Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2021, № 6, стр. 81-88
ОЦЕНКА СТЕПЕНИ УЯЗВИМОСТИ ЗДАНИЙ ПРИ НАВОДНЕНИЯХ
1 Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева Российской академии наук (ИГЭ РАН)
101000 Москва,
Уланский пер., 13, стр. 2, Россия
* E-mail: valentina_burova@mail.ru
Поступила в редакцию 13.07.2021
После доработки 27.07.2021
Принята к публикации 30.07.2021
Аннотация
Рассмотрены и проанализированы основные направления и нормативно-методические документы, связанные с оценками последствий от наводнений. Предложены дополнения к основной общепринятой классификации последствий от наводнений для различных типов зданий. Разработаны подходы к оценкам уязвимости объектов (зданий) от наводнений, основанные на использовании данных об изменении их балансовой стоимости при изменении физического состояния от воздействия на него водных масс. Для 7 различных типов зданий составлены диаграммы зависимости степени уязвимости от различных параметров интенсивности наводнений, предназначенные, в основном, для ориентировочных и массовых оценок возможных потерь от проявления наводнений. Разработанные подходы к оценкам уязвимости являются универсальными, оперативными и доступными.
ВВЕДЕНИЕ
Наводнение – одно из самых распространенных природных стихийных бедствий, в результате затопления территорий приводящее к повреждению (разрушению) объектов экономики, сельскохозяйственных угодий и гибели людей. По повторяемости, площади распространения и суммарному среднегодовому материальному ущербу наводнения на территории Российской Федерации занимают первое место среди природных опасностей, а по количеству человеческих жертв и удельному материальному ущербу (приходящемуся на единицу пораженной площади) – второе место после землетрясений.
В России общая площадь земель, подвергающихся затоплениям при наводнениях, составляет около 5% территории страны. Потенциальная угроза затопления существует более чем для 40 крупных городов и нескольких тысяч других населенных пунктов [5]. Убытки, связанные с наводнениями, оцениваются примерно в 40 млрд руб. в год11.
В последние десятилетия отмечается уверенная тенденция роста экстремальных наводнений, как в России, так и во всем мире [1, 8, 9, 11]. Наибольшее количество наводнений зафиксировано в Дальневосточном и Северокавказском регионах России22. В мире наводнениям наиболее подвержены страны Азии (Китай, Австралия, Индонезия и Филиппины)33. Весьма опасны наводнения и в США [8].
Такая ситуация привела к наращиванию информации о наводнениях, что спровоцировало увеличивающийся интерес к проблеме наводнений, связанный с оценками последствий от их проявления в различных сферах. В последние годы созданы комплексные методики оценок последствий от наводнений [1, 2], в которых предусматривается, что характеристика ущерба от наводнения должна включать в себя как природные характеристики процесса, так и социально-экономические составляющие оцениваемой территории. Социально-экономическая оценка включает определение количества населенных пунктов, охваченных воздействием наводнения, величину прямого материального ущерба и угрозу для жизни, характер прямого повреждения промышленных объектов и дорожной инфраструктуры, жилых зданий; размеры и структуру затопления освоенной территории; степень нарушения уклада жизни и производственной деятельности людей; необходимость эвакуации местных жителей; ухудшение экологической обстановки и другие характеристики в конкретных регионах. С учетом данных положений для всей территории России и некоторых ее регионов (Челябинская и Оренбургская области, Республика Башкортостан) выполнена оценка и составлены карты социально-экономической уязвимости [4, 6]. Такие оценки уязвимости проведены с использованием непараметрического метода PATTERN – Planning Assistance Through Technical Relevance Number – Помощь планированию посредством относительных показателей технической оценки.
Все большее внимание при изучении последствий от наводнений в последнее время уделяется изучению социальных последствий, связанных не только с человеческими жертвами и санитарными потерями, но и с общественными трансформациями в виде социально-психологического состояния [3, 10].
Несмотря на рост негативных последствий от наводнений, до сего времени нет не только надежных долгосрочных прогнозов их проявления, но и достоверных и общепринятых методик подсчета причиняемых ими ущербов и общепринятой концепции защиты.
