Природные и природно-техногенные опасности

Абиогенные циклы сложились на нашей планете значительно ранее биогенных. Они включают весь комплекс геологических, геохимических, гидрологических, атмосферных процессов.

Абиогенный геохимический круговорот включает накопление, удержание и перераспределение космической энергии Солнца на планете через нагревание водных масс, образование и конденсацию паров, выпадение атмосферных осадков и движение поверхностных и грунтовых вод по уклону от областей питания к областям испарения. Неравномерное нагревание воздуха и воды вызывает планетарные перемещения водных и воздушных масс, формирование градиентов плотности и давления, океанические течения и грандиозные процессы атмосферной циркуляции, последствиями чего являются природные процессы, со временем меняющие облик земной поверхности и формирующие геоморфологию ландшафтов (географические горизонты): эрозия, абразия, физическое и химическое выветривание; химическая денудация, транспортировка, перераспределение и накопление механических и химических осадков на суше и в океане.

В добиогенных геохимических круговоротах определяющая роль принадлежала водной и воздушной миграции и аккумуляции, при этом, в зависимости от условий среды, определялась и подвижность химических элементов и миграционных веществ в природных средах (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Ряды миграции элементов в кислородных водах зоны гипергенеза (по А.И. Перельману)

С появлением живого вещества в геохимические процессы включились органические вещества, и совокупные результаты деятельности живых организмов оказались более активными по сравнению с воздействием всех других природных факторов на поверхности нашей планеты, при этом биосфера как открытая система не пассивно приспосабливается (видоизменяется) к существующей среде, она ее активно изменяет и создает совершенно новую среду, с качественно иными характеристиками, чем те, которые должны были бы существовать на Земле в ее отсутствие.

Глобальные процессы образования и движения живого вещества в биосфере связаны и сопровождаются круговоротом вещества и энергии во всех остальных земных сферах – атмосфере, гидросфере и литосфере. В отличие от геологических процессов, характеризующихся происходящими относительно протяженными по времени явлениями, биогеохимические явления и процессы с участием живого вещества имеют значительно более высокую интенсивность и скорость преобразования окружающей среды.

Далеко не все серьезные изменения, произошедшие в природной среде за время существования планеты, являются плодами антропогенной деятельности, воздействие человека на природу происходит на фоне естественных изменений, масштабы которых порой бывают очень значительны.

Так за последние десятки тысячелетий одним из главных факторов подобных изменений, приведших к «фоновым» перестройкам ландшафтов, был климат: существование гигантских ледников на пространствах Северной Евразии и Северной Америки влекло за собой серьезные климатические изменения практически по всей Земле.

С самого начала возникновения биосферы как природной системы на нее оказывали и оказывают влияние процессы, происходящие во внешней среде. Глобальные изменения во внешней среде приводили к коренной перестройке как структуры биосферы, так и к качественному изменению ее составных элементов и объектов (расцвет, деградация и гибель ряда популяций морских и наземных животных (трилобиты, аммониты, динозавры), коренная смена видов растительности (с голосеменных на покрытосеменные, появление у них нового органа размножения – бутона).

Огромную роль на состояние и развитие объектов биосферы и окружающей ее среды оказывают критически активные, с экстремально высоким выделением энергии природные процессы, представляющие ту или иную степень опасности для этих объектов.

По генезису (или происхождению)опасные природные процессы (явления) подразделяются на:

а) эндогенные, развивающиеся в глубинах Земли: землетрясения, вулканические извержения, опускания или поднятия крупных участков земной коры;

б) экзогенные, то есть развивающиеся на поверхности Земли: оползни, обвалы и осыпи, снежные лавины и сели, эрозия рек и оврагов, абразия морских берегов, различные типы наводнений, а также карст, суффозионные просадки почвы и пр.;

в) метеогенные, объединяющие ветры, дожди, грозы, снегопады, град;

г) космогенные, включающие метеоритную и гелиомагнитную опасность;

д) техногенные, связанные с деятельностью человека по освоению природного пространства.

