Метеорологические, морские гидрологические и гидрологические чрезвычайные ситуации

Бури и ураганы

 

Ураганы, бури, штормы – метеорологические опасные явления, характеризующиеся высокими скоростями ветра. Эти явления вызываются неравномерным распределением атмосферного давления на поверхности земли и прохождением атмосферных фронтов, разделяющих воздушные массы с разными физическими свойствами. Они зарождаются во­круг мощных восходящих потоков теплого влажного воздуха (циклоны и тайфуны – над океанами), быстро вращаются против ча­совой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке – в Южном, при этом смещаются вместе с окружающей воздушной массой. По пути (в благоприятных условиях подпитки влагой) они могут усиливаться, но раньше или позже теряют энергию и гаснут.

Обычно ураганы формируются в тропических районах, затем, следуя в северные или южные широты Земли, медленно рас­сеиваются. Считается, что возникно­вение урагана связано с наличием области низкого давления, а его поддержание – с некоторым постоянным источником энергии, кото­рый представляет влажный воздух, поднимающийся над водной по­верхностью. Выделяющееся при конденсации воды тепло питает ураганы энергией.

Важнейшими характеристиками ураганов, бурь и штормов, определяющими объемы возможных разрушений и потерь, являются скорость ветра, ширина зоны, охваченной ураганом, и продолжительность его действия. Скорость ветра при ураганах, бурях и штормах в районах европейской части РФ изменяется от 20 до 50 м/с, а на Дальнем Востоке достигает 60-90 м/с и более. Фактором опасности являются также интенсивные осадки.

Разру­шительная способность ветра выражается условными баллами и зависит от скорости:

0 баллов –18-32 м/с, слабые разрушения;

1 балл – 33-49 м/с, умеренные разрушения;

2 балла – 50-69 м/с, значительные разрушения;

3 балла – 70-92 м/с, сильные разрушения;

4 балла – 98-116 м/с, опустошительные разрушения.

Более подробные оценки содержит шкала скорости ветра Бофорта, модифицированная для ураганов специалистами национальной службы погоды США. Эта шкала принята в 1963 г. Всемирной Метеорологической организацией. В таблице 1.26 она приводится с некоторыми сокра­щениями второстепенных деталей и дополнениями о разруши­тельном потенциале.

Наивысшая зарегистрированная скорость ветра в урагане более 80 м/с (280 км/ч), вычисленная по величине разрушений – до 110 м/с (400 км/ч).

Таблица 1.26

Шкала Бофорта

 

Бал-лы	Скорость ветра	Название ветрового режима	Признаки
км/ч	м/с
	0-1,6	0-0,44	Затишье	Дым идет прямо
	3,2-4,8	0,88-1,33	Легкий ветерок	Дым изгибается
	6,4-11,3	1,77-3,14	Легкий бриз	Листья шевелятся
	12,9-19,3	3,58-5,36	Слабый бриз	Листья двигаются
	20,9-28,9	5,8-8,02	Умеренный бриз	Листья и пыль летят
	30,6-38,6	8,5-10,72	Свежий бриз	Тонкие деревья качаются
	40,2-49,9	11,16-13,86	Слабый бриз	Качаются толстые деревья
	51,5-61,1	14,3-16,97	Сильный ветер	Стволы деревьев изгибаются
	62,8-74,0	17,4-20,5	Буря	Ломаются тонкие ветки деревьев. Опасна для судов, буровых вышек и сходных сооружений
	75,6-86,9	21-24,1	Сильная буря	Повреж­дение легких построек, кровли, труб
	88,5-101,4	24,58-28,16	Полная буря	Выры­вает с корнем деревья. Значительное поврежде­ние легких построек
	103-120,7	28,6-33,52	Шторм	Массовое по­вреждение легких построек
	более 120,7	> 33,52	Ураган
12,1	122-150	35-42	Сильный ветровал. Значительное повреждение легких дере­вянных построек. Валятся некоторые телеграфные столбы
12,2	150-175	42-49	Разрушение легких де­ревянных построек, в прочих постройках — повреждения крыш, окон, дверей. Штормо­вой нагон воды на 1,6-2,4 м выше нормального уровня моря
12,3	175-210	49-58	Полное раз­рушение легких деревянных построек. В прочих по­стройках — большие повреждения. Штормовой на­гон — на 1,5-3,5 м выше нормального уровня моря. Нагонное наводнение, повреждение зданий водой
12,4	210-250	58-70	Полный вет­ровал деревьев. Полное разрушение легких и силь­ное повреждение прочных построек. Штормовой нагон — на 3,5-5,5 м выше нормального уровня мо­ря. Сильная абразия морского берега. Сильное по­вреждение нижних этажей зданий водой
12,5	>250	>70	Многие прочные здания разрушаются ветром, при скорости 80-100 м/сек, а также каменные, при скорости 110 м/с, практически все. Штормовой нагон выше 5,5 м. Ин­тенсивные разрушения наводнением

