Методика оценки воздействия цунами при проектировании и эксплуатации морских портов Дальневосточного бассейна

Актуальность проблемы. Эксплуатация морских портов.

Дальневосточного бассейна осуществляется в условиях постоянного риска воздействия одного из самых катастрофических явлений природы — гигантских волн цунами.

Проблема своевременного предупреждения цунамиопасных ситуаций на Дальневосточном побережье России получила особую актуальность в 50-е годы прошлого века. В 1980 г. было принято Постановление Совета Министров СССР (№ 821 от 23.09.80) «О мерах по дальнейшему совершенствованию и организации своевременного предупреждения населения приморских районов Дальнего Востока о морских волнах, вызываемых подводными землетрясениями (цунами)».

Этим Постановлением предусматривалось создание в 1985;90 гг. на Дальнем Востоке единой автоматизированной системы (ЕАС) наблюдения за возникновением и распространением цунами «Цунами» (ЕАСЦ). В ходе работ по выполнению Постановления в начале 80-х гг. XX века была разработана структура ЕАСЦ, включающая в себя сейсмическую и гидрофизическую подсистемыподсистему связи и ряд центров сбора и обработки информации. В ходе работ были проработаны методы и алгоритмы автоматизированного прогноза цунами. Однако в морских портах создание такой системы не предусматривалось.

В конце 80-х и 90-х гг. прошлого века по ряду причин, проблема цунами в России отошла на второй план и уже начатые работы были не завершены.

В соответствии с поручением Президента РФ работы по развитию средств предупреждения цунами были включены в ФЦП «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 года».

Повышение интереса в мире к проблеме предупреждения цунами на настоящем этапе обусловлено сильнейшим Суматра-Андаманским землетрясением 26 декабря 2004 г., вызвавшего катастрофическое цунами, которое унесло жизни более 200 тысяч человек и нанесло значительный экономический ущерб.

11 марта 2011 года в 08:46 по московскому времени у берегов Японии произошло землетрясение магнитудой не менее 8,9. Эпицентр был расположен в 130 километрах от побережья префектуры Мияги. Вскоре на берега Японии обрушилось мощное цунами, высота волн которого в некоторых местах составила десять метров. Обширное затопление привело к отключению электричества в миллионах домов, остановке ряда АЭС и другим происшествиям. По предварительной оценке, число жертв и пострадавших составило около 23 тысяч человек.

Исследования, направленные на объективный и правильный учет экстремальных волн цунами, приобретают еще большую актуальность в связи с необходимостью реконструкции существующих объектов инфраструктуры морских портов.

Актуальность работы не ограничивается ее практической значимостью. Результаты выполненных исследований имеют вполне определенное научное значение: они позволяют понять и уточнить особенности физической структуры волн цунами в прибрежных мелководных районах, вероятностных характеристик этих волн районах существующих портов и перспективных площадок, а также описать процесс их взаимодействия с портовыми гидротехническими сооружениями и берегами.

Объектом исследования является оценка цунамиопасности при эксплуатации гидротехнических сооружений морских портов Дальневосточного бассейна.

Цель и задачи исследований. Цель работы — получение научно-обоснованных характеристик, обеспечивающих надежную эксплуатацию морских портов в цунамиопасных районах.

Основные задачи работы состояли в следующем:

— разработать метод расчета высоты наката волн цунами на гидротехнические сооружения и берега;

— разработать метод оценки цунамиопасности существующих морских портов Дальневосточного бассейна и перспективных площадок размещения объектов портовой инфраструктуры;

— разработать концепцию создания средств оперативного предупреждения цунами в морских портах Дальневосточного бассейна.

Методы исследований. В процессе работы использовались:

— лабораторные данные исследования трансформации волн цунами из материалов открытой печати;

— методы теории вероятностей, подобия и размерностей при обработке результатов лабораторных исследований трансформации волн цунами в прибрежной мелководной зоне;

— вероятностные методы обработки и анализа статистических сведений о волнах цунами в Дальневосточном бассейне за многолетний период.