По площади проявления (контуру влияния)стихийные явления подразделяются на:

- точечные - удары града, молний, метеоритов;

- линейные - речная и овражная эрозия, абразия морских берегов;

- площадные - наводнения, изменения уровня грунтовых вод;

- объемные - оползни, землетрясения, вулканические извержения.

По продолжительности проявлениястихийные явления подразделяются на:

- мгновенные, длящиеся секунды, минуты;

- кратковременные - часы, дни;

- долговременные - месяцы, годы;

- вековые - десятки, сотни лет.

Опасность чрезвычайных ситуаций (далее - ЧС) природного характера (стихийных бедствий) для населения и территорий может возникнуть в результате проявлений природных процессов (геологических, гидрометеорологических и др.) - землетрясений, оползней, селей, лавин, наводнений, подтоплений, карста, суффозии, ураганов, смерчей, цунами, природных пожаров, переработки берегов, просадочности пород, различных видов эрозии, пучения, наледеобразования, абразии, термоабразии, солифлюкции.

Природный процесс является опасным для населения и территории (в дальнейшем – опасный природный процесс), если в отношении его установлена возможность проявления с вредными или разрушительными последствиями (ЧС природного или техногенно-природного характера) и частота (вероятность) этого проявления характеризуется показателями, значения которых превышают установленные критерии.

Наиболее характерными последствиями чрезвычайных ситуаций являются:

разрушения, возникающие при землетрясениях, взрывах, пожарах, производственных авариях, ураганах, смерчах, обвалах, селях;

радиоактивное загрязнение вследствие аварий на радиационно опасных объектах, аварий транспортных средств с ядерными энергетическими установками или перевозящими радиоактивные вещества;

химическое заражение в результате аварий на химически опасных объектах, приводящих к разрушению емкостей и технологических коммуникаций, содержащих опасные химические вещества (ОХВ), а также аварий на транспорте, перевозящем указанные вещества;

массовые пожары, являющиеся следствием природных явлений, аварий и несоблюдения правил пожарной безопасности;

затопления, возникающие при наводнениях, разрушениях гидротехнических сооружений, цунами, селях и других природных явлениях;

эпидемии, эпизоотии, эпифитотии – массовые заболевания людей, сельскохозяйственных животных и растений.

Все геологические процессы, протекающие в недрах (глубинных - базальтовом, гранитном слоях и магме) (эндогенные) и в приповерхностной зоне земной коры – геосфере (или литосфере) (экзогенные), связаны с высвобождением части энергии с переходом из кинетической (статической) в динамическую с разгрузкой накопившегося за определенный отрезок времени напряжения в данной системе со стремлением геосферы (литосферы) к устойчивому состоянию – стабилизации.

В соответствии с этим все процессы, происходящие в глубинных слоях земной коры и геосфере как взаимоувязанной и контактирующей системе, происходят с переходом из неустойчивого состояния к его более устойчивому, чем состояние до начала процесса в период образования и последующего накопления (аккумуляции) избыточной (статической) энергии.

По мере накопления статической энергии ее избытки переходят в динамическую энергию, которая передает накопившийся статический заряд в окружающую среду, переход которой носит лавинообразный характер какого-либо процесса до его завершения, т.е. растворения избыточной энергии в системе, которая переходит в другое состояние (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема преобразования системы при воздействии на нее критически опасными потоками энергии (опасными явлениями)

Основными опасными природными процессами эндогенного характера являются явления, приуроченные к тектонически активным зонам земной коры, выражающиеся в виде вулканической деятельности (с выходом раскаленных масс внутренних пород на поверхность) и сейсмической активности(землетрясений).

С позиции современных представлений вулканизм - это совокупность явлений, обусловливающих проникновение силикатных расплавов, называемых магмой, из глубин Земли на ее поверхность.