 

 

Максималь­ная скорость ветра 230 км/ч (64 м/с) зафиксирована в Пуэрто-Ри­ко в 1928 г. Наивысшая измеренная скорость ветра в смерче – 115 м/с (420 км/ч), рассчитанная по разрушениям – более 300 м/с (1000 км/ч). Для достижения столь высоких скоростей ветра необ­ходимы особые местные условия, в частности для ураганов – про­хождение над возвышенностями.

Энергия скорости ветра, т.е. скоростной напор q, пропорционален произведению плотности атмосферного воздуха на квадрат скорости воздушного потока q = 0,5rv².

Согласно строительным нормам максимальное нормативное зна­чение ветрового давление для территории России составляет q = 0,85 кПа, что при плотности воздуха r = 1,22 кг/м³ соответст­вует скорости ветра:

= 37,3 м/с (134 км/ч). (1.45)

Для сравнения приведем расчетные значения скоростного напора, использованные при проектировании атомных станций (АС) для района Кариб­ского бассейна: для сооружений I категории - 3,44 кПа, II и III -1,75 кПа и для открытых установок – 1,15 кПа.

Частотным анализом годового числа ураганов установлена воз­можность его описания распределением Пуассона:

f(x)=m^xexp(-m)/x, (1.46)

где f(x) – функция распределения;

x – ежегодная частота;

m – средняя ежегодная частота. Например, для всех ураганов Атланти­ческого побережья США m =2.

Функция распределения вероятностей образования урагана может быть положена в основу прогноза риска возможных разруше­ний. Непосредственная опасность надвигающегося урагана может фиксироваться слежением за его перемещением радиолокаторами, а также спутниками, что позволяет определить направление движения путем краткосрочного прогноза.

Для циклонов средних широт характерен диаметр порядка 1000 км, максимум 4000 км, существуют они до 3-4 недель, за которые проходят расстояния до 10 тыс. км, в том числе до 5-7 тыс. км над сушей со скоростью обычно 30-40 км/ч, редко до 100 км/ч.

Шквальные бури и смерчи (торнадо) – это вихри, возникающие в теплое время года, в основном на мощных атмосферных фронтах, но иногда и при особо интенсивной местной циркуляции.

Шквалы – горизонтальные вихри под краем наступающей полосы мощных кучево-дождевых облаков. Ширина шквала соответствует ши­рине атмосферного фронта и достигает сотен километров. Скорость движения воздуха в вихре складывается со скоростью дви­жения фронта и местами достигает ураганной (до 60-80 м/с).

Так образуются шквальные бури или штормы. Их ширина – пер­вые километры, редко достигает 50 км, длина пути 20-200 км, редко до 700 км, длительность в каждой точке пути – от нескольких до 30 минут. Они сопровождаются мощными ливнями и грозами. Шква­лы и местные шквальные бури характерны для всех территорий, охватываемых циклонической деятельностью. Их повторяемость и сезонность зависят от некоторых характеристик сталкивающихся воздушных масс и весьма различны от места к месту.

В средних широтах ширина зоны действия урагана может достигать нескольких тысяч километров. Продолжительность действия ураганного ветра может изменяться от 9 до 12 суток и более, а бурь и штормов – от нескольких часов до нескольких суток. Ветер при ураганах в наших широтах, в основном, направлен с запада на восток. Наиболее часто ураганы на территории Российской Федерации возникают в августе-сентябре.