В большинстве случаев учитывается прямой ущерб, связанный с непосредственным физическим контактом паводковых или дождевых вод с хозяйственными объектами, а величина ущерба, как правило, определяется затратами на восстановление хозяйства или текущей рыночной стоимостью разрушенных (или нарушенных) хозяйственных объектов. Таким же образом оценивается ущерб от нарушения или разрушения жилых построек и имущества, находящегося в них, а также от разрушения мостов, автомобильных и железных дорог, линий связи и электропередачи, газо- и нефтепроводов.
В перспективе, в силу ряда природных и антропогенных причин, ущербы, причиняемые наводнениями, будут расти, поэтому насущно необходимо усиление научно-исследовательских, организационных и практических работ, направленных на уменьшение ущербов от наводнений.
Цель данной работы заключалась в выявлении основных сценариев развития наводнений, определении последствий их воздействия на различные типы зданий в виде степени их уязвимости на основе анализа фактических данных и имеющихся методических разработок по оценкам ущерба и классификаций (числовых и формально описательных) последствий от наводнений в пределах определенных регионов.
Такой подход позволяет осуществлять экспресс-оценку уязвимости отдельных типов зданий по ограниченному количеству показателей интенсивности наводнения, что в свою очередь дает возможность проведения своевременной оценки последствий и принятия защитных мер от данной опасности.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Характеристика объекта исследования
Наводнения (затопление территорий) происходят по разным причинам: половодье, ливневые дожди, прорыв плотин на гидротехнических объектах и т.п. Все негативные последствия наводнений происходят от взаимодействия водных масс с различными объектами. Механизмы такого взаимодействия и их последствия различаются и зависят от характеристики водных масс и реципиента (объекта). Водные массы в зависимости от источника (причины) наводнения представляют либо движущийся поток воды с определенной скоростью (мощностью), либо статические массы воды в течение определенного времени, находящиеся на определенном уровне.
Как правило, наибольшие потери происходят при прорыве плотины, дамбы или другого гидротехнического сооружения, либо при переливе воды через плотину из-за переполнения водохранилища. Затопление местности, расположенной ниже сооружения, осуществляется в этом случае внезапно, с приходом, так называемой волны прорыва (вытеснения, пропуска), высота которой может достигать нескольких десятков метров, а скорость движения – нескольких десятков м/с. Основной поражающий фактор наводнений − движущийся поток воды, который способен разрушить здание или сооружение, а также другие объекты (реципиенты) в результате механического воздействия (давления).
Здания и (или) другие сооружения, периодически попадающие в зону затопления и находящиеся значительное время во взаимодействии с водными массами, значительно усугубляют потери капитальности: гнилью повреждается дерево; отваливается штукатурка; выпадают кирпичи; подвергаются коррозии металлические конструкции; из-за размыва и утраты прочностных свойств грунта под фундаментом в результате его взаимодействия с водой (возможны размывы и разжижение грунта), происходит неравномерная осадка зданий и, как следствие, появляются трещины. Уязвимость в данном случае пропорциональна времени воздействия, как однократного, так и повторного (несколько раз за определенный период времени). Опыт показывает, что при сравнительно частых затоплениях (1 раз в 3–4 года) срок между капитальным ремонтом кирпичного здания уменьшается на 15 лет, а стоимость ремонта обходится в 3 раза дороже. После каждого значительного затопления балансовая стоимость деревянного здания падает на 5–10%, а шоссейных и железных дорог – на 8–12%. Из-за неравномерной осадки грунта происходят частые размывы канализационных и водопроводных труб, электрических, телевизионных и телеграфных кабелей и пр.
Прямой и косвенный ущербы от наводнений обычно находятся в соотношении 70% и 30%. В настоящей работе рассматриваются подходы к оценке степени уязвимости объектов (различных зданий), непосредственно определяющие прямой ущерб от наводнений.
Как правило, достижение той или иной степени повреждения (разрушения) объекта происходит при выполнении условия вида:
где g – критериальная функция, характеризующая силу опасного процесса; $g_{{ik}}^{{kp}}$– критическое значение критериальной функции для i-й степени разрушения (повреждения) объекта k-го типа; a, b, c – значения параметров, характеризующих разрушительную силу опасного процесса, в частности, для наводнений это может быть глубина, скорость потока, удельная энергия потока, время взаимодействия водных масс с объектом и т.д.
