возможностей является нежелательной». В «Словаре русского языка» С.И.
Ожегова (Ожегов, 1964) риск определяется кратко и достаточно близко отражает современное научное понимание и употребление этого термина:
«Риск:1. Возможная опасность. 2. Действие наудачу в надежде на счастливый исход. В этом определении заложены все основные элементы, которые входят в современные научные трактовки риска. Содержание этого термина охватывает столь различные области реальной жизни человека и общества, что трудно выделить те из них, в которых понятие риска не использовалось бы. Сюда же относится риск крупных природных катаклизмов, например риск наводнений.
Наводнение – это затопление водой, прилегающей к реке, озеру или водохранилищу местности, которое причиняет материальный ущерб, наносит урон здоровью населения или приводит к гибели людей. Если затопление не сопровождается ущербом, это есть разлив реки, озера [6].
Таким образом, риск наводнения – вероятность появления потерь/повреждений. Риск характеризуется вероятностью, воздействием и уязвимостью. Воздействие часто включает оценку последствий, вследствие чего риск включает два компонента – вероятность наступления события (наводнения) и его последствия (воздействие).
В Законе Республики Казахстан «О гражданской защите» одними из главных мероприятий гражданской защиты по предупреждению чрезвычайных ситуаций являются научные исследования, прогнозирование и оценка опасности возможных чрезвычайных ситуаций, а также их социально- экономических последствий.
Анализ и управление рисками должны лечь в основу системы регулирования безопасности населения и территорий и обеспечить преодоление негативной тенденции роста числа наводнений. Так, например, в тех странах Западной Европы, где осуществляются меры государственного регулирования с целью снижения риска чрезвычайных ситуаций, число аварий и катастроф сократилось за десять лет в 7-10 раз. Подобные меры оказываются наименее затратными и в экономическом отношении.
9
Одна из важнейших задач современного этапа развития Республики Казахстан – уменьшение одного из стратегических рисков – риска наводнений, который в последние годы, несмотря на значительные усилия Правительства, и местных исполнительных органов, приобретает все большую значимость для социально-экономического и экологического развития страны.
Опыт работы зарубежных специалистов показывает, что эффективная защита от риска наводнений возможна при такой системе функционирования государственной власти, когда задействованы все уровни (республиканский, и местный) и роль низовых звеньев (органов местного самоуправления), находящихся ближе всего к конкретному человеку, является основополагающей.
Таким образом, методология анализа и управления деятельностью в области предупреждения и ликвидации наводнений должна разрабатываться и осуществляться на основе теории рисков, которая является научным инструментом для поддержки принятия управленческих решений практически во всех сферах человеческой деятельности.
Схема комплексного анализа и управления рисками наводнений показана на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема комплексного анализа и управления рисками наводнений
Анализ риска наводнений обычно начинается с его идентификации – выявления опасностей на рассматриваемой территории как причин риска в случае их реализации, основанного на анализе статистических данных об опасных гидрологических явлениях и результатах их взаимодействия с антропосферой – стихийных бедствиях, авариях и катастрофах, а также
Управление рисками наводнений
Идентификация риска
Установление причин их возникновения Оценка риска наводнений
Прогнозирование риска
Выработка управленческих решений
10
механизмов возможного воздействия их негативных факторов на различные группы населения в случае реализации опасностей.
Оценка риска наводнений - общий процесс, включающий идентификацию риска, анализ риска и оценивание риска. Оценка рискасостоит в его количественном измерении, т.е. определении возможныхпоследствий гидрологических опасных явлении для различных групп населения. Целью оценки является взвешивание риска наводнений и выработка решений, направленных на его снижение.
Прогноз риска наводнений – его оценка на определенный момент времени в будущем с учетом тенденций изменения условий проявления риска.
Управление риском наводнений - меры, которые модифицируют риск.
Управление включает в себя разработку и реализацию комплекса мероприятий (инженерно-технического, экономического, социального и иного характера), позволяющих уменьшить значение риска наводнений до допустимого (приемлемого) уровня.