Смерчи, называемые в Северной Америке «торнадо», – мощные сконцентрированные вихри с вертикальной осью вращения, по­рождаемые грозовыми облаками высотой до 12-15 км.

Процесс образования смерча протекает иногда лишь за 20-30 ми­нут и начинается с появления восходящей струи теплого влажного воздуха, порождающей особо крупное и высокое грозовое облако. Из него начинается выпадение дождя и града в кольце вокруг вос­ходящей струи. В какой-то момент завеса дождя закручивается в спираль в форме цилиндра или конуса, касающегося земли. Ци­линдр (конус) стремится расшириться вследствие центробежной силы, что создает пониженное давление в трубке. Для поддержа­ния смерча требуются продолжение подачи влажного воздуха вверх (что облегчается пониженным давлением в трубе) и определенная плотность вращающейся стенки дождя и града. Начальное усло­вие – мощное грозовое облако и обильные осадки из него – обычно достигается при комбинировании тепловой конвекции и поднятия теплого воздуха подтекающим под него клином холодно­го. Поэтому 90% смерчей связаны с холодными фронтами, осталь­ные – с экстремально сильной внутримассовой конвекцией.

Среднее время существования смерча – 10-30 минут, а при наи­лучших условиях подпитки на пути до 1 часа – на Русской равни­не, 5 часов – в Великобритании, 7,5 часов – в США. Смерчи движутся со скоростью атмосферного фронта, на котором они ро­дились (в среднем 50-60 км/ч, редко более 150 км/ч), и проходят путь длиной до 50 км – на Русской равнине, 300 км – в Велико­британии, 500 км – в США, в среднем – 10-30 км.

Средний диаметр смерча у земли – 200-400 км, на Русской равни­не – до 1 км. Площадь разрушений в среднем менее 1 км², максимум до 400 км². По силе и площади разрушений крупный долгоживущий смерч сравним с атомной бомбой.

Очень часто ураганы сопровождаются ливнями, снегопадами, градом, возникновением пыльных и снежных бурь.

Ураган, проходя над морем или океаном, может сформировать мощные облака, которые являются источниками ливневых дождей.

Пыльные (песчаные) бури возникают в распаханных степных районах и сопровождаются переносом миллионов тонн почвы и песка на десятки и сотни километров. Пыльные бури отмечаются летом в сухое время года, иногда весной и в малоснежные зимы. На территории РФ пыльные бури могут возникать в районах южнее линии Саратов, Уфа, Оренбург и предгорья Алтая.

Снежные бури характеризуются перемещением огромных масс снега и сравнительно небольшой полосой действия − от нескольких километров до 10-20 км. Они возникают на равнинной территории РФ и в степной части Западной и Восточной Сибири.

В результате обильного выделения осадков, сопровождающих ураганный ветер, могут возникать затопления местности и снежные заносы на большой территории. Могут получить разрушения линии электроснабжения и связи.

Разрушения зданий при ураганном ветре и перехлестывание проводов ЛЭП способствуют возникновению и быстрому распространению массовых пожаров.

16 мая 1990 года территория Иркутской области подверглась действию ураганного ветра со скоростью более 30 м/с. При этом были разрушены и сожжены 723 жилых дома, 24 общественных здания, 4 крупных лесопромышленных объекта, повреждены 24 ЛЭП, схлестнулись провода на 31 ЛЭП, сгорело 255 деревянных опор ЛЭП и связи. Уничтожены зерновые на полях площадью 165 тыс. га. Погибло 27 человек и 296 голов крупного рогатого скота. Было эвакуировано около 700 человек населения г.Ангарска. Общий ущерб составил 150 млн. рублей.

В ликвидации последствий урагана принимали участие пожарные части (5031 чел. и 440 ед. техники), полк ГО и воинские части Заб.ВО и невоенизированные формирования ГО (2240 чел. и 410 ед. техники), медицинские формирования, формирования службы ООП (4,5 тыс.чел и 430 ед. техники), подразделения инженерной службы области (18 бульдозеров, автопогрузчик, 2 цистерны водоснабжения) и другие силы.

Основными признаками возникновения ураганов, бурь и смерчей являются: усиление скорости ветра и резкое паде­ние атмосферного давления; ливневые дожди и штормо­вой нагон воды; бурное выпадение снега и грунтовой пыли.

