Обоснование мероприятий по защите от подтопления урбанизированных территорий на основе теории риска
| На правах рукописи | |
Чуносов Дмитрий Валерьевич
Обоснование мероприятий по защите от подтопления
урбанизированных территорий на основе теории риска
05.23.07 – гидротехническое строительство
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2008 г.
Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Ордена Трудового Красного Знамени комплексный научно–исследовательский и конструкторско–технологический институт водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии «НИИ ВОДГЕО» (ОАО «НИИ ВОДГЕО»).
| Научный руководитель | – | кандидат технических наук |
| Кузьмин Владимир Викторович | ||
| Официальные оппоненты: | – | доктор технических наук |
| Покровский Геннадий Иванович | ||
| – | кандидат технических наук | |
| Воробьев Виктор Николаевич | ||
| Ведущая организация: | – | Государственное унитарное проектное предприятие "Институт Саратовгражданпроект" Саратовской области, г. Саратов |
Защита состоится «12» ноября 2008 г. в 10 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 303.004.01 при ОАО «НИИ ВОДГЕО» по адресу:
1190482, Москва, Г-48, ГСП-2 Комсомольский проспект, 42, строение 2.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НИИ ВОДГЕО».
Автореферат разослан «6» октября 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат технических наук Кедров Ю.В.
Актуальность работы
Население и территория Земли с многочисленными объектами хозяйства подвержены негативным воздействиям более 50 опасных природно-техногенных процессов. По данным ООН, от наиболее катастрофических проявлений этих процессов ежегодно в мире гибнет около 150 тыс. человек, а экономические потери достигают 60-70 млрд. долларов США. В России в защите от опасных природных и природно-техногенных процессов нуждаются практически все города и большинство более мелких поселений, не менее 115 млн. га сельскохозяйственных земель, 36% побережий морей, водохранилищ. За последние 10-15 лет площадь развития опасных природно-техногенных процессов увеличилась в пределах урбанизированных территорий на 50–60%. Экономический ущерб от опасных природных и природно-техногенных процессов достиг 6-7% валового внутреннего (национального) продукта страны. Ежегодно число пострадавших от опасных природных процессов в мире увеличивается на 8.6% при ежегодном росте экономических потерь 10.4%.
Особенно остро стоят вопросы инженерной защиты от опасных геологических процессов, урбанизированных территорий. В полной мере это относится и к территории г. Саратова, что связано с широким развитием в пределах города в первую очередь подтопления и оползневых процессов.
Точные оценки показывают, что в настоящее время подтоплено 4870 га городской территории Саратова, в том числе 2162 га селитебной застройки, 460 га промышленных территорий, 120 га территорий зеленых насаждений и 2128 га - прочих земель.
Площадь оползневых цирков и оползнеопасных территорий в пределах г. Саратова составляет 2650 га, в т.ч. действующих оползней 500га.
Необходимость концентрации усилий при реализации широкомасштабных программ по инженерной защите территорий требует применения методологии ранжировании территорий для выделения участков, с высокой степенью угрозы для безопасности людей, зданий и сооружений, сложившейся инфраструктуре и менее приоритетных территорий.
Надежной методологической базой при оценке состояния природно-техногенной среды является оценка риска, которая позволяет количественно выражать степень опасности вследствие проявления опасных геологических процессов различного генезиса.
Реалистичность и эффективность программ, разработанных на основе поиска компромисса между экологическими, социальными и экономическими приоритетами, нашли свое выражение в повсеместном использовании руководств и рекомендаций по оценке риска в Нидерландах, Японии, США и других стран.
В настоящее время разработаны процедуры риск-анализа для определения степени риска для опасных производств и технологий, методики оценки риска при загрязнении природной среды. Разработаны методические подходы составления карт опасности и риска проявления опасных природных процессов.
Вместе с тем, отсутствуют унифицированная процедура для оценки риска проявления опасных природно-техногенных процессов для городских территорий с учетом типа застройки, конструктивных особенностей оснований зданий и сооружений, степени износа зданий и их фундаментов.
Цель диссертационной работы
Целью диссертационной работы является разработка рекомендаций по обоснованию мероприятий инженерной защиты от подтопления урбанизированных территорий на основе теории риска и их апробация на примере г. Саратова.
Основные задачи диссертационной работы
- оценка масштабов и интенсивности развития опасных геологических процессов на территории Российской Федерации, в т.ч. на территории г. Саратова;
-анализ мирового опыта оценки риска проявления опасных геологических процессов;
-разработка методики оценки опасности для урбанизированных городских территорий вследствие процессов подтопления;
-разработка методики оценки уязвимости для застроенных городских территорий вследствие процессов подтопления;
- разработка методики оценки риска для урбанизированных территорий вследствие процессов подтопления;
-анализ факторов, обуславливающих развитие и интенсификацию проявления опасных геологических процессов в пределах г. Саратова;
- районирование территории г. Саратова по основным типам застройки;
- составление карт опасности, уязвимости и риска вследствие проявления подтопления городской территории;
- составление карт удельного ущерба от подтопления территории г. Саратова;
- обобщение материалов по инженерной защите территории г. Саратова от подтопления;
- составление карт предотвращенного ущерба при реализации мероприятий по инженерной защите от подтопления территории г. Саратова;
- разработка рекомендаций по оценке эффективности мероприятий по защите от подтопления урбанизированных территорий.