Магма образуется в нижних слоях земной коры и в мантии, в результате локального плавления горных пород, и по разломам, трещинам и точечным разрывам (жерлам и каналам) продвигается к поверхности Земли. В одних случаях расплав кристаллизуется в недрах, не достигнув поверхности (интрузивный процесс), в других - расплав достигает поверхности, и тогда происходят извержения вулканов (экструзивный процесс). Интрузивный магматизм не причиняет опасности ввиду глубинных процессов протекания без явных проявлений на поверхности, в то время как вулканизм (экструзивный магматизм) - это весьма опасное природное явление.

Землетрясения являются следствием геодинамических процессов и непосредственно связаны с колебаниями-флюктуациями среднего энергетического состояния Земли.

Землетрясение — подземные толчки и колебания земной поверхности, возникающие в результате внезапных смещений и разрывов в земной коре или верхней части мантии Земли и передающиеся на большие расстояния в виде упругих колебаний (ГОСТ Р 22.0.03-95).

По своему эффекту сильные землетрясения являются катастрофическими явлениями, занимающими одно из первых мест среди всех известных человеку природных катастроф.

Со времени первых исторических упоминаний о катастрофических землетрясениях по наши дни в мире произошло более 5 тысяч явлений такого масштаба, унесших жизни 17 млн. человек, до настоящего времени катастрофические землетрясения губят большое количество людей, разрушают целые города.

По различным источникам, каждый год от землетрясений гибнет в среднем от десятков до сотен тысяч человек (с учетом их последствий: цунами, ураганов и др.), а материальный ущерб составляет десятки и сотни миллионов условных единиц.

Сильные сотрясения, перемещения и сдвижки горных пород при землетрясениях несут большой потенциал опасности для территорий, зданий и сооружений, коммуникаций, населения, проживающего на этих территориях. Вместе с тем представляют опасность и вторичные факторы и последствия катастрофического характера - обвалы, оползни, пожары, цунами и т.д.

Причины землетрясений - это мгновенные смещения блоков по разрывам блоков или пластов горных пород, при которых высвобождается огромное количество упругой энергии за счет образования разрыва горных пород, возникающего в некотором объеме - называемом очагом землетрясения. Объем очага, в котором происходит разрушение пород, играет важную роль, определяя силу сейсмического процесса. Большие объемы геологической среды, в которых происходят разрывы, порождают сильные землетрясения, при этом, чем меньше объем очага, тем слабее сейсмические толчки.

Гипоцентром землетрясения, или его фокусом, называют условный центр очага на глубине, а эпицентром - проекцию гипоцентра на поверхность Земли. По глубине расположения гипоцентров землетрясения делятся на 3 типа:

1) мелкофокусные (0-70 км);

2) среднефокусные (70-300 км);

3) глубокофокусные (300-700 км).

Наиболее распространены землетрясения, очаги которых сосредоточены в земной коре на глубине 10-30 км.

Для оценки силы землетрясения по его действию разработано множество шкал, которые называют шкалами интенсивности.

В настоящее время в Европе используется 12-балльная шкала интенсивностей землетрясений MSK-64 - (Медведев, Шпонхойер, Карник). Согласно этой шкале принята следующая градация интенсивности землетрясений:

I-III балла – слабые;

IV-V – ощутимые;

VI-VII - сильные (разрушаются ветхие постройки);

VIII - разрушительные (частично разрушаются прочные здания, падают фабричные трубы);

IХ - опустошительные (разрушается большинство зданий);

Х - уничтожающие (разрушаются мосты, возникают оползни и обвалы);

ХI - катастрофические (разрушаются все сооружения, изменяется ландшафт);

ХII- губительные катастрофы (вызывают изменения рельефа местности на обширной территории).

При любом землетрясении возникает весьма сложная волновая картина, состоящая из записи волн разных типов. По скорости распространения и характеру смещений частиц среды выделяется два основных типа сейсмических волн: объемные (P и S) и поверхностные (LR, LQ). Каждый из этих типов подразделяется еще на два типа.

Объемные волны распространяются в объеме (теле) Земли. Они подобны звуковым волнам. Поверхностные волны распространяются вдоль земной поверхности и напоминают волны на море.