В проблеме предупреждения наводнений мы всегда имеем дело с вероятностями (или частотой) определенных событий, которые мы называем источниками чрезвычайных ситуаций, и негативными последствиями (ущербами) социально-экономического характера для государства, общества и населения.
Строя комбинации из вероятности чрезвычайной ситуации и возможных потерь, соответствующих прогнозируемой ситуации, человек оценивает уровень опасности и принимает решение о необходимых действиях.
(Собственно говоря, это и есть сущность управления рисками наводнений).
Рассмотрим основные этапы проведения управленческих решений по снижению риска наводнений.
11
2. ИДЕНТИФИКАЦИЯ РИСКА
2.1 Основные понятия и классификация рисков наводнений
Наводнения относятся к опасным гидрологическим явлениям.
Наводнения в большей или меньшей степени периодически наблюдаются на большинстве рек Казахстана и занимают одно из первых место в ряду стихийных бедствий по площади распространения и наносимому материальному ущербу.
По количеству человеческих жертв и материальному ущербу наводнения занимают второе место после землетрясений.
Наводнение- это интенсивное затопление большой территории водой, которое причиняет материальный ущерб, наносит урон здоровью населения или приводит к гибели людей.
Подъем уровня воды в реках, озерах и водохранилищах зависит от условий формирования стока воды при движении ее по поверхности суши или подземным путем в процессе круговорота воды в природе.
Таблица 1 - Поражающие факторы наводнений [5]
Первичные Вторичные
- затопление территории слоем воды разной толщины (до 2 м);- длительность стояния паводковых вод (до 90 дней для крупных рек, малых - до 7 дней);
- скорость нарастания уровня паводковых вод; скорость движения воды до 4 м/с;
- размыв и смыв грунта в зонах затопления;
- заражение и загрязнение местности;
- наносы;
- уничтожение урожая, кормовой базы.
- при заторах - давление льда на
береговые сооружения и их разрушение;
- подъем грунта, снос построек;
- утрата прочности сооружений;
- разрушение коммуникаций: в результате размыва и подмыва;
- оползни, обвалы;
- аварии на транспорте;
- загрязнение территории.
Основным критерием наводнения является максимальный уровень воды за время его действия.
В практике также используются и другие характеристики наводнения.
Площадь затопления - размеры покрытой водой и прилегающей к реке местности.
Продолжительность затопления - время с момента выхода воды на пойму и до входа реки в русло.
Скорость подъема уровня воды - величина, характеризующая прирост уровня воды и процесса наводнения за определенное время по отношению к первоначальному уровню.
При весеннем половодье величина максимального уровня и максимального расхода воды зависят от следующих факторов [5]:
12
- запасов воды в снежном покрове (снегозапасов) перед началом весеннего таяния;
- количества атмосферных осадков в период снеготаяния и половодья;
- осенне-зимнего увлажнения почвы к началу снеготаяния:
- глубины промерзания почвы к началу снеготаяния;
- наличия и толщины ледяной корки на почве:
- интенсивности снеготаяния;
- сочетания половодья крупных притоков бассейна;
- озерности, заболоченности и лесистости бассейна.
В зависимости от причин возникновения различают пять основных типов наводнений (рисунок 2). На территории Республики Казахстан преобладают наводнения первых двух видов (70-80 % всех случаев) [5]. Они встречаются на равнинных, предгорных и горных реках, в северных и южных, западных и восточных районах страны. Третий вид наводнений имеет локальное распространение.
Рисунок 2 - Основные причины возникновения наводнений
Половодье – это периодически повторяющий подъем уровня воды в реках, вызываемый обычно весенним таянием снега или обильными дождями на равнинных реках, а также весенне-летним таяние снега и ледников на реках, берущих начало в горных районах. Половодье повторяется ежегодно в один и тот же сезон с различной интенсивностью и продолжительностью, в зависимости от метеорологических условий [6].