Цунами

Волны цунами – это длинные морские волны, которые возникают вследствие землетрясений (90% случаев), деятельности вулканов и мощных подводных взрывов.

Цунами возникают лишь после тех землетрясений, которые связаны с быстрым образованием на дне океана сбросов, обвалов, оползней. Это смещение, действуя по принципу поршня, толкает воду, вызывая образование цунами.

Возникновение значительных цунами связано с землетрясениями, очаги которых расположены сравнительно неглубоко - на глубине не более 40-60 км.

На основе многолетних наблюдений получена следующая статистика:

землетрясения с магнитудой М> 7.5 вызывают цунами почти всегда;

при М = 7 ¸ 7,2 - цунами возникают в 67% случаев;

при М = 6,7 ¸ 6,9 - цунами возникают лишь в 17% случаев;

при М = 5,8 ¸ 6,2 - лишь в 14% случаев.

Образовавшись в каком-либо месте, цунами может пройти несколько тысяч километров, почти не уменьшаясь. Это связано с длиной волны цунами. Цунами имеют весьма большую длину, обычно превышающую 100 км. Скорость распространения цунами в океане составляет 700 ¸ 800 км/ч, а на побережье уже снижается до 30 ¸ 40 км/ч.

Цунамиопасными регионами нашей страны являются Курильские острова, Камчатка, Сахалин, побережье Тихого океана.

В таблице 1.27 приведены данные о повторяемости цунами различной интенсивности и дана краткая характеристика возможных последствий наката волны на берег. Умеренные цунами, приводящие к небольшому затоплению низких участков побережья, происходят в мире два раза в год, а в Курило-Камчатской зоне – один раз в 5,5 лет. Один раз в 10 лет происходит катастрофическое цунами (в Курило-Камчатской зоне – один раз в 200 лет), приводящее к полному разрушению на берегу протяженностью более 400 км.

Одно из последних катастрофических цунами, имевшее место осенью 1994 г. в районе островов Курильской гряды, по данным РАН, нанесло суммарный ущерб на сумму около 4,5 трлн. руб.

Прогнозирование обстановки в районах воздействия цунами целесообразно разделить на три этапа:

на 1-м этапе прогнозируется зарождение цунами и распространение волн в открытом море;

на 2-м этапе оценивается интенсивность гидравлического воздействия при распространении волн цунами на берегу;

на 3-м этапе производятся расчеты показателей обстановки в районах воздействия цунами.

Рассмотрим подробнее вопросы, связанные с зарождением цунами и распространением волн в открытом море (1-й этап прогнозирования).

Цунами характеризуют магнитудой. За магнитуду цунами принят натуральный логарифм амплитуды колебаний уровня воды (в метрах), измеренный стандартным мареографом у береговой линии на расстоянии от 3 до 10 км.

Магнитуда цунами отличается от магнитуды землетрясения. Если сейсмическая магнитуда характеризует энергию в целом, то магнитуда цунами - только часть энергии землетрясения.

 

 

Таблица 1.27

Повторяемость цунами различной интенсивности

Клас-сифика-ция цунами	Интенсивность цунами, i	Длина побережья, км	Средний подъем воды, м	Максимальный подъем, м	Период повторяемости, годы	Характер разрушений
Общий	Курило-Камчат-ская зона
Ката-строфи-ческое		Более 400		20 ¸ 30			Полное разрушение на берегу
Очень сильное		200 ¸ 400	4¸8				Сильное разрушение, все строения повреждены
Сильное		80 ¸ 200	2¸4	3¸6			Повреждаются непрочные строения вблизи берега
Умерен-ное		20 ¸ 80	1¸2		0,5	5,5	Затапливаются только низкие участки побережья, на берег выбрасываются легкие суда
Слабое				0,25	1,7		Для человека незаметны. Регистрируются только мареографами
Прочие	-1¸-5		0,1 ¸ 0,4

Примечание: i = log₂h, где h – средний подъем на берегу.

 

Существует статистическая зависимость между сейсмической магнитудой М, магнитудой цунами m и высотой волны цунами h_о (табл.1.28).