Научная новизна работы:

— предложены зависимости для определения высоты наката волн цунами на гидротехнические сооружения и берега;

— разработана методика районирования акваторий морских портов и перспективных площадок их строительства в Дальневосточном бассейне с учетом воздействия волн цунами;

— разработана концепция создания средств оперативного предупреждения цунами в морских портах Дальневосточного бассейна.

Практическая значимость и внедрение результатов работы. Результаты исследований могут быть использованы при расчетах нагрузок и воздействий от волн цунами при проектировании и эксплуатации объектов портовой инфраструктуры и гидротехнических сооружений в цунамиопасных районах.

Полученные соотношения для расчета наката волн цунами на гидротехнические сооружения и берега использованы при расчетах отметки зон затопления и нагрузок на сооружения морских водозаборов АЭС Куданкулам (Республика Индия).

Основные научные результаты могут быть использованы при дальнейших исследованиях эксплуатационной надежности объектов инфраструктуры морских портов в цунамиопасных районах.

Научная обоснованность результатов работы подтверждается:

— привлечением достоверного массива натурных данных о параметрах и вероятностных характеристиках волн цунами в Дальневосточном бассейне;

— использованием результатов современных отечественных и зарубежных лабораторных исследований наката волн цунами на сооружения и берега;

— применением методов теории вероятностей, подобия и размерностей;

— разработкой математических моделей и сопоставления расчетных данных с данными лабораторного моделирования;

— результатами внедрения полученных соотношений в практику морского гидротехнического строительства.

Апробация работы. Основные результаты работы автора были доложены им лично на международной конференции «The Tenth International Conference on The Mediterranean Coastal Environment «MEDCOAST-11» (Ереция, Родос, 25−29 октября 2011 г.).

Результаты работы также докладывались автором и обсуждались на заседаниях НТС ФГУ «Дирекция государственного заказчика программ развития морского транспорта» и ООО «МорТрансПроект» в 2007;2011 г. г.

Публикации:

Общий список публикаций автора составляет 11 научных работ.

По теме диссертации опубликовано 3 статьи, написанные как лично автором, так и в соавторстве, в том числе в журналах, рекомендованных ВАК — 2.

На защиту выносятся следующие положения диссертации:

— зависимости для определения высоты наката волн цунами на гидротехнические сооружения и берега различной крутизны;

— методика районирования акваторий морских портов и перспективных площадок их строительства в Дальневосточном бассейне с учетом цунамиопасности;

— концепция создания средств оперативного предупреждения цунами в морских портах Дальневосточного бассейна.

Выводы по Главе V.

1. Выполнено районирование морских портов Дальневосточного бассейна по цунамиопасности. Определены основные параметры и режимные характеристики волн цунами на подходах к морским портам.

2. Предложена методика расчета параметров и режимных характеристик высоты наката волн цунами на конкретный объект портовой инфраструктуры.

3. Рассмотрены естественные условия районов перспективных площадок для развития портовой инфраструктуры и выполнена оценка их цунамиопасности .

4. Рассмотрены исходные данные и требования к развитию системы сейсмологических наблюдений для службы предупреждения цунами в морских портах Дальневосточного бассейна.

5. Сформулированы общие технические и методические требования системы предупреждения цунами в морских портах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Катастрофические цунами 2004;2005 гг., и цунами 11 марта 2011 года у берегов Японии, приведшие к огромным человеческим жертвам и разрушениям показали, что методология прогнозирования цунами при проектировании и эксплуатации объектов портовой инфраструктуры нуждается в серьезном пересмотре. Проблема создания службы предупреждения цунами в крупных морских портах Дальнего Востока в настоящее время приобретает все большую актуальность.

Ежегодно в мире случается в среднем около 10 событий возникновения волн цунами, и примерно одно из них с высотой 2 — 4 м, приводит к разрушениям и человеческим жертвам. Волны цунами с высотами 4 — 8 м возникают раз в три года. Имеющиеся статистические сведения о подводных землетрясениях возникновении волн цунами обосновывают высокий уровень риска этих явлений для морских портов Дальневосточного бассейна России. Расчеты параметров волн цунами могут быть выполнять на основе массива исторических данных для всего региона в целом, а затем с помощью гидродинамического моделирования рассчитать прогностические параметры цунами в каждом населенном пункте.