Половодье вызывается усиленным продолжительным притоком воды, который может быть обусловлен:
- весенним таянием снега на равнинах;
Причины возникновения
Половодья
Паводки
Заторы, зажоры Нагоны Прорывы плотин
13
- летним таянием снега и ледников в горах;
- обильными дождями.
Половодья, вызванные весенним снеготаянием, характерны для многих равнинных рек, которые делятся на 2 группы:
- реки с преобладанием весеннего стока.
- реки с преобладанием летнего стока.
Паводок — фаза водного режима реки; сравнительно кратковременное и непериодическое поднятие уровня воды в реке, вызванное усиленным таянием снега, ледников или обилием дождей [6].
Периодически паводки не повторяются, и в этом их отличие от половодья. Продолжительность паводка от нескольких долей часа до нескольких суток. Среднемесячные расходы в период половодья и паводков больше среднегодовых.
В отличие от половодья паводок может возникать в любое время года.
Значительный паводок может вызвать наводнение. В процессе перемещения паводка по реке образуется паводочная волна.
Затор - нагромождение льдин во время весеннего ледохода в сужениях и излучинах русла реки, стесняющее течение и вызывающее на некоторых участках выше него подъем уровня воды. Характерны для рек, текущих с юга на север, происходят в конце зимы – начале весны [9].
Главной причиной образования затора является задержка процесса вскрытия льда на тех реках, где кромка ледяного покрова весной смещается сверху вниз по течению. При этом движущийся сверху раздробленный лед встречает на своем пути еще не нарушенный ледяной покров.
Последовательность вскрытия реки сверху вниз по течению является необходимым, но недостаточным условием возникновения затора льда.
Основное условие создается только тогда, когда поверхностная скорость течения воды при вскрытии довольно значительна (0,6-0,8 м/с и более).
Различные русловые препятствия, как, например, крутые повороты, сужения, острова, изменение уклона поверхности от большего к меньшему, лишь усиливают процесс.
Зажор – скопление рыхлого ледового материала во время ледостава в сужениях и излучинах реки, вызывающее подъем уровня воды на некоторых участках выше ее русла. Наводнения из-за зажоров возникает обычно в начале зимы [9].
Зажоры образуются на реках в период формирования ледяного покрова.
Необходимым условием образования является возникновение в русле внутриводного льда и его вовлечение под кромку ледяного покрова. Решающее значение при этом имеет поверхностная скорость течения (более 0,4 м/с), а также температура воздуха в период замерзания. Образованию зажоров способствуют острова, отмели, валуны, крутые повороты, сужение русла.
Скопление шуги и другого рыхлого ледяного материала, образующегося на этих участках в результате непрерывного процесса образования внутри водяного льда и разрушения ледяного покрова, вызывает стеснение водного
14
сечения, вследствие чего происходит подъем воды выше по течению. Ниже - уровни понижаются. Образование сплошного покрова в месте образования зажора задерживается.
Ветровой нагон – подъем уровня воды, вызванный воздействием ветра на водную поверхность, происходящий обычно в устьях крупных рек, а также на наветренном берегу больших озер, водохранилищ и морей. Возможны в любое время года, характеризуются отсутствием и значительным подъемом воды [6].
Такие явления случаются в морских устьях крупных рек, а также на больших озерах и водохранилищах.
Главным условием возникновения служит сильный и продолжительный ветер, который характерен для глубоких циклонов.
Основной характеристикой, по которой можно судить о величине нагона, является нагонный подъем уровня воды, обычно выражающийся в метрах.
Другими величинами служат глубина распространения нагонной волны, площадь и продолжительность затопления.
Главные факторы, влияющие на величину нагонного уровня, - скорость и направление ветра. В таких условиях скорость обычно достигает 25 м/с, а иногда и более.
Общим для морских устьев рек является то, что нагон может совпасть по времени с приливом или отливом. Соответственно уровень повысится или понизится.
Нагонные наводнения нередко охватывают большие территории.
Продолжительность затопления обычно находится в пределах от нескольких десятков часов до нескольких суток.
Чем крупнее водоем и меньше его глубина, тем больших размеров достигают нагоны.