В определенных случаях для объекта (j) на основании предварительных исследований между характерными значениями параметров a, b, c может быть установлена связь вида:
где nj и rj – коэффициенты.В частности, такая зависимость может быть установлена между характерной скоростью (u) и характерной глубиной (h) объекта. Следовательно, критерий разрушения i-й степени для объекта j может быть выражен следующим образом:
где uij – критическое значение скорости для объекта j, при которой возникает i-я степень его разрушения.Оценка уязвимости зданий при наводнениях
Ущерб, связанный с разрушением объектов и сооружений при наводнениях, оцениваемый через степень разрушения (поражения) объектов, выражается в соответствии с существующими в настоящее время методическими документами в терминах функциональных, натуральных и стоимостных критериев44 [3, 4, 7].
Принято различать следующие степени разрушения:
− слабое разрушение – разрушение, при котором объект продолжает функционировать, несмотря на разрушение отдельных второстепенных элементов и необходимость их ремонта; непосредственный ущерб объекту находится ориентировочно в пределах до 10% первоначальной стоимости объекта;
− среднее разрушение – разрушение, вследствие которого объект временно перестает функционировать; значительные разрушения второстепенных элементов или умеренные деформации основных (несущих) элементов, требующие проведения капитального ремонта объекта; трудозатраты на восстановление находятся ориентировочно в пределах 10–50% стоимости объекта;
− сильное разрушение – разрушение, при котором объект перестает функционировать; имеются значительные деформации и разрушения основных элементов, требующие проведения перестройки для восстановления объекта; трудозатраты на восстановление превышают ориентировочно 50% стоимости объекта.
Анализ существующих нормативно-методических документов и фактических данных позволил составить сводную таблицу соотношения критических значений параметров интенсивности наводнений, при которых происходит изменение физического состояния объекта (7 различных типов зданий), относящееся к определенной степени разрушения (табл. 1).
Таблица 1.
| Тип здания** | Степень разрушения* | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| сильная | сильная | сильная | ||||||||||
| h, м | u, м/с | b, балл | t, час | h, м | u, м/с | b, балл | t, час | h, м | u, м/с | b, балл | t, час | |
| 1 | 1–3 | 2 | 7.5 | 48 | 1–2 | 1.5 | 6.5 | 24 | 0–1 | 0.5–1 | 5.5 | 12 |
| 2 | 3–3.5 | 2 | 7.5 | 48 | 2.5 | 1.5 | 6.5 | 24 | 1 | 1 | 5.5 | 12 |
| 3 | 3.5 | 2 | 7.5 | 7.2 | 2.5 | 1.5 | 6.5 | 48 | 1–2 | 1 | 5.5 | 24 |
| 4 | 4 | 2.5 | 8 | 150 | 3 | 2 | 7 | 100 | 2 | 1 | 6 | 50 |
| 5 | 4–6 | 3 | 9 | 240 | 3-4 | 2.5 | 8 | 170 | 2.5 | 1.5 | 6 | 50 |
| 6 | 7.5 | 4 | 9 | – | 6 | 3 | 8 | – | 3 | 1.5 | 6 | – |
| 7 | 12 | 4 | 11 | – | 9 | 3 | 10 | – | 4 | 1.5 | 9 | – |
При оценках уязвимости объектов, на наш взгляд, также целесообразно дополнительно ввести категории:
− полного разрушения (коллапс), при которой теряется 100% стоимости объекта, т.е. здания не подлежат восстановлению, требуется новое строительство;
− отсутствие заметных повреждений во всех элементах здания, характеризующуюся как “безопасность”.
Таким образом, анализируются 5 степеней оценки последствий взаимодействия водных масс (наводнений) с объектами (зданиями), которые необходимо соотнести с их уязвимостью. Совершенно очевидно, что при потере 100% стоимости объекта (или тотальном разрушении) уязвимость равна 1; при отсутствии видимых деформаций она практически отсутствует, а ее значение приближается к 0.
В различных методиках оценку ущербов от воздействия природных опасностей на объекты экономики степень повреждения (разрушения) предлагается определять через стоимость восстановления объекта. Степень разрушения зданий и сооружений можно соотносить с трудозатратами на восстановление нормального функционирования поврежденных, разрушенных объектов, изменениями сроков капитального ремонта, балансовой стоимостью сооружения и т.п. Основываясь на том (предположив), что существует прямая связь между физическими потерями (уязвимостью) в виде повреждения определенного количества элементов объекта и материальными затратами на их восстановление, и приняв, что 10% от балансовой стоимости объекта соответствуют физической уязвимости, равной 0.1, можно составить таблицу соответствия степеней разрушения и уязвимости (табл. 2).