Методика исследований
Методической основой работы служат представления о риске, как об осознанной опасности наступления негативного события с определенными во времени и пространстве последствиями и использование компьютерных технологий для количественной унифицированной оценки этих последствий при подтоплении урбанизированных территорий.
Методы исследований включают:
- сбор, анализ и обобщение литературных данных по опыту проведения работ по оценке риска вследствие проявления опасных геологических процессов;
- сбор, анализ и обобщение данных относительно масштабов и интенсивности развития опасных геологических процессов на территории г. Саратова;
-обобщение фактических данных инженерно-геологических, гидрогеологических, экологических изысканий на участках проявления опасных геологических процессов г. Саратова;
- обобщение материалов, определяющих масштабы и интенсивность проявления подтопления территории г. Саратова, защитных мероприятий от подтопления с оценкой состава, объемов и стоимости строительства;
-оценку степени угрозы для застроенных городских территорий вследствие проявления процессов подтопления урбанизированных территорий;
- компьютерную реализацию методики оценки риска вследствие развития процессов подтопления для застроенных городских территорий и обоснование эффективности мероприятий по инженерной защите.
Научная новизна и основные результаты работы:
На основе анализа мирового опыта по методам оценки риска вследствие проявления опасных геологических процессов и выполненных автором исследований:
- научно обоснованна методика оценки опасности подтопления городских территорий;
- научно обоснованна методика оценки уязвимости городских территорий при развитии процессов подтопления;
- разработан метод оценки риска подтопления городских территорий;
- разработан метод оценки ущерба от подтопления городских территорий.
Кроме того:
- предложена параметрическая база для оценки риска подтопления городских территорий;
- проведены расчеты и выполнено районирование территории г. Саратова по степени опасности, уязвимости, риска и ущерба от подтопления;
- разработаны рекомендации по обоснованию эффективности защитных мероприятий от подтопления на основе предотвращенного ущерба на примере г. Саратова.
Практическая ценность работы состоит в разработке методики оценки риска проявления процессов подтопления с учетом природных условий и особенностей городской застройки, районировании территории г. Саратова по степени опасности и уязвимости, которая положена в основу расчетов эффективности мероприятий по инженерной защите. Разработанная методика оценки риска может быть использована для широкого круга практических задач по защите городских территорий от подтопления, что подтверждается применением ее при разработке мероприятий по защите от подтопления г.г. Саратова, Омска и др.
На защиту выносятся:
- методология количественной оценки риска подтопления урбанизированных территорий;
- методика оценки опасности, уязвимости и риска вследствие развития процессов подтопления для городских территорий с учетом природных условий и особенностей застройки;
- методика расчета ущерба и предотвращенного ущерба от подтопления урбанизированных территорий;
- районирование территории г. Саратова по степени опасности, уязвимости и риска проявления подтопления;
- рекомендации по обоснованию мероприятий по инженерной защите от подтопления и их апробация для территории г. Саратова.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы использованы при разработке ТЭО инженерной защиты г. Саратова от подтопления, схемы инженерной подготовки территории г. Саратова, разработанной в рамках раздела генерального плана г. Саратова, которые были доложены на заседании Правительства Саратовской области. Научные положения, разработанные в диссертации, легли в основу «Методических рекомендаций по оценке риска и ущерба при подтоплении территорий». Промежуточные результаты работы докладывались на научных семинарах в НИИ ВОДГЕО в 2004-2006 г.г., часть из них вошли в ТСН 12-304-04.
Публикации Основные положения диссертационной работы отражены в семи научных работах.
Структура и объем работы Диссертация состоит из 4-х глав, основных выводов и предложений. Общий объем работы составляет 135 страниц, включая 34 таблицы, 20 рисунков и список литературы из 151 наименования.
Основное содержание работы.
В первой главе диссертационной работы приводится краткая характеристика опасных геологических процессов в терминах и определениях, которые трактуются в соответствии с принятыми в СНиП 22-02-2003 «Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения». Показано, что на урбанизированных территориях России наиболее распространенным является подтопление и, часто связанные с ним, оползневые процессы. Дается детальное описание этих опасных геологических процессов на примере г. Саратова. Показано, что площадь подтопления селитебной территории составляет около 2,2 тыс.га, 460 га территории промышленной застройки, 120 га зеленых насаждений, более 2тыс.га прочих земель. Решением межведомственной комиссии по экологической безопасности Совета Безопасности Российской Федерации №11 от 17.11.94г. г. Саратов отнесен к числу городов, терпящих бедствие от подтопления грунтовыми водами. Здесь приводится карта подтопления территории г. Саратова. В этой же главе рассматриваются вопросы проявления оползневых процессов и эрозии склонов на городской территории. Общая площадь оползнеопасных территорий г. Саратова и его окрестностей составляет 26,5км2, а площадь, охваченная уже проявившимися оползневыми процессами, составляет более 500га. В оползневых зонах находятся крупные промышленные предприятия, жилые массивы, дороги, линии электропередач, а также нефте- и газопроводы и другие объекты повышенной опасности. Оползневые процессы часто инициируются подтоплением прилегающих территорий.
