Практическая работа № 10. Прогнозирование и оценка обстановки при цунами

Характеристика цунами

Цунами (большая волна в гавани) это морские волны, которые возникают вследствие землетрясений, деятельности вулканов и мощных подводных взрывов. Возникнув в удалённой точке океана, такая волна распространяется с большой скоростью и обрушивает на побережье вал воды высотой до 70 м. Когда уходит первая волна, обычно приходит вторая волна, а иногда и последующие.

В океане волна практически не заметна, но при подходе к берегу движение массы воды затормаживается, волна становится круче и с огромной скоростью обрушивается на сушу.

Возникновение цунами, как правило, связано с землетрясениями, очаги которых расположены на глубине не более 40…60 км. Причём если землетрясения с магнитудой более 7,5 вызывают цунами всегда, при магнитуде от 5,8 до 6,2 - лишь в 14 % случаев.

Наиболее простая модель, объясняющая механизм генерации цунами, использует представление о быстром подъёме/опускании участка океанического дна под воздействием тектонических сил. В такой модели участок океанического дна рассматривается как поршень, вдвигаемый в несжимаемую жидкость - воду. При этом на поверхности воды появляется возвышение (горб), которое по окончании действия поршня растекается по поверхности под действием силы притяжения. Возникающая в этом случае волна называется поверхностной гравитационной волной.

Высота возмущения в источнике цунами составляет около 5 м. Так как средняя глубина в океане оценивается в 4 км, горизонтальный размер возвышения, порождающий волну, может превышать 100 км, то возникающая волна оказывается очень длинной. Скорость волны в открытом океане определяется только практически глубиной воды и составляет более 700 км/час, период волны составляет до 20 мин. Скорость волны на побережье до 40 км/час. После образования в каком-либо месте цунами может пройти несколько тысяч километров, почти не уменьшаясь.

Цунами характеризуется магнитудой, за которую принимают натуральный логарифм амплитуды колебания уровня воды (в метрах), измеренный стандартным мореографом у береговой линии на расстоянии от 3 до 10 км. Магнитуда цунами отличается от магнитуды землетрясения. Если сейсмическая магнитуда характеризует энергию землетрясения в целом, то магнитуда цунами - только часть энергии, которая пошла на образование цунами. Соотношение между магнитудами землетрясения и цунами, а также высотой главной волны показано в табл. 10.1.

 

Таблица 10.1

Соотношение между магнитудами землетрясения и цунами

 

Магнитуда землетрясения, М	Магнитуда цунами, m	Высота главной волны h 0, м
7,5		до 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. Как правило, наибольшей большей является одна из первых трёх волн.

Скорость распространения волн цунами определяется по формуле:

 

ν = (2 ∙ g ∙ H)^0,5_, (10.1)

 

где, ν - скорость распространения волн, м/с; g -ускорение свободного падения, м/с²; H - глубина океана, м.

 

Время достижения волны цунами берега рассчитывается по формуле:

 

τ = L / ν, (10.2)

 

где, τ -время достижения волнами цунами берега, с; L - расстояние от эпицентра землетрясения, м.

 

При пологом дне по мере продвижения волны цунами к берегу происходит увеличение высоты волны и уменьшение её длины.

Разрушающими факторами волны цунами являются:

- гидростатическое давление слоя воды;

- динамическое воздействие слоя воды;

- размывающее действие потока.

Суммарное гидравлическое давление волн цунами на здания и сооружения равно:

 

Δ Р = 0,5 ∙ ρ ∙ (g ∙ h _s + β ∙ ), (10.3)

 

где, Δ Р - суммарное гидравлическое давление, Па; ρ - плотность воды, кг/м³ (обычно принимают ρ = 1000 кг/м³); h _s - высота цунами, м; ν _s - скорость потока на высоте волны h _s, м/с; β - коэффициент лобового сопротивления здания (обычно принимают β = 1,4).

 

Изменение скорости водного потока по мере удаления от берега (уреза воды) описывается уравнением:

 

ν _{s =} ν _ур ∙ (h _s / h _ур)^0,7, (10.4)

 

где, h _ур - скорость потока у уреза воды, м/с.