Прорывы плотин - излив воды из водохранилища или водоема, образующийся при прорыве сооружений напорного фронта (плотины, дамбы и т. п.), при аварийном сбросе воды из водохранилища, при прорыве естественной плотины, создаваемой природой при землетрясениях, оползнях, обвалах, движении ледников [6].
Все крупные гидротехнические сооружения являются потенциально опасными и уникальными сооружениями. В случае разрушения таких сооружений в зоне катастрофического затопления могут оказаться сотни человек, десятки объектов экономики и тысячи гектаров сельскохозяйственных земель. Одноразовый ущерб при этом может составить сотни миллионов долларов.
15
Таблица 2 - Виды наводнений Виды
наводнения Причины Характер проявления
Половодье Весеннее таяние снега на равнинах или весенне-летнее таяние снега и дождевые осадки в горах
Повторяются периодически в один тот же сезон.
Характеризуются
значительным и длительным подъѐмом уровней воды Паводок Интенсивные дожди и таяние
снега при зимних оттепелях
Отсутствует чѐтко
выраженная периодичность.
Интенсивный и сравнительно кратковременный подъѐм уровня воды
Заторные, Зажорные
(заторы,зажоры)
Большое сопротивление
водному потоку, образующееся на отдельных участках русла реки, возникающее при
скоплении ледового материала в сужениях или излучинах реки во время ледостава (зажоры) или во время ледохода (заторы)
Заторные – в конце зимы или весны. Высокий и
сравнительно
кратковременный подъем уровня воды в реке.
Зажорные – в начале зимы.
Значительный (не менее чем при заторе) подъем уровня воды и более значительная, по сравнению с заторами, продолжительность Нагонные
наводнения (нагоны)
Ветровые нагоны воды в морских устьях рек и наветренных участках побережья морей, крупных озер, водохранилищ
В любое время года.
Отсутствие периодичности и значительный подъем уровня воды
Затопления при
прорыве плотин Излив воды из водохранилища или водоема, образующийся при прорыве сооружений напорного фронта (плотины, дамбы и т. п.), при аварийном сбросе воды из водохранилища, при прорыве естественной плотины, создаваемой природой при землетрясениях, оползнях, обвалах, движении ледников
Образование волны прорыва, приводящей к затоплению больших территорий и к разрушению или
повреждению встречающихся на пути объектов (зданий и сооружений и др.)
Реки отличаются друг от друга различными условиями формирования стока воды. По условиям формирования стока и, следовательно, по условиям возникновения наводнений реки Казахстана подразделяются на три типа (таблица3).
16
Таблица 3 -Типы рек по условиям возникновения наводнения
Условия формирования максимального стока воды
Районы распространения на территории Республики Казахстан
Весеннее таяние снега на равнинах Северная, Центральная и Западная части Таяние горных снегов и ледников Южный и восточный Казахстан
Выпадение интенсивных дождей Небольшие реки южной и восточной части
Основными характеристиками наводнения являются [5]:
- максимальный уровень подъема воды за время его действия;
- площадь затопления;
- продолжительность затопления местности;
- скорость подъема уровня воды.
Для осуществления прогноза наводнения необходимо знать и такую характеристику, как скорость течения, которая выражается в м/с.
По повторяемости, масштабам и наносимому ущербу наводнения делятся на четыре группы [7] (рисунок 3).
Рисунок 3 - Классификация масштаба наводнений
Низкие (малые) наводнения - наблюдаются в основном на равнинных реках и имеют повторяемость примерно 1 раз в 5 - 10 лет. Затопляется при этом менее 10% сельхоз. угодий, расположенных в низинных местах. Они наносят незначительный материальный ущерб и почти не нарушают ритма жизни населения.
Высокие наводнения -сопровождаются значительным затоплением, охватывают сравнительно большие участки местности, существенно нарушают
Масштаб наводнений
низкие высокие выдающиеся катастрофические
17
хозяйственную деятельность и установленный ритм жизни. Иногда приходится временно эвакуировать население. Материальный и моральный ущерб значителен. Происходят 1 раз в 20 - 25 лет.