До недавнего времени практическая деятельность по обеспечению безопасности, защиты населения и объектов народного хозяйства от опасных геологических процессов базировалась на концепции абсолютной надежности (безопасности), оказавшейся на деле недостижимой. В настоящее время на смену концепции абсолютной надежности приходит концепция приемлемого или допустимого риска как в технических и технологических, так и в природных системах. Эта концепция принята сейчас не только в России, но и во многих высокоразвитых странах (Нидерланды, США, Великобритания, Япония и др.). Проводниками этой идеи в России применительно к вопросам геологической безопасности стали работы Алексеева В.С., Болгова М.В., Дзекцера Е.С., Коффа Г.Л., Крупнодерова В.С., Кузьмина В.В., Куранова Н.П., Кутепова В.М., Осипова В.И., Рагозина А.Л., Расторгуева А.В., Розанова Н.Н., Хоменко В.П., Шеко А.И. и др. Накопленный научный потенциал позволяет перейти от теоретических исследований к разработке практических рекомендаций, позволяющих давать количественную оценку степени риска происходящих геологических процессов, рассчитывать и обосновывать мероприятия по инженерной защите от опасных геологических процессов на основе концепции допустимого риска.
В данной диссертационной работе изложены результаты исследований по проблеме подтопления урбанизированных территорий с внедрением и адаптацией их на примере территории г. Саратова.
Вторая глава работы посвящена разработке методических положений по оценке степени риска подтопления урбанизированных территорий. Здесь за основу принята общая методология оценки риска опасных геологических процессов, которая в последние годы разрабатывается в НИИ ВОДГЕО коллективом под руководством Куранова Н. П. Учитывая, имеющиеся расхождения в трактовках одних и тех же терминов у разных авторов, в работе даются определения используемых понятий.
Подтопление (актуальное или потенциальное) представляет собой ту или иную степень опасности для городской территории, если уровень грунтовых вод превышает некоторую величину Нкр – критическая глубина подземных вод. В этом случае начинают проявляться негативные процессы вследствие подтопления территории, что приводит к необходимости характеризовать возникающую опасность как качественно, так и количественно.
В данной работе рассматривается методика получения количественных оценок опасности подтопления городской территории. Для этой цели используется методология, основанная на принципе введения количественного «критерия близости к идеальной точке», который надежно зарекомендовал себя при решении подобного рода задач. Математически этот принцип может быть сформулирован следующим образом.
(1)
где 
- коэффициент опасности подтопления данной территории;
- показатель, характеризующий негативное проявление процесса подтопления;
N – количество этих показателей.
Показано, что для количественной характеристики степени опасности подтопления городской территории можно использовать безразмерный коэффициент опасности подтопления 
, который должен отражать то место рассматриваемого процесса на данной территории, которое он занимает между «идеальным» вариантом (
) и «негативно-идеальным» вариантом (
).
Из самого определения коэффициента опасности подтопления следует, что для оценки этого коэффициента надо, прежде всего, выделить все показатели процесса подтопления, которые необходимо учитывать при возникновении негативных последствий от подтопления на городской территории.
Анализ результатов исследований процессов подтопления городских территорий позволяет рекомендовать следующие три группы показателей опасности:
1. Положение уровня грунтовых вод или верховодки на городской территории.
2. Показатели качества грунтовых вод, характеризующие их агрессивность по отношению к подземным конструкциям, вызывающие засоление грунтов, ухудшение санитарно-эпидемиологической обстановки или загрязнение продуктивных водоносных горизонтов.
3. Показатели прочностных и деформационных свойств грунтов.
Для удобства дальнейшего изложения механизма количественной оценки опасности подтопления каждой из выделенных групп показателей присвоен свой номер: 1 – уровень; 2 - качество воды; 3 – свойства грунта.
В зависимости от количественных значений этих показателей выделены четыре степени опасности, каждой из которых также присвоен свой код:
- код 0 – безопасное состояние;
- код 1 – малая степень опасности;
- код 2 – средняя степень опасности;
- код 3 – большая степень опасности.
Представленный порядок введения номеров и кодов позволяет дать характеристику процесса подтопления городской территории, если она записана в цифровом выражении, а именно: например, 2 3 0 означает, что уровень грунтовых вод (первая цифра, т.е. первый номер) представляет собой среднюю опасность для подтопления территории, показатели качества воды (вторая цифра) указывают на большую степень опасности подтопления, а показатели свойств грунтов не вызывают никакой опасности с точки зрения подтопления территории.
Таким образом, для характеристики опасности подтопления следует иметь соотношение между показателями процесса подтопления и кодами опасности, на основании которых может быть рассчитан коэффициент опасности, т.е. количественная величина, которую можно рассчитывать и использовать для обоснования необходимости защитных мероприятий.