 

Таблица 1.28

Зависимость между сейсмической магнитудой,

магнитудой цунами и высотой главной волны цунами

Магнитуда землетрясения, М	Магнитуда цунами, m	Высота главной волны (hо), м
7,5		2 – 3
8,0		4 – 6
8,25		8 – 12
8,5		14 – 20

 

По мере распространения волны цунами от места образования обычно формируется группа волн, порядка десяти, которые достигают берега с периодом от 5 до 90 минут. Пока не найдено определенной закономерности в вопросе о том, какая из серии движущихся к побережью волн будет иметь наибольшую высоту. Как правило, наибольшей является одна из первых трех волн.

Цунами вызывает массовую гибель людей, разрушает здания и сооружения, перемещает на значительные расстояния от берега тяжелые объекты, в том числе и океанические суда, переворачивает железнодорожные составы. Суда, портовые сооружения и оборудование повреждаются от воздействия даже слабых волн цунами. Значительные повреждения вызываются также действием плавающих предметов и обломков.

Цунами особенно опасны для поселков, городов и сооружений, расположенных на низменных берегах океана, а также находящихся в вершине заливов и бухт, широко открытых океану и клинообразно сужающихся в сторону суши. Сюда, как в воронку, цунами нагоняет большую массу воды, которая в конце бухт огромной волной выплескивается на берег, затопляя устья и долины рек на несколько километров.

Вторичными последствиями разрушительного действия цунами могут быть пожары, возникающие в результате повреждений нефтехранилищ, пожароопасных предприятий, морских судов, повреждения электросетей. Разрушение химически- и радиационно опасных объектов, а также коммунальных систем может вызвать химические, радиационные и другие загрязнения, которые быстро распространяются на обширные территории за счет потоков воды.

Большой экономический ущерб несет вызванное цунами прекращение функционирования объектов сельского хозяйства, промышленности, энергетики, транспорта, связи и т.д.

Сильные водяные потоки вызывают смыв почвы, размыв насыпей дорог, оснований мостов. Вторичными последствиями могут быть оползни, обрушение склонов, гибель сельскохозяйственных угодий и природных ландшафтов, а также обрушение сооружений.

Вторичные последствия по размерам ущерба могут превосходить прямые последствия цунами во много раз.

Наиболее тяжелые последствия во второй половине столетия имели Курильское (1952 г.), Чилийское (1960 г.) и Аляскинское (1964 г.) цунами.

Наводнения

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 местности, не сопровождающееся материальным ущербом, считается разливом реки, озера или водохранилища.

Основными природно-географическими условиями возникновения наводнений являются: выпадение осадков в ходе дождя, таяние снега и льда, цунами, тайфуны, опорожнение водохранилищ. Наиболее частые наводнения возникают при обильном выпадении осадков в виде дождя, обильном таянии снега и образовании заторов при ледоходе. Весьма опасны наводнения, связанные с разрушением гидротехнических сооружений (ГЭС, дамбы, плотины).

В зависимости от причин возникновения, как правило, выделяют пять групп наводнений.

1-я группа– наводнения, связанные в основном с максимальным стоком от весеннего таяния снега. Такие наводнения отличаются значительным и довольно длительным подъемом уровня воды в реке и называются обычно половодьем.

2-я группа– наводнения, формируемые интенсивными дождями, иногда таянием снега при зимних оттепелях. Они характеризуются интенсивными, сравнительно кратковременными подъемами уровня воды и называются паводками.

3-я группа – наводнения, вызываемые в основном большим сопротивлением, которое водный поток встречает в реке. Это обычно происходит в начале и в конце зимы при заторах и зажорах льда.

4-я группа– наводнения, создаваемые ветровыми нагонами воды на крупных озерах и водохранилищах, а также в морских устьях рек.

5-я группа– наводнения, создаваемые при прорыве или разрушении гидроузлов.

По размерам или масштабам и по наносимому ущербу наводнения, как правило, выделяют в четыре категории.

Низкие (малые) наводнения. Наблюдаются в основном на равнинных реках, наносят незначительный материальный ущерб и почти не нарушают ритма жизни населения.

Высокие наводнения. Сопровождаются значительным затоплением, охватывают сравнительно большие участки речных долин и иногда существенно нарушают хозяйственный и бытовой уклад населения. В густонаселенных районах высокие наводнения приводят к частичной эвакуации населения.