Таблица 2.
Соотношение степени разрушения и уязвимости объектов (зданий, сооружений)
| Степень разрушения | Уязвимость, дол. ед. | Описание разрушений |
|---|---|---|
| Незначительная | менее 0.1 | Отсутствие заметных повреждений во всех элементах объекта |
| Слабая | 0.1–0.3 | Разрушение отдельных второстепенных элементов. Функционирование не на-рушено |
| Средняя | 0.3–0.5 | Значительные разрушения второстепенных элементов или деформации основных. Временное прекращение функционирования |
| Сильная | 0.5–0.7 | Разрушение основных элементов. Остается возможность восстановления |
| Очень сильная | более 0.7 | Полное разрушение, не подлежащее восстановлению |
РЕЗУЛЬТАТЫ
Предложенные в табл. 1 и 2 соотношения параметров интенсивности наводнений со степенями деформирования (разрушения) зданий были использованы в качестве основополагающих при оценках степени уязвимости отдельных типов зданий. В настоящей работе, оценки уязвимости проводились при следующих основных граничных условиях:
1) процесс определенной интенсивности не имеет территориальной привязки;
2) вероятность реализации события равна единице (т.е. рассматривается пессимистический сценарий развития события);
3) объект – это жилое здание с различными конструктивными характеристиками.
Всего было рассмотрено 7 типов зданий: 1 – сборные деревянные жилые дома; 2 – деревянные дома (1–2 этажа); 3 – легкие бескаркасные постройки (1–2 этажа); 4 – кирпичные дома (1–2 этажа); 5 – кирпичные дома (4 этажа и более); 6 – каркасные панельные; 7 – бетонные и железобетонные.
Таблицы предназначены, в основном, для ориентировочных и массовых оценок, так как не учитывают разброс параметров устойчивости в пределах одного типа объектов и влияние различных местных условий. Эти параметры независимы друг от друга и представляют некоторые фиксированные комбинации параметров потока из множества возможных критических комбинаций. Если все параметры, характеризующие интенсивность наводнения, превышают (или не превышают) приведенные в табл. 1 значения, то это является однозначным критерием разрушения (или не разрушения) тому или иному типу объектов. В противном случае, когда какой-то из параметров не соответствует этому положению, определение устойчивости системы остается весьма неоднозначным. Поэтому можно либо подбирать другие сочетания критических значений параметров, либо построить кривые уязвимости для различных типов сооружений в зависимости от отдельных параметров с учетом соотношения степени разрушения с уязвимостью.
Используя имеющиеся характеристики интенсивности наводнений для различных типов зданий, отвечающих разной степени деформирования (разрушения) (см. табл. 1 и 2), и соответствие между изменением балансовой стоимости и уязвимостью, были составлены диаграммы степени уязвимости от различных параметров интенсивности наводнений (рис. 1–3).
Рис. 1.
Уязвимость различных типов зданий в зависимости от зоны разрушения, характеризующейся определенным значением энергии потока воды.
По приведенным выше таблицам и кривым уязвимости для различных типов сооружений в зависимости от отдельных параметров интенсивности процесса можно определять значения уязвимости без учета особенностей состояния конкретного сооружения. В действительности, экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что однотипные здания в результате воздействия на них опасности определенного генезиса и определенной интенсивности имеют, тем не менее, различные степени повреждения. Такие различия обусловлены различиями в величине физического износа конкретных сооружений, качества выполнения строительных работ при их возведении, прочностными свойствами строительных материалов и множеству других факторов случайного характера. Поэтому следует еще раз отметить, что полученные зависимости уязвимости от параметров интенсивности наводнения характерны для типового здания без учета факторов случайного характера, в том числе и временнόго, связанного с износом здания. Таким образом, можно предположить, что полученные данные характерны для зданий с минимальным коэффициентом износа, с вероятностью реализации события с характерными параметрами интенсивности приблизительно равной 1.