Понятие «уязвимость» необходимо вводить и исследовать при оценке риска подтопления, прежде всего потому, что оно (это понятие) позволяет четко отделить опасность подтопления от риска подтопления, которые явно или неявно часто отождествляются в литературе. Это часто имеет место, когда дается какая-либо качественная оценка негативных процессов, связанных с подтоплением.
Суть дела состоит в том, что одна и та же оценка опасности подтопления разных территорий может приводить к таким негативным последствиям, которые по своим масштабам могут быть несоизмеримы. Это связано с особенностями самой территории, ее функциональным назначением, способностью объектов на данной территории реагировать на негативное развитие процессов подтопления, восприимчивой к опасному воздействию подтопления.
Для получения количественных характеристик уязвимости территории используется тот же прием, что и при описании опасности подтопления, а именно: вводится «критерий близости к идеальной точке» - коэффициент уязвимости 
:
{
}
{
}, 
=1,2…М (2)
где 
- показатель, характеризующий уязвимость территории процессу подтопления, который на этой территории проявляется с той или иной степенью опасности;
М – количество показателей, характеризующих уязвимость территории.
Так же, как и коэффициент опасности, коэффициент уязвимости может быть нормирован, и его значения меняются в диапазоне от 0 до 1, т.е. 
.
Введенное определение коэффициента уязвимости, как некоторой характеристики восприимчивости территории со всеми находящимися на ней объектами к опасному воздействию подтопления, приводит к необходимости оценки этой величины для территорий различного функционального назначения (селитебная, промышленная территории, зоны рекреации, дороги, линии электропередач и т.п.) с учетом особенностей объектов на этой территории (например, этажность застройки, наличие подземных сооружений и глубины освоения подземного пространства и др.), степени их износа, надежности оснований, фундаментов и др.
Рассмотрен возможный подход к оценке коэффициента уязвимости на примере подтопления селитебной территории города. На этой территории выделены следующие основные показатели, которые определяют уязвимость территории процессу подтопления с присвоением им номера: этажность застройки (номер 1), степень освоения подземного пространства (номер 2), степень амортизации (износа) объекта (номер 3), типа фундамента (номер 4). Для каждого из выделенных показателей определен диапазон его изменения и представлен в виде дискретного одинакового числа отрезков, которым присваивается определенный код. В частности, предложен следующий вариант разбивки показателей на части.
Предложенная методология является открытой, т.е. позволяет проводить следующий этап дифференциации, вводя для каждого типа этажности, например, материал или технологию строительства зданий (саманные, кирпичные, железобетонные, сборные, монолитные и т.д.). В работе ограничились указанной степенью дифференциации, отметив, что можно рассматривать и последующие элементы, вводя соответствующие коэффициенты уязвимости.
Каждый из четырех выделенных показателей уязвимости (этажность, тип подвала, степень амортизации и тип фундамента) независим от других, а степень уязвимости застроенной селитебной территории зависит от их комплексного воздействия.
Представленный порядок введения номеров и кодов показателей уязвимости позволяет комплексно охарактеризовать территорию с точки зрения оценки ее восприимчивости опасности процесса подтопления. Так, например, запись 2 3 1 3 означает, что подтоплена селитебная территория, имеющая в основном 3-5 этажную застройку (первая цифра 2); с высокой степенью освоения подземного пространства (вторая цифра 3); застройка эта относительно новая, степень износа не велика – меньше 15% (третья цифра 2); фундаменты, в основном, ленточные (четвертая цифра 3).
Таким образом, процедура расчета коэффициента уязвимости селитебной территории сводится к присвоению четырехзначного кода этой территории и установлению связи между этим кодом и коэффициентом уязвимости.
В работе вводится коэффициент, который назван коэффициентом риска подтопления территории:
(3)
Этот коэффициент не устанавливает сам по себе ущерб от подтопления, а лишь характеризует его, т.е. чем он выше, тем больше возможен ущерб и наоборот – меньшее значение коэффициента риска указывает на меньшую величину ущерба. Из (3) следует, что даже при большом коэффициенте опасности подтопления территории 
риск подтопления может быть небольшим, если коэффициент уязвимости территории мал. Верно и обратное, т.е. если уязвимость территории велика, а опасность подтопления мала, то риск также может быть небольшим.
На основе изложенного методологического подхода разработана методика оценки опасности подтопления городских территорий, состоящая, прежде всего в расчете коэффициента опасности 
. Итоговый результат этой методики может быть представлен в виде таблицы 1.