Выдающиеся наводнения - они охватывают целые речные бассейны.
Парализуют хозяйственную деятельность, наносят большой материальный и моральный ущерб. Очень часто приходится прибегать к массовой эвакуации населения и материальных ценностей. Повторяются примерно один раз в 50 - 100 лет.
Катастрофические наводнения - вызывают затопления громадных территории в пределах одной или нескольких речных систем. Хозяйственная деятельность полностью парализуется. Резко изменяется жизненный уклад населения. Материальный ущерб огромен. Наблюдаются случаи гибели людей.
Случаются один раз в 100-200 лет и реже.
2.2Основные понятия и классификация риска аварии на гидротехнических сооружениях
Гидротехнические сооружения (ГТС) — инженерные сооружения, используемые для управления водными ресурсами, подачи воды водопользователям, водоснабжения и водоотведения, предупреждения вредного воздействия вод [8].
ГТС необходимы для комплексного использования водных ресурсов, включая обеспечение питьевого, промышленного и сельскохозяйственного водоснабжения, ирригации и гидроэнергетики, рыболовства и судоходства, рекреации и экологической устойчивости.
Гидросооружения подразделяют на постоянные и временные.
К временным относятся сооружения, используемые только в период строительства и ремонта постоянных сооружений.
Постоянные гидротехнические сооружения в зависимости от их назначения подразделяют на основные и второстепенные.
К основным следует относить гидротехнические сооружения, повреждение или разрушение которых приводит к нарушению или прекращению нормальной работы электростанций; прекращению или уменьшению подачи воды для водоснабжения и орошения; затоплению и подтоплению защищаемой территории; прекращению или сокращению судоходства, деятельности речного и морского портов, судостроительных и судоремонтных предприятий; может привести к прекращению добычи или к выбросу нефти и газа из морских скважин, хранилищ, трубопроводов.
К второстепенным следует относить гидротехнические сооружения, разрушение или повреждение которых не влечет за собой указанных последствий.
В Казахстане гидротехнические системы оказывают большое влияние на экономику, экологическую и социальную сферу, что определяет особую
18
актуальность обеспечения технической надежности и безопасной эксплуатаций данных сооружений.
Гидродинамические аварии - прорывы плотин (дамб, шлюзов, перемычек и др.) с образованием волн прорыва и катастрофических затоплений; прорывы плотин (дамб, шлюзов, перемычек и др.) с образованием прорывного паводка;
прорывы плотин (дамб, шлюзов, перемычек и др.), повлекшие смыв плодородных почв или отложение наносов на обширных территориях[16].
Гидротехнические сооружения напорного типа – это плотины, создающие подъем и, следовательно, напор воды, который затем используется для вращения каких-либо механизмов: турбин, лопастей мельниц [16].
Здесь следует различать три термина: запруда, плотина, гидроузел.
Запруда обычно создает подъем воды, но не имеет стока или он весьма ограничен.
Плотина - водоподпорное сооружение, перегораживающее водоток и (иногда) долину водотока для подъема уровня воды [8].
Гидроузел – система сооружений и водохранилища, связанных единым режимом водоперетока. В горных районах в результате землетрясений, обвалов, оползней образуются естественные плотины (запруды), которые почти всегда представляют опасность для нижерасположенных населенных пунктов, объектов промышленности и сельского хозяйства [8].
Прорыв гидротехнического сооружения может произойти из-за воздействия стихийных явлений (землетрясений, ураганов, обвалов, оползней и др.), конструкторских ошибок, некачественного выполнения строительных работ, нарушения правил эксплуатации, воздействия паводков, недостаточности водосбросов и др.
Самой крупной в историй аварией гидротехнического сооружения является авария в Российской Федераций на Саяно-Шушенской ГЭС произошедшая 17 августа2009 года. В результате аварии погибло 75 человек и нанесѐн большой экономический ущерб.
Рисунок 4 - Последствия аварии на Саяно-Шушенской ГЭС
19
При аварии на гидротехнических сооружениях возникает очаг поражения.