Выдающиеся наводнения. Такие наводнения охватывают целые речные бассейны. Они парализуют хозяйственную деятельность, наносят большой материальный ущерб, приводят к массовой эвакуации населения и материальных ценностей.

Катастрофические наводнения. Они вызывают затопления обширных территорий в пределах одной или нескольких речных систем. Такие наводнения приводят к значительным материальным убыткам и гибели людей.

Наиболее часто сильные ливневые наводнения происходят на Дальнем Востоке, а также в европейской части России. В таблице 1.32 приведены данные о повторяемости наводнений в Приморье, а в таблице 1.33 - о частоте затопления пойм некоторых рек. Данные о катастрофических уровнях воды в реках по многолетним наблюдениям сведены в таблицу 1.34.

Таблица 1.32

Повторяемость наводнений в Приморье (1 раз/лет)

Река	Наводнения
Малые	Высокие	Выдающиеся и катастрофические
Уссури	1/2	1/4	1/9
Иман	1/2	1/3	1/6
Суйфун	1/2	1/7	1/16
Даубихе	1/2	1/4	1/10

 

 

Таблица 1.33

Частота затопления пойм равнинных рек (% числа лет)

Район	Часть поймы
Притеррасная	Центральная	Прирусловая
Северо-Запад европейской части России
Нижняя Обь
Верхняя Волга
Бассейн Днепра	-		-

Наибольшие разрушения и людские жертвы вызывают наводнения 5-й группы. Рассмотрим подробнее их особенности и поражающие факторы.

Гидродинамически опасный объект (ГОО) – сооружение или естественное образование, создающее разницу уровней воды до и после него. К ГОО относятся гидротехнические сооружения напорного фронта и естественные плотины. Отличительной особенностью ГОО является образование волны прорыва при его разрушении.

Авария на ГОО может произойти из-за воздействия сил природы (землетрясения, ураганы, обвалы, оползни и т.д.), конструктивных дефектов, нарушения правил эксплуатации, воздействия паводков, разрушения основания, недостаточности выбросов и т.д., а в военное время – как результат воздействия по ним средств поражения.

Таблица 1.34

Высокие уровни воды в реках, см (от отметки уровня межени)

Река	Пункт	Период	Год	Месяц	Уровень
Амур	Комсомольск	-		-	-
Волга	Астрахань	1792-1952		июнь
Волга	Н.Новгород	1850-1953		май
Волга	Ярославль	1877-1950		апрель
Волхов	Новгород	1877-1950		май
Дон	Старочеркасская	1877-1950		апрель
Енисей	Енисейск	1902-1950		май
Енисей	Красноярск	1902-1950		май
Енисей	Означенная	1907-1950		июнь
Зея	Мазанова	1903-1950		июль
Иртыш	Тобольск	1890-1950		июнь
Кама	Березники	1881-1950		май
Кама	Чистополь	1876-1950		май
Колыма	Среднеколымск	1927-1953		июнь
Москва	Москва	1881-1950		апрель
Нева	С.-Петербург	1721-1953		ноябрь
Неман	Смалининкай	1812-1952		апрель
Ока	Дедново	1881-1950		апрель
Ока	Муром	1877-1950		май
Сев. Двина	Аргангельск	1752-1952		май
Селемужа	Экимчан	1912-1950		июль
Сухона	Великий Устюг	1881-1950		апрель
Чусовая	Кын	1881-1950		май
Шилка	Сретенск	1896-1950		август

 

При прорыве плотины в ней образуется проран, от размеров которого зависят объем и скорость падения вод верхнего бьефа в нижний бьеф ГОО и параметры волны прорыва – основного поражающего фактора этого вида аварий.

Катастрофическое затопление, являющееся следствием гидродинамической аварии, заключается в стремительном затоплении местности волной прорыва. Масштабы последствий гидродинамических аварий зависят от параметров и технического состояния гидроузла, характера и степени разрушения плотины, объемов запасов воды в водохранилище, характеристик волны прорыва и катастрофического наводнения, рельефа местности, сезона и времени суток происшествия и многих других факторов.

Основными поражающими факторами катастрофического затопления являются: волна прорыва, характеризующаяся высотой волны и скоростью движения, и длительность затопления.