Таблица 1
Оценка коэффициента опасности 
подтопления урбанизированной территории
| Код опасности |  | Код опасности |  | Код опасности |  | Код опасности |  |
| 000 | 0 | 100 | 0,2 | 200 | 0,4 | 300 | 0,7 |
| 001 | 0,1 | 101 | 0,2 | 201 | 0,5 | 301 | 0,7 |
| 002 | 0,3 | 102 | 0,4 | 202 | 0,6 | 302 | 0,8 |
| 003 | 0,6 | 103 | 0,7 | 203 | 0,7 | 303 | 0,8 |
| 010 | 0,05 | 110 | 0,2 | 210 | 0,5 | 310 | 0,7 |
| 011 | 0,2 | 111 | 0,3 | 211 | 0,6 | 311 | 0,7 |
| 012 | 0,4 | 112 | 0,5 | 212 | 0,7 | 312 | 0,8 |
| 013 | 0,6 | 113 | 0,7 | 213 | 0,8 | 313 | 0,9 |
| 020 | 0,2 | 120 | 0,3 | 220 | 0,5 | 320 | 0,7 |
| 021 | 0,3 | 121 | 0,4 | 221 | 0,6 | 321 | 0,8 |
| 022 | 0,5 | 122 | 0,6 | 222 | 0,7 | 322 | 0,8 |
| 023 | 0,7 | 123 | 0,7 | 223 | 0,8 | 323 | 0,9 |
| 030 | 0,4 | 130 | 0,5 | 230 | 0,6 | 330 | 0,8 |
| 031 | 0,5 | 131 | 0,6 | 231 | 0,7 | 331 | 0,8 |
| 032 | 0,6 | 132 | 0,7 | 232 | 0,8 | 332 | 0,9 |
| 033 | 0,7 | 133 | 0,8 | 233 | 0,9 | 333 | 1 |
Наряду с оценкой опасности процесса подтопления в работе рассматривается методика оценки уязвимости территории для процесса подтопления, состоящая, прежде всего, в расчетах коэффициента уязвимости 
.
Итоговым результатом этой методики является возможность определения этого коэффициента по таблице 2 при анализе имеющегося материала по специфике застройки и функционального использования территории с последующим присвоением того или иного четырехзначного кода данной территории.
Таблица 2
Оценка коэффициента уязвимости 
урбанизированной территории
| Код |  | Код |  | Код |  | Код |  | Код |  | Код |  | Код |  | Код |  | Код |  |
| 1111 | 0,00 | 1211 | 0,05 | 1311 | 0,15 | 2111 | 0,05 | 2211 | 0,15 | 2311 | 0,25 | 3111 | 0,15 | 3211 | 0,25 | 3311 | 0,40 |
| 1112 | 0,10 | 1212 | 0,15 | 1312 | 0,25 | 2112 | 0,30 | 2212 | 0,35 | 2312 | 0,45 | 3112 | 0,55 | 3212 | 0,60 | 3312 | 0,75 |
| 1113 | 0,20 | 1213 | 0,25 | 1313 | 0,35 | 2113 | 0,40 | 2213 | 0,45 | 2313 | 0,55 | 3113 | 0,65 | 3213 | 0,70 | 3313 | 0,85 |
| 1121 | 0,05 | 1221 | 0,10 | 1321 | 0,20 | 2121 | 0,15 | 2221 | 0,20 | 2321 | 0,40 | 3121 | 0,25 | 3221 | 0,30 | 3321 | 0,55 |
| 1122 | 0,15 | 1222 | 0,20 | 1322 | 0,30 | 2122 | 0,35 | 2222 | 0,40 | 2322 | 0,50 | 3122 | 0,60 | 3222 | 0,65 | 3322 | 0,75 |
| 1123 | 0,25 | 1223 | 0,30 | 1323 | 0,40 | 2123 | 0,45 | 2223 | 0,50 | 2323 | 0,60 | 3123 | 0,70 | 3223 | 0,75 | 3323 | 0,90 |
| 1131 | 0,10 | 1231 | 0,20 | 1331 | 0,30 | 2131 | 0,20 | 2231 | 0,30 | 2331 | 0,40 | 3131 | 0,30 | 3231 | 0,40 | 3331 | 0,60 |
| 1132 | 0,20 | 1232 | 0,30 | 1332 | 0,40 | 2132 | 0,40 | 2232 | 0,50 | 2332 | 0,60 | 3132 | 0,65 | 3232 | 0,75 | 3332 | 0,90 |
| 1133 | 0,40 | 1233 | 0,40 | 1333 | 0,50 | 2133 | 0,60 | 2233 | 0,60 | 2333 | 0,70 | 3133 | 0,85 | 3233 | 0,85 | 3333 | 1 |
Данные таблиц 1 и 2 могут быть положены в основу районирования территории по степени опасности и уязвимости процессам подтопления.
Для территории, по которой проведено районирование по степени опасности и уязвимости, коэффициент риска подтопления территории 
определяется по формуле:
(4)
где 
- площадь территории, для которой определяется коэффициент риска подтопления 
, 
, 
- число разбитых участков площади 
на непересекающихся между собой площади 
, для которых оценены и известны коэффициенты опасности подтопления 
и уязвимости подтоплению 
.
Районирование территории по степени риска подтопления территорий рекомендовано проводить следующим образом:
Малый риск 
< 0,1
Умеренный риск 0,1 
< 0,25
Большой риск 0,25 
< 0,5
Критическая ситуация 
0,5
Предложенная во второй главе методика расчета степени риска подтопления базируется на основных теоретических представлениях о риске опасных геологических процессов и экспертных оценках роли отдельных факторов на проявление негативных процессов при подтоплении.