Очагом поражения называется территория, в пределах которой произошли катастрофическое затопление местности, повреждения и разрушения зданий и сооружений, сопровождающиеся поражениями и гибелью людей, животных и урожая сельскохозяйственных культур, порчей и уничтожением сырья, топлива, продуктов питания и окружающей природной среды. При прорывах гидросооружений возникает угроза катастрофического затопления населенных пунктов на больших территориях.
На затопляемой территории принято выделять четыре зоны катастрофического затопления (ЗКЗ) в зависимости от скорости течения воды, высоты волны попуска и расстояния населенного пункта от гидросооружения (рисунок 5) [16].
Рисунок 5 - Зоны затопления
Первая зона катастрофического затопления примыкает непосредственно к гидросооружению и простирается на 6-12 км, высота волны попуска достигает нескольких метров (в зависимости от глубины воды перед плотиной, т. е.
глубины прорана). Волна прорыва (попуска) в этой зоне характеризуется бурным потоком воды со скоростью течения 30 км/ч. Время прохождения волны прорыва - 30 мин.
Вторая зона - зона быстрого течения, 15-20 км/ч. Протяженность зоны от гидросооружения 15-25 км. Время прохождения волны 50-60 мин.
Третья зона- зона среднего течения со скоростью 10-15 км/ч и протяженностью от плотины до 30-50 км. Время прохождения волны прорыва 2-3 часа.
Четвертая зона - зона слабого течения (разлива). Скорость течения 6-10 км/ч. Ее протяженность будет зависеть от рельефа местности и может составить 36-70 км от гидросооружения.
20
Волна прорыва и разливающиеся массы воды, возникающие при авариях на ГТС способны на своем пути движения вызывать человеческие жертвы, разрушать строения и объекты экономики, наносить материальный ущерб населению и государству и потому является основным фактором в оценке риска аварий на гидротехнических сооружениях (рисунок 6).
Рисунок 6 - Схема плотины гидротехнического сооружения в системе гидроузла, разрез (а), план (б)
где: НПУ - нормальный подпорный уровень; hвб- глубина водоема перед плотиной в верхнем бьефе; hпл- высота плотины; hнб- глубина водоема (реки) за плотиной в нижнем бьефе; Н - напор гидроузла (H=hвб-hнб); 1 -ширина водохранилища в створе гидроузла; А - водохранилище; В - река; ОНХ -объект народного хозяйства; ЗТ - возможная зона затопления; L - расстояние от плотины до створа; ВП - волна прорыва.
Волна прорыва в своем движении вдоль русла реки непрерывно изменяет высоту, скорость движения, ширину и другие параметры. Она имеет фазы подъема уровня воды и последующего спада уровня. Фаза интенсивного подъема уровня воды является фронтом волны прорыва. Фронт волны прорыва может быть крутым при перемещении волны прорыва на участках русла, близким к разрушенному ГТС, и относительно пологим - на значительном удалении от него [16].
Вслед за фронтом волны прорыва высота ее начинает интенсивно возрастать, достигая через некоторый промежуток времени максимума, называемого гребнем волны прорыва. В результате подъема волны происходит затопление поймы и прибрежных участков местности. Площадь и глубина затопления зависят от параметров волны прорыва и топографических условий местности. После прекращения подъема наступает более или менее длительный период движения потока, близкий к установившемуся. Этот период тем длительнее, чем больше объем водохранилища. Последней фазой образования зоны затопления является спад уровней воды [16].
После прохождения волны прорыва русло реки обычно сильно деформируется вследствие большой скорости течения воды в волне прорыва.
21
Показатели волны прорыва представлены на схеме (рисунок 7).
Рисунок 7 - Схема волны прорыва
где: h - уровень реки в момент образования прорана; hНб - глубина реки в нижнем бьефе; hcp - высота затопления участка местности при его полном формировании; hзат-максимальная высота затопления участка местности по створу; hM - высота участка местности к уровню воды в реке в межень; Ф -фронт волны прорыва; L - расстояние от плотины до створа; hвб - глубина водоема перед плотиной в момент ее разрушения; i - уклон водной поверхности.