Существующие математические модели для расчета волн цунами основанные как на теории длинных волн, так и учете геометрических параметров очага с достаточной надежностью обеспечивают расчет параметров волн цунами в очагах землетрясений. Значения высот волн цунами на подходах к прибрежной зоне могут быть рассчитаны с учетом рефракции и дифракции по известным методам и алгоритмам.

Теоретические и лабораторные исследования высоты наката волн на берега, а в особенности на гидротехнические сооружения крайне скудные.

Инженерные методы расчета высоты наката волн цунами на гидротехнические сооружения различной крутизны до настоящего времени не разработаны. При расчетах высоты наката соотношения линейной и нелинейной теории волн пригодны только в области необрушенных волн при т < т* (т* - критическое заложение откоса, при котором начинается обрушение волн). Для области обрушения при т > т* аналитические решения отсутствуют.

Сложность одновременного учета многих факторов при решении задачи по определению высоты наката цунами приводит к необходимости привлечения данных лабораторного моделирования. Сопоставление теоретических расчетов для регулярных и нерегулярных волн с зависимостями, полученными по лабораторным данным обнаруживает, что разброс предлагаемых зависимостей — велик: результаты расходятся в несколько раз.

При расчетах набегания волн цунами на берега и откосы сооружений для конкретных объектов результаты численного моделирования в сочетании с лабораторными измерениями могут быть использованы лишь в первом приближении. Необходимым звеном является рассмотрение альтернативных вариантов.

При исследовании явлений наката волн цунами принято рассмотрение одиночных волн. Показано, что эффективность исследования процесса наката одиночных волн следует из того обстоятельства, что при анализе выпадает из рассмотрения такой важный параметр, как длина волны, которая предполагается бесконечно большой.

На основании положений теории подобия и размерностей применительно к анализу лабораторных данных по накату одиночных волн получена функциональная зависимость между относительным накатом волн и безразмерными параметрами — относительной высотой исходной волны и уклоном дна.

В настоящей работе показано, что параметр Ирибаррена является необходимой составной частью для исследований типов волн, распространяющихся на откосах и высоты наката волн на откос.

Получены зависимости для определения высоты наката одиночных волн цунами на откосы различной крутизны. Приведены примеры расчета высоты наката одиночных волн цунами на откосы различной крутизны.

Существующая система районирования побережья Дальнего Востока России по цунамиопасности обладает высокой степенью достоверности и подтверждена натурными наблюдениями. Однако техническое оснащение системы оперативного предупреждения цунами в Дальневосточном регионе крайне недостаточно, а в морских портах отсутствует вообще.

В настоящее время в Дальневосточном бассейне России функционирует свыше 25 больших и малых морских портов.

По своим параметрам, условиям расположения и возможностями дальнейшего развития и их социальной значимости порты Тихоокеанского бассейна могут быть классифицированы следующим образом:

— основные федеральные порты: Восточный, Ванино, Зарубино;

— федеральные порты: Владивосток, Находка, Посьет;

— социальные порты: Холмск, Магадан, Петропавловск-Камчатский;

— региональные порты: Александров-Сахалинский, Де-Кастри, Корсаков, Москальво, мыс Лазарев, Невельск, Николаев-на-Амуре, Ольга, Охотск, Поронайск, Пригородное, Советская Гавань, Шахтерск.

Многолетний опыт эксплуатации этих портов показал, что практически все порты Дальневосточного бассейна, за исключением портов Хабаровского края и ряда портов западного побережья о. Сахалин, неоднократно подвергались воздействию волн цунами. В то же время при разработке Стратегии развития морских портов до 2030 г., выбор перспективных площадок размещения инфраструктуры морских портов в Дальневосточном регионе выполнен без учета цунамиопасности побережий.

В настоящей работе выполнено районирование морских портов Дальневосточного бассейна по цунамиопасности. Определены основные параметры и режимные характеристики волн цунами на подходах к морским портам. Предложена методика расчета параметров и режимных характеристик высоты наката волн цунами на конкретный объект портовой инфраструктуры.

Рассмотрены исходные данные и требования к развитию системы сейсмологических наблюдений для службы предупреждения цунами в морских портах Дальневосточного бассейна. Сформулированы общие технические и методические требования системы предупреждения цунами в морских портах.