Третья глава диссертации посвящена оценке степени риска подтопления территории г. Саратова. В ней, на основе данных о процессах, которые развиваются на городской территории, изучаются вопросы опасности подтопления по положению уровня грунтовых вод, по изменению качества грунтовых вод, по изменению прочностных и деформационных свойств грунтов, а затем, используя полученные результаты, строится карта степени опасности подтопления для территории города (см. рис. 1) в соответствии с предложенной в работе методикой. Такой подход позволил выделить внутри городской территории площади, характеризующиеся высокой и критической степенью опасности (см.табл.3).
Эти данные показывают, что в зоне высокой и критической степени опасности подтопления находятся 34% территории промышленной и селитебной застройки Фрунзенского района, 25% - Ленинского района, 24% - Октябрьского района, 20% - Волжского района, 23% - Кировского района и 30% Заводского района.
Таблица 3
Таблица площади территорий промышленной и селитебной застроек, характеризующихся высокой и критической степенями опасности.
| Районы | Селитебная, га | Промышленная, га | ||
| высокая | критическая | высокая | критическая | |
| Заводской | 126,63 | 12,67 | 579,91 | 137,00 |
| Итого: 856,21 | ||||
| Кировский | 151,28 | 43,29 | 70,72 | 1,66 |
| Итого: 266,95 | ||||
| Волжский | 75,19 | 36,40 | 16,11 | 3,00 |
| Итого: 130,7 | ||||
| Октябрьский | 10,71 | 72,13 | 45,32 | 55,83 |
| Итого: 183,99 | ||||
| Ленинский | 50,00 | 13,79 | 435,20 | 39,45 |
| Итого: 538,44 | ||||
| Фрунзенский | 36,19 | 22,93 | 29,61 | 24,22 |
| Итого: 112,95 | ||||
Отдельный раздел третьей главы работы посвящен оценке уязвимости территории г. Саратова при ее подтоплении. При этом использовались материалы городской архитектуры, содержащиеся в программах «Жилье», «ПромКом» и др.
Итоговая карта степени уязвимости территории г. Саратова подтоплению представлена на рис.2, а на рис.3 – карта районирования территории г. Саратова по степени риска подтопления.
Четвертая глава диссертации полностью отведена решению вопросов инженерной защиты от опасных геологических процессов, прежде всего, от подтопления урбанизированных территорий с использованием методологии допустимого риска. Эта методология распространяется до вопросов обоснования эффективности мероприятий по инженерной защите.
Объективной причиной, определяющей необходимость выполнения работ по оценке эффективности мероприятий по инженерной защите, является их высокая стоимость, при далеко не всегда очевидном в стоимостном выражении эффекте, который достигается в результате их осуществления.
Вместе с тем, современные методические подходы, закрепленные и в действующей нормативной документации, предписывают необходимость выполнения такого рода оценок на основе расчета вероятностного ущерба от вредного воздействия, в т.ч. опасных геологических процессов.
В общем виде процедура расчета эффективности мероприятий по инженерной защите представлена на рис.4.
В предложенной процедуре оценки эффективности мероприятий по инженерной защите от подтопления главная роль, наряду с определением состава, объемов и
Рис.1 Карта степени опасности при подтоплении территории г. Саратова.
Рис.2 Карта степени уязвимости при подтоплении территории г. Саратова подземными водами.
Рис. 3 Карта районирования территории г. Саратова по степени риска подтопления.
стоимостью защитных мероприятий, отводится оценке предотвращенного ущерба. В общем виде процедурная цепочка действий при определении эффективности мероприятий такова: оценка риска подтопления оценка ущерба от подтопления проектирование системы инженерной защиты, позволяющей снизить риск до допустимого с оценкой их стоимости оценка ущерба от подтопления после сооружения системы инженерной защиты оценка предотвращенного ущерба оценка эффективности мероприятий по инженерной защите.
В работе рассматриваются методические положения и рекомендации по всей этой цепочке с проведением конкретных расчетов для территории г. Саратова.
В работе показано, что удельный ущерб от подтопления Уп может быть определен по формуле:
(5)
Ущерб 
определяются по таблице 4; 
- коэффициент индексации.
Используя формулу (5) и процедуру оценки риска подтопления урбанизированной территории с расчетом 
, можно рассчитать величины удельных ущербов и общий ущерб от подтопления:
(6)
где 
- подтапливаемые городские территории (га), имеющие коэффициент риска подтопления 
,.
Таблица 4
Укрупненные удельные показатели ущерба, наносимого окружающей среде подтоплением 1 га территорий (
), в тыс.руб. (в ценах 2006г.)
| Районы | Ущерб, наносимый населенным пунктам, промышленным предприятиям, линейным инженерным сооружениям | Ущерб, наносимый объектам сельского хозяйства | |
| склады, фермы, хранилища, предприятия (цеха) и другие производственные здания и сооружения | сельскохозяйственные угодья | ||
| Центральный | 6844 | 2054 | 23,6 |
| Северо-Западный | 7642 | 2372 | 23,1 |
| Южный | 6844 | 2070 | 23,8 |
| Приволжский | 6902 | 2088 | 23,7 |
| Уральский | 8598 | 2680 | 26,2 |
| Сибирский | 8887 | 2577 | 29,6 |
| Дальневосточный | 9672 | 3246 | 31,8 |
| Средний показатель | 7913 | 2441 | 26,0 |
Рис.4 Алгоритмическая схема процедуры оценки эффективности мероприятий по инженерной защите от подтопления
Мероприятия по инженерной защите г. Саратова рассматривались в рамках технико-экономического обоснования по инженерной защите территории г. Саратова от подтопления. Данный проект разрабатывался с участием автора специалистами НИИ ВОДГЕО и «ДАР/ВОДГЕО» и получил согласование в Главгосэкспертизе России.