Волна прорыва – волна, образующаяся во фронте устремляющегося в пролом потока воды, имеющая, как правило, значительную высоту гребня и скорость движения и обладающая большой разрушительной силой. Волна прорыва образуется при одновременном наложении двух процессов: падения вод водохранилища из верхнего в нижний бьеф, порождающего волну, и резкого увеличения объема воды в месте падения, что вызывает переток воды из этого места в другое, где уровень воды ниже.

Волна прорыва, с гидравлической точки зрения, является волной перемещения, которая, в отличие от ветровых волн, возникающих на поверхностях больших водоемов, обладает способностью переносить в направлении своего движения значительные массы воды. Поэтому волну прорыва следует рассматривать как определенную массу воды, движущуюся вниз по реке и непрерывно изменяющую свою форму, размеры и скорость.

Воздействие волны прорыва на объекты подобно воздействию ударной волны воздушного ядерного взрыва, но отличается от него, в первую очередь, тем, что действующим телом является вода.

Схематично продольный разрез такой сформировавшейся волны показан на рис. 1.17.

Рис. 1.17. Схематический продольный разрез волны прорыва

 

Начало волны называется фронтом волны, который, перемещаясь с большой скоростью, выдвигается вперед. Фронт волны может быть очень крутым при перемещении больших волн на участках, близких к разрушенному гидроузлу, и относительно пологим – на больших расстояниях от гидроузла.

Зона наибольшей высоты волны называется гребнем волны, который движется, как правило, медленнее, чем ее фронт. Еще медленнее движется конец волны – хвост волны. Вследствие различия скоростей этих трех характерных точек волна постепенно растягивается по длине реки, соответственно уменьшая свою высоту и увеличивая длительность прохождения. При этом, в зависимости от высоты волны и уклонов реки на различных участках, а также неодинаковой формы и шероховатости русла и поймы, может наблюдаться некоторое временное ускорение движения гребня, с «перекашиванием» волны, т.е. с относительным укорочением зоны подъема по сравнению с зоной спада.

Прорыв плотин приводит к затоплению местности. Зона затопления образуется следующим образом. Волна прорыва в своем движении вдоль русла реки непрерывно изменяет высоту, скорость движения, ширину и другие параметры. Эта волна имеет зоны подъема уровней воды и зоны их спада, которые называются фронтом волны прорыва. Фронт волны прорыва может быть очень крутым при перемещении больших волн на участках, близких к разрушенному ГОО, и относительно пологим на значительном удалении от него.

Вслед за фронтом волны прорыва высота ее начинает интенсивно увеличиваться, достигая через некоторое время максимума, превышающего бровки берегов реки, в результате чего начинается затопление пойм. При этом образуются косые течения, которые формируют так называемый головной клин, имеющий в плане форму криволинейного треугольника.

После прекращения подъема уровней по всей ширине потока наступит более или менее длительный период движения, близкий к установившемуся. Этот период будет тем длительнее, чем больше объем водохранилища. Последней фазой образования зоны затопления является спад уровней. После прохождения волны прорыва остается переувлажненная пойма и сильнодеформированное русло реки, т.к. скорость воды в волне будут превышать расчетные неразмывающие скорости для грунтов, слагающих дно реки и поймы.

Из приведенного описания видно, что даже в схематизированных условиях главные параметры волны прорыва (глубина, ширина, скорость движения) в каждом створе изменяются не только по длине и высоте, но и по ширине потока, т.е. поток является пространственным и очень сложным по форме.

Так как волна прорыва является основным поражающим фактором при разрушении гидротехнического сооружения, то для определения показателей обстановки в зоне катастрофического затопления необходимо определить ее параметры: высоту волны – (Н_в), глубину потока – (Н), скорость движения и время добегания различных характерных точек волны (фронта, гребня, хвоста) до расчетных створов, расположенных на реке ниже гидроузла (V_фр, V_гр, V_хв и t_фр, t_гр, t_хв), а также длительность прохождения волны через указанные створы - (Т), равную сумме времени подъема уровней – (Т_под) и времени спада – (Т_сп) или разнице между t_хв и t_гр. На основании известных параметров волны прорыва выявляются показатели потерь и разрушений и мероприятия по ликвидации последствий.