Р-волны представляют собой чередование зон сжатия и растяжения горных пород, и они проходят через твердые, жидкие и газообразные вещества. При своем распространении продольные волны как бы попеременно сжимают горные породы или растягивают их.

Часть энергии Р-волн, выходя из недр Земли на её поверхность, передается в атмосферу в виде звуковых волн, которые воспринимаются людьми при частоте более 15 герц.

Р-волны являются самыми быстрыми из объемных волн.

S-волны имеют иной характер. При своем распространении они сдвигают частицы вещества под прямым углом к направлению своего пути. Эти волны не распространяются в жидкой среде, т.к. модуль сдвига в жидкости равен нулю. Скорость поперечных волн меньше продольных. S- волны раскачивают и смещают поверхность грунта как по вертикали, так и по горизонтали.

Поверхностные волны – волны LR (Релея) и LQ (Лява) распространяются вдоль земной поверхности, захватывая лишь неглубокую зону под ней. Волны Релея – бегущие волны, в которых отдельные частицы среды движутся по эллипсам в вертикальной плоскости (вертикальная поляризация).

Волны LQ – бегущие волны с горизонтальной поляризацией частиц. Место разрушения породы называют гипоцентром или очагом землетрясения.

В зависимости от глубины h очага, землетрясения подразделяются на:

нормальные (при глубине от 0 до70 км);

промежуточные (от 70 до 300 км);

глубококронусные (более 300 км).

Проекция гипоцентра на земную поверхность называется эпицентром, а расстояние от эпицентра до некоторой точки земной поверхности – эпицентральным расстоянием R.

Волны P, S, LR и LQ распространяются с разной скоростью. В различных скальных породах скорости волн Р равны 3 - 8 км/с, а волн S - 2 - 5 км/с.

С увеличением расстояния интенсивность уменьшается. Зону поверхности грунта в радиусе ~ R < h считают эпицентральной. В ней преобладают колебания грунта вертикального направления (скорость распространения продольных волн около 8 км/с, поперечных в среднем 5 км/с). По мере удаления от эпицентра усиливается влияние горизонтальной компоненты колебаний, представляющей наибольшую опасность для зданий (скорость распространения порядка 2 км/с).

Для оценки землетрясения и его характеристики (интенсивности), основанной на прямых инструментальных измерениях, разработана шкала магнитуд Чарльза Ф. Рихтера. В настоящее время шкала магнитуд Рихтера, наряду со шкалами интенсивностей, применяется при оценке всех происходящих землетрясений.

Магнитуда землетрясения – это полученная из сейсмограммы мера смещения горных пород, при этом смещение пород и амплитуда сейсмической волны представляют одинаковые величины, и чем сильнее размах волны, тем больше магнитуда землетрясения.

Из-за того, что амплитуды сейсмических волн убывают с расстоянием, по шкале Рихтера выбрано расстояние 100 км от эпицентра. В шкале Рихтера используется измеренная по сейсмограмме максимальная амплитуда смещения почвы в микронах (микрометрах). 1 мкм = 1/1000000 м.

Магнитуда Рихтера - это приведенный к стандартному расстоянию десятичный логарифм этой амплитуды. «Магнитуда любого толчка определяется как логарифм выраженной в микронах максимальной амплитуды записи этого толчка, сделанной стандартным короткопериодным крутильным сейсмометром на расстоянии 100 км от эпицентра» (Рихтер).

Поскольку шкала магнитуд логарифмическая, увеличение магнитуды на единицу означает десятикратное возрастание амплитуды колебаний в волне. Нулевая магнитуда не означает, что землетрясения нет, так как нуль - это логарифм единицы.

Самое слабое из ощутимых землетрясений имеет магнитуду около 1,5, а наименьшее землетрясение, способное причинить минимальный ущерб, - около 4,5. Сильнейшие из зарегистрированных за время инструментальных измерений землетрясения имели магнитуду 8,9. Таких землетрясений известно два: 1906 г. у берегов Эквадора и 1933, 2011 гг. у берегов Японии.