Основные технико-экономические показатели системы инженерной защиты г. Саратова от подтопления грунтовыми водами представлены в таблице 5.
Таблица 5
Основные технико-экономические показатели системы инженерной защиты г. Саратова от подтопления грунтовыми водами
| Показатели | Количество | |
| Всего | в т.ч. 1 очередь | |
| 1. Площадь территории инженерной защиты от подтопления, га в т.ч. - селитебная зона; - промышленная зона - зеленые насаждения | 2270 2162 86 22 | 1093 1014 37 8 |
| 2. Мероприятия по защите от подтопления: - строительство дренажных систем, га - строительство сооружений по отводу поверхностного стока, га | 2270 2270 | 1093 1093 |
| 3. Тип применяемого дренажа - горизонтальный закрытый, га | 2270 | 1093 |
| 4. Реконструкция существующего дренажа, км | 44,4 | 31,3 |
| 5. Строительство горизонтального закрытого дренажа, км | 123,2 | 52,5 |
| 6. Количество очистных сооружений дренажных вод, шт | 30 | 10 |
| 7. Общая производительность очистных сооружений, м3/сут | 11180 | 5829 |
| 8. Годовой объем дренажных вод, тыс. м3 | 3978 | 2027 |
| 9. Протяженность ливневой канализации, км | 575 | 284,5 |
| 10. Энергопотребление: - установленная мощность электроустановок, кВт - потребляемая электроэнергия в год, млн. кВт*час | 575 5,45 | 316 2,55 |
| 11. Стоимость строительства инженерной защиты от подтопления, млн. руб. в ценах 2008 г. в т.ч.: - строительство дренажных систем - строительство сооружений по отводу поверхностного стока - стоимость организации эксплуатации системы | 6008,3 2099,9 3742,1 166,3 | 2950,4 936,6 1847,5 166,3 |
| 12. Расчетный срок строительства, год | 13,4 | 7,0 |
| 13. Экономический эффект, млн. руб. | 1730,9 | 827,2 |
| 14. Срок окупаемости, год | 3,5 | 3,6 |
| 15. Коэффициент экономической эффективности | 0,282 | 0,275 |
В работе изложен материал по картированию степени опасности, риска и ущерба после строительства защитных мероприятий с определением предотвращенного ущерба в целом, который в ценах 2008г. составляет около 5,5 млрд.руб./год для всей территории г. Саратова. Определяя экономическую эффективность и окупаемость защитных сооружений на основе полученных результатов, в работе делается вывод о высокой эффективности вложений в инженерную защиту от подтопления, поскольку окупаемость вложений осуществляется в течении 3,5 лет.
Основные выводы и предложения
1. Современные тенденции в области инженерной защиты урбанизированных территорий от опасных геологических процессов, в том числе подтопления, указывают на необходимость замены концепции абсолютной надежности на концепцию допустимого риска.
Подтопление территорий – наиболее распространенный опасный процесс на территории Российской Федерации, вызывающий активизацию ряда других геологических процессов, чем и обусловлен интерес к разработке методики обоснования мероприятий по инженерной защите от подтопления.
Концепция допустимого риска при проектировании систем инженерной защиты от подтопления и их обоснование предполагает процедуру расчета и картирования риска подтопления до, и после проведения защитных мероприятий, определения предотвращенного ущерба от подтопления и оценки эффективности проектных решений с учетом стоимостных показателей.
2. Предложенная в работе методология оценки риска подтопления урбанизированных территорий предполагает переход от качественных оценок к количественным, путем введения понятий коэффициента опасности подтопления территории, коэффициента уязвимости территорий процессам подтопления и коэффициента риска подтопления территории. В основе предложенной методологии лежит принцип критерия близости к идеальной точке, который надежно зарекомендовал себя при решении подобного рода задач.
3. Коэффициент опасности подтопления урбанизированных территорий рассчитывается на основе изучения, анализа, обобщения материалов гидрогеологических, геоэкологических и инженерно-геологических изысканий, прогнозных расчетов развития процессов подтопления территорий в части подъема уровней грунтовых вод и образования верховодки, в части изменения качества и агрессивных свойств грунтовых вод по отношению к подземным сооружениям и коммуникациям, в части изменения прочностных и деформационных свойств грунтов.
Предложена методика, позволяющая установить однозначное соответствие между характеристиками процесса подтопления территории и величиной коэффициента опасности. Кроме того, предложена градация степени опасности подтопления в зависимости от величины коэффициента опасности.