Разрушительное действие волны прорыва является результатом:

резкого изменения уровня воды в нижнем и верхнем бьефах при разрушении напорного фронта;

непосредственного воздействия массы воды, перемещающейся с большой скоростью;

изменения прочностных характеристик грунта в основании сооружений вследствие фильтрации и насыщения его водой;

размыва и перемещения больших масс грунта;

перемещения с большими скоростями обломков разрушенных зданий и сооружений и их таранного воздействия.

Высота и скорость волны прорыва зависят от гидрологических и топографических условий реки. Например, для равнинных районов скорость волны прорыва колеблется от 3 до 25 км/ч, а для горных и предгорных мест имеет величины порядка 100 км/ч. Лесистые участки замедляют скорость и уменьшают высоту волны.

Усредненные скорости движения и значения параметров поражающих факторов волн прорыва приведены в таблицах 1.35-1.36.

Таблица 1.35

Средняя скорость движения волны прорыва, км/ч

Характеристика русла и поймы	j=0,01	j=0,001	j=0,0001
На реках с широкими затопленными поймами	4 – 8	1 - 3	0,5 - 1
На извилистых реках с заросшими или неровными каменистыми поймами, с расширениями и сужениями поймы	8 – 14	3 - 8	1 - 2
На реках с хорошо разработанным руслом, с узкими и средними поймами без больших сопротивлений	14 - 20	8 - 12	2 - 5
На слабоизвилистых реках с крутыми берегами и узкими поймами	24 - 18	12 - 16	5 - 10

 

Таблица 1.36

Значения параметров поражающих факторов волн прорыва

Параметры поражающих факторов	Ед. изм.	Значения параметров
Глубина потока (высота волны)	м	1,5 — для слабых; 4 и более — для сильных и полных разрушений
Скорость потока	м/с	2 — для слабых; 2,5 и более — для сильных и полных разрушений

 

К основным характеристикам зоны наводнения в общем случае, как правило, относят:

численность населения, оказавшегося в зоне наводнения;

количество населенных пунктов, попавших в зону, охваченную наводнением (здесь можно выделить города, поселки городского типа, сельские населенные пункты, полностью затопленные, частично затопленные, попавшие в зону подтопления и т.п.);

количество объектов различных отраслей экономики, оказавшихся в зоне, охваченной наводнением;

протяженность железных и автомобильных дорог, линий электропередач, линий коммуникаций и связи, оказавшихся в зоне затопления;

количество мостов и тоннелей, затопленных, разрушенных и поврежденных в результате наводнения;

площадь сельскохозяйственных угодий, охваченных наводнением;

количество погибших сельскохозяйственных животных.

Качественная характеристика причиненного ущерба затопленной территории, как правило, зависит:

от высоты подъема воды над уровнем реки, водоема, которая может колебаться от 2 до 14 метров;

от площади затопления, которая колеблется от 10 до 1000 км²;

от площади затопления населенного пункта, которая колеблется от 20 до 100 %;

от максимального расхода воды в период половодья, который, в зависимости от площади водосбора, колеблется от 100 до 4500 м³/сек (при площади водосбора 500 км² максимальный расход воды колеблется от 100 до 400 м³/сек, при 1000 км² – 400 - 1500 м³/сек, при 10000 км² – 1500 - 4500 м³/сек);

от продолжительности паводка, колеблющегося от 1 до 2 суток;

от продолжительности половодья, колеблющегося на малых реках от 1 до 3 суток, а на крупных реках – от 1 до 3 месяцев;

от скорости потока, которая при паводках изменяется от 2 до 5 м/с.

Основными параметрами воздействия паводковых волн (волн попуска) на постоянные мостовые переходы являются:

удар движущегося фронта волны;

длительное гидравлическое давление на элементы моста (опоры моста, береговые устои, пролетные строения);

размыв грунта между опорами (общий размыв) и подмыв опор (местный), разрушение регуляционных сооружений, земляных насыпей (эстакад) на подходах к мосту;

медленное затопление местности, сооружений и дорог без существенного их разрушения на подходах к мостовому переходу;

удары массивных плавучих предметов и образование стеснений потока