Магнитуда Рихтера тесно связана с энергией, высвобождающейся при землетрясении. При любом землетрясении собственно сейсмическая энергия, высвобождаемая в виде сейсмических волн, составляет лишь малую долю общей энергии.

Магнитуда землетрясений М - безразмерная величина, характеризующая общую энергию упругих колебаний, вызванных землетрясением, которая находится в пределах 0.0 - 9.0.

Магнитуда может быть определена через амплитуду Zm, мкм, поверхностной волны и расстояния R, км, до эпицентра землетрясения по формуле:

M=lgZm + 1.32 lg R. (2.1)

Излучаемая в очаге землетрясения энергия Е связана с магнитудой по формуле:

lgE=aM+ b, (2.2)

где:

для сильных землетрясений а = 1,5; b = 11,8;

для слабых - а = 1.8; b = 11.

(при землетрясении с М = 5.5 по шкале Рихтера Е » 10¹⁰ Кдж).

Связь между М и длиной разрыва L, км на поверхности земли в среднем определяется соотношением:

М=6.03 0.76 lg L. (2.3)

Соотношение, связывающее энергию, возникающую (освобождающуюся) при землетрясении, и магнитуду землетрясения, определяется по формуле (Гутенберг):

lg E= 9,9 + 1,9 М - 0,024 М² . (2.4)

Энергия землетрясений в несколько миллионов раз превышает энергию при применении ядерного оружия (атомной бомбы в 100 кт)(1000·10¹⁸ эрг).

Повторяемость землетрясений, по Гутенбергу и Рихтеру, определяется формулой:

f(M)=a₁exp (-b₁ M), (2.5)

где:

f (M) - функция вероятности магнитуды в данном объеме земной коры;

а₁ , b₁ - региональные константы.

Для оценки повторяемости сильных землетрясений применяют модель Пуассона. Вероятность P (N, t) появления N_м сильных землетрясений в течение времени t определяется в зависимости от среднего числа сильных землетрясений в единицу времени по формуле:

P(N, t)= (lt)^N exp (-l t) /N_м, N = 0, 1, 2, ... l t > 0. (2.6)

Оценка сейсмического риска для периода t:

R=1-P (0, t) – 1 – exp (-l t). (2.7)

Интенсивности землетрясений соответствует отражение силы индукции воздействия на земную поверхность, выражающееся в силе ее колебаний (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Параметры максимумов колебаний поверхности Земли,

соответствующие интенсивности землетрясений

На основании вышеперечисленных параметров и периодичности землетрясений производится их классификация (таблица 2.3).

Таблица 2.3.

Классификация землетрясений

Перед предстоящим землетрясением многие физические характеристики Земли изменяются, при этом те из них, которые регулярно изменяются перед землетрясениями, называются предвестниками, а сами отклонения от нормальных значений - аномалиями.

Существует большое количество разнообразных предвестников землетрясений, начиная от собственно сейсмических, геофизических и кончая гидродинамическими и геохимическими.

Основным способом прогнозирования и фиксации движений (колебаний) земной коры и литосферы, приводящей к землетрясениям, является отслеживание сейсмической активности.

В настоящее время накоплены данные непрерывной регистрации землетрясений, позволяющие определять ежегодные количества энергии, выделяемые землетрясениями, ∑Е и ежегодное количество сильных землетрясений N на Земле.

Ряды ∑Е и N за время наблюдения t позволяют на основании количественных данных ∑Е(t) и N(t) производить анализ с выводом о характере геологической активности и причинах, порождающих процессы активности и влияющих на нее.

По мере накопления эмпирических и инструментальных материалов и формирования банка данных результатов сейсмических наблюдений появилась возможность изучать сейсмичность Земли в целом и геодинамические процессы в комплексе, а при изучении солнечной активности в ряду причин сейсмической активности исследовать не только отдельные солнечные явления (пятна, протуберанцы), но и глобальную солнечную активность, а также выделять цикличность явлений и процессов на Солнце и других небесных телах.

Анализ ряда ∑Е