4. Коэффициент уязвимости урбанизированной территории для процесса подтопления рассчитывается на основе изучения материалов по застройке территории, ее функциональному назначению (селитебная, промышленная, рекреационная и др.), степени освоения подземного пространства, в котором развивается процесс подтопления, степени износа зданий, сооружений, подземных коммуникационных систем, особенностей оснований и фундаментов для зданий и сооружений на подтапливаемой территории и т.п.
Предложена методика, позволяющая установить однозначную связь между характеристиками урбанизированной территории и величиной коэффициента уязвимости. Кроме того, предложена градация степени уязвимости территории для процесса подтопления в зависимости от величины коэффициента уязвимости.
5. Разработана методика расчета коэффициента риска подтопления территории на основе данных по опасности подтопления и уязвимости территории для процесса подтопления. Кроме того, предложена градация степени риска подтопления территории в зависимости от величины коэффициента риска подтопления.
6. Методика количественной оценки опасности, уязвимости и риска подтопления апробирована при изучении процессов подтопления, на территории г. Саратова. В результате построены карты опасности подтопления, уязвимости территории г. Саратова для процесса подтопления и карты риска подтопления, что позволило ранжировать городскую территорию по приоритетности и степени необходимости проведения защитных мероприятий.
7. Разработана методика обоснования мероприятий по инженерной защите урбанизированных территорий от подтопления на основе концепции допустимого риска. Она включает в себя оценку риска с учетом прогнозов развития процессов подтопления, расчет технологических и конструктивных параметров систем инженерной защиты на основе снижения риска до допустимого уровня, оценку предотвращенного ущерба от подтопления при реализации мероприятий по инженерной защите, оценку эффективности проектируемых мероприятий на основе сравнения предотвращенного ущерба и капитальных затрат на строительство защитных сооружений.
8. Расчет ущербов производится на основе построения карт риска подтопления с использованием предложенного подхода оценки укрупненных удельных показателей по ущербу в пределах Российской Федерации и данных прогнозных расчетов эффективности работы запроектированных защитных сооружений.
Предложенная методика апробирована при расчетах ущербов до, и после реализации мероприятий по инженерной защите от подтопления территории г. Саратова. Предотвращенный ущерб для всей городской территории оценивается величиной около 5,5 млрд.руб./год в ценах 2008г., а окупаемость вложений в инженерную защиту составляет около 3,5 лет.
Последующие исследования в области использования теории риска при обосновании защитных мероприятий от опасных процессов предполагается вести, прежде всего, по пути разработки унифицированного подхода для других видов опасных геологических процессов.
Публикации, отражающие основное содержание диссертации.
Научные работы, опубликованные в ведущих рецензионных журналах (по перечню ВАК).
- Оценка риска негативных воздействий при подтоплении урбанизированных территорий. // Водоснабжение и санитарная техника. Москва: ООО «Издательство ВСТ», 2008 г. Выпуск №6. (в соавторстве с Кузьминым В. В., Тимофеевой Е. А.).
- Декларирование безопасности гидротехнических сооружений аккумулирующих водохранилищ в Саратовской области. // Мелиорация и водное хозяйство. Москва: 2006, №4. (в соавторстве с Нагорным В.А., Фоминым Г.И.).
Научные работы в других изданиях.
- Методические рекомендации по оценке риска и ущерба при подтоплении территорий./ - Москва: Издательство ЗАО "ДАР/ВОДГЕО", 2001г. (в соавторстве с Курановым Н.П., Кузьминым В.В., Расторгуевым А.В. и др.).
- Оценка эффективности лучевого дренажа при защите от подтопления территории с плотной застройкой. //Проблемы инженерной геоэкологии. Сб. трудов. Москва, ЗАО «ДАР/ВОДГЕО» 2002, вып.3. (в соавторстве с Кузьминым В.В.).
- Оценка риска для территории г. Саратова вследствие проявления оползневых процессов.//Проблемы инженерной геоэкологии. Сб. трудов. Москва, ЗАО «ДАР/ВОДГЕО» 2002, вып.3.
- Опыт проектирования и строительства локальных и региональных систем инженерной защиты от опасных геологических процессов // Журнал "СТРОЙКЛУБ". Москва: № 7-8. 2002 г. (в соавторстве с Курановым Н.П., Криксуновым Ю. Я. и др.)
- Строительство объектов на склонах. // Территориальные строительные нормы Пермской области (ТСН 12-304-04). Пермь: Администрация Пермской области. 2004 г. (в соавторстве с Бартоломей А.А., Пономаревым А.Б. и др.).
Выражение признательности:
Автор выражает свою искреннюю благодарность научному руководителю, к.т.н., Кузьмину В.В. за постоянную научную и методическую помощь, сотрудникам Саратовского филиала ЗАО «ДАР/ВОДГЕО» за содействие в сборе материалов и д.т. н., профессору Куранову Н.П. за помощь при разработке методических рекомендаций, вдохновение и дружескую поддержку.
Чуносов Дмитрий Валерьевич
Обоснование мероприятий по защите от подтопления
урбанизированных территорий на основе теории риска
05.23.07 – гидротехническое строительство
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 30.09.2008 года. Заказ №. Формат 60х90/16. Усл.печ.л. 1,5. Тираж 100 экз.
Отпечатано на
_________________________________________________________________________________________