Масштабы чрезвычайных ситуаций при аварии на ГТС, сопровождающейся образованием волны прорыва, зависят от типа гидротехнического сооружения напорного фронта, от вида аварии (главным образом, от размеров прорана), от параметров водохранилища и плотины (дамбы), от характеристик русла в нижнем бьефе, а также от топографических и гидрографических условий местности, подвергаемой затоплению.
Все ГТС являются потенциально опасными источниками поражения (воздействия) на население, объекты экономики и окружающую среду в результате аварийного сброса огромных водных масс.
ГТС в зависимости от степени опасности разрушений и масштабов их последствий подразделяются на 4 класса.
Класс ГТС может определяться: по показателю технического назначения сооружения, по показателю динамических возможностей сооружения и по показателю масштабов народно-хозяйственного назначения (таблица 4).
Таблица 4 - Класс основных гидродинамических сооружений напорного типа в зависимости от технического назначения сооружения [17]
Объект защиты Высота сооружения, (м) при их классе
1 2 3 4
Подпорные стены
А Более 40 от 25 до 40 от 15 до25 менее 15 Б Более 30 от 20 до 30 от 12 до 20 менее 12 В Более 25 от 18 до 25 от 10 до 18 менее 10 Оградительные
сооружения (молы,
волноломы и дамбы) А, Б, В Более 25 от 25 менее 5 - Плотины на
грунтовых основаниях
А Более 100 от 75 до 100 от 25 до 75 менее 25 Б Более 75 от 35 до 100 от 15 до 35 менее 15 В Более 50 от 25 до 50 от 15 до 35 менее 15 Плотины бетонные и А Более 100 от 60 до 100 от 25 до 65 менее 25
22 железобетонные,
подводные
конструкции здании гидроэлектростанций.
Шлюзы
Б Более 50 от 25 до 50 от 10до25 менее 10 В Более 25 от 20 до 25 от 10до20 менее 10
В экстремальных условиях гидрологического режима (скоротечный паводок, аварийный сброс вод свыше расположенного по течению реки гидротехнических сооружений и др.) возможны ситуации, когда гидродинамическое воздействие вод превысит расчетные показатели устойчивости и прочности сооружений. Такие отклонения от проектных величин должны быть не более: для сооружений 1 класса - 1% (1 раз в 100 лет), 2 и 3 классов - 5% (1 раз в 20 лет), 4 класса - 10% (1 раз в 10 лет). Превышение ветровых волн и ветрового нагона над расчетными для сооружений 1 и 2 классов - 2% и 3,4 класса - 4%.
Установлено, что основными причинами разрушения гидротехнических сооружений являются: горизонтальные подвижки и вертикальные смещения под основанием ГТС. Вовремя не замеченные, они начинают проявляться в снижении устойчивости конструкции, что может привести к аварии или полному разрушению. Из статистического анализа отказов ГТС, произошедших в двадцатом веке на примере 240 аварий, приведенных в таблице 5, видно, что большинство отказов плотин произошло в результате паводковых воздействий и чрезмерной проницаемости грунтовых оснований, а также недостаточной прочности сооружения.
Таблица 5 -Таблица статистического анализа отказов на гидротехнических сооружениях напорного типа на территории
бывшего СССР за период 1990 - 2000 гг.[18]
Причинные свойства грунтовых оснований
Причины аварий Штатные
условия эксплуатации
Паводки Сейсм Другие Всего Чрезмерная
проницаемость 110 6 2 2 120
Деформационная
неоднородность 42 2 3 2 49
Недостаточная
прочность на сдвиг 24 3 4 5 36
Размываемость 7 23 - 1 31
Другие 3 - 1 - 4
Всего 186 34 10 10 240
По данным статистического учѐта установлено, что чрезмерные фильтрационные расходы, связанные с трещинами плотин в зоне основания, являются причинами 50% всех отказов, в том числе 28% из них сопровождались разрушением плотин