 

Скорость потока у уреза воды определяется по формуле:

 

h _ур = а ∙ , (10.5)

 

где, а - коэффициент, принимаемый равным 3 м/с; h ₀ - высота главной волны, определяемой по табл. 10.1.

 

Ориентировочно можно принимать высоту волны у уреза воды:

 

h _ур = 1,5 ∙ h ₀, (10.6)

 

Высота волны на различных расстояниях от берега равна:

 

h _s = (h _ур - i _s) ∙ (1 - n), (10.7)

 

где, i - уклон берега; n -коэффициент шероховатости, определяемый по формуле:

 

n = , (10.8)

 

Дальность распространения по берегу определяется по формуле:

 

S _k = [ h _ур ∙ (1 - n) - h _k] / [ i ∙ (1 - n)], (10.9)

 

где, S _k - дальность распространения воды по берегу; h _k - глубина потока, м.

 

Для ориентировочного определения ущерба используются табл. 2.3 и табл. 10.2.

 

 

Таблица 10.2

Суммарное давление потока (Δ Р ∙ 10^-5, Па), вызывающего разрушение объектов определённой степени

 

Объекты	Полное разрушение	Сильное разрушение	Среднее разрушение	Слабое разрушение
Здания со стальными и железобетонными каркасами	0,90 - 1,50	0,75 - 0,90	0,65 - 0,75	0,45 - 0,65
Здания с лёгкими металлическими каркасами	0,75 - 1,05	0,45 - 0,75	0,30 - 0,45	0,15 - 0,30
Здания из сборного железобетона	0,60 - 1,90	0,45 - 0,60	0,30 - 0,45	0,15 - 0,30
Кирпичные здания, бескаркасные	0,68 - 0,98	0,53 - 0,68	0,30 - 0,53	0,20 - 0,30
Склады – навесы из железобетонных элементов	1,50 - 1,60	1,20 - 1,50	0,53 - 1,20	0,30 - 0,53
Административные многоэтажные здания	0,75 - 0,90	0,60 - 0,75	0,45 - 0,60	0,30 - 0,60
Деревянные здания	0,30 - 0,45	0,18 - 0,30	0,45 - 0,60	0,30 – 0,45
Здание трансформаторной подстанции из кирпича	0,90 - 1,20	0,60 - 0,90	0,30 - 0,60	0,15 - 0,30
Здания ГЭС (монолитный железобетон)	4,50 - 5,00	3,00 - 4,50	1,50 - 3,00	0,75 - 1,50
Наземные стальные газгольдеры	0,60 - 0,68	0,45 - 0,60	0,30 - 0,45	0,23 - 0,30
Стальные подземные резервуары для химпродуктов	3,00 - 3,20	1,50 - 3,00	1,05 -1,50	0,60 -1,05
Водонапорные башни	0,90 - 0,98	0,60 - 0,90	0,30 - 0,60	0,15 - 0,30
Воздушные линии низкого напряжения	2,50 - 2,60	1,50 - 2,50	0,90 - 1,50	0,69 - 0,90
Воздушные линии высокого напряжения	1,05 - 1,13	0,75 - 1,05	0,45 - 0,75	0,38 - 0,45
Подземные трубопроводы	33.0 - 33,0	15,0 - 30,0	09,00- 15,00	3,00 - 9,00
Радиорелейные линии телефонной связи	1,80 - 1,90	1,05 - 1,80	0,75 -1,05	0,45 - 0,75
Воздушные линии телефонной связи	1,50 - 1,70	0,90 - 1,50	0,60 - 0,90	0,30 - 0,60
Кабельные подземные линии связи	1,60 - 1,80	1,00 -1,60	0,65 - 1,00	0,40 - 0,65
Мосты из металла и железобетона пролётом до 50 м	3,80 - 4,50	3,00 - 3,80	2,30 - 3,00	1,50 - 2,30
Деревянные мосты	2,50 - 3,00	1,60 - 2,50	0,90 - 1,60	0,60 -0,90