Использование составленных диаграмм для предварительной оценки возможных потерь можно рассмотреть на следующем примере. Допустим известно, что по прогнозным данным, уровень воды в реке, на берегу которой расположен поселок городского типа, во время половодья поднимется на 3 м выше его нормативного значения. При этом в зону затопления попадут 50 одно-двухэтажных домов, с различными конструктивными характеристиками (табл. 3).
Таблица 3.
Характеристика зданий в зоне затопления
| № п/п | Тип здания | Кол-во | Степень уязвимости (см. рис. 2) |
|---|---|---|---|
| 1 | Сборные деревянные жилые дома (1–2 этажа) | 20 | 0.70 |
| 2 | Легкие бескаркасные постройки (1–2 этажа) | 20 | 0.65 |
| 3 | Кирпичные дома (1–2 этажа) | 10 | 0.50 |
Согласно диаграмме (см. рис. 2), степень уязвимости зданий, расположенных в зоне затопления, будет иметь соответствующие значения: сборные деревянные жилые дома – 0.70; легкие бескаркасные постройки – 0.65 и кирпичные дома – 0.50. Таким образом, ущерб, причиненный каждому типу здания, будет пропорционален значению стоимости здания, умноженному на степень уязвимости:
где У – ущерб, руб.; Су – степень уязвимости, С – стоимость здания.Экспресс оценка общего ущерба от затопления домов в результате наводнения, имеет следующий вид:
где С1, С2 и С3 – стоимость каждого типа зданий.ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предложенные диаграммы зависимости степени уязвимости для отдельных типов зданий от определенных параметров интенсивности наводнения позволяют оперативно произвести предварительные расчеты потерь от наводнений в различных регионах страны с использованием минимальной информации об источнике и реципиенте исследуемой опасности.
Оперативность, универсальность и доступность такого подхода к оценке уязвимости и ущербов способствует быстрому реагированию соответствующих служб и принятию своевременных решений для смягчения последствий от проявления наводнений.
Статья подготовлена в рамках выполнения государственного задания и плана НИР по теме № г.р. АААА-А19-119021190077-6.
Список литературы
Алексеевский Н.И., Магрицкий Д.В., Колтерманн П.К. и др. Наводнения на Черноморском побережье Краснодарского края // Водные ресурсы. 2016. Т. 43. № 1. С. 3–17.
Бабурин В.Л., Горячко М.Д., Земцов С.П. и др. Оценка социально-экономических рисков и ущербов от опасных гидрологических явлений (на примере Славянского района Краснодарского края) // Геориск. 2015. № 3. С. 45–53.
Бондарев В.П., Болховитинова Ю.А. Социальные последствия катастрофических наводнений // Вестник Московского университета. Серия 5. География. 2019. № 5. С. 21–29.
Гладкевич Г.И., Терский П.Н., Фролова Н.Л. Оценка опасности наводнений на территории Российской Федерации / Водное хозяйство России. 2012. № 2. С. 29–45.
Малик Л.К. Факторы риска повреждения гидротехнических сооружений. Проблемы безопасности. М.: Наука, 2005. 354 с.
Падалко Ю.А. Социально-экономическая уязвимость населения и хозяйства регионов Российской части бассейна р. Урал от наводнений // Успехи современного естествознания. Науки о Земле. 2016. № 12. С. 439–444.
Печенин С.А., Розов А.Л., Новокшенов Л.В. Методика оценки ущерба при наводнениях. С.-Пб.: В/ч 70170. 1992.
Экстремальные гидрологические ситуации / Отв. ред. Н.И. Коронкевич, Е.А. Барабанова, И.С. Зайцева. М.: ООО “Медиа-ПРЕСС”, 2010. 464 с.
Blöschl G., Hall J., Parajka J. et al. Changing Climate Shifts Timing of European Floods // Science. 2017. V. 357. № 6351. P. 588–590.
Box P., Bird D., Haynes K., King D. Shared responsibility and social vulnerability in the 2011 Brisbane flood // Natural Hazards. 2016. T. 81 (3). P. 1549–1568.
Frolova N.L., Kireeva M.B., Magritckiy D.V. et al. Hydrological Hazards in Russia: Origin, Classification, Changes and Risk Assessment // Natural Hazards. 2017. V. 8.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология
Пн.-пт.: 10.00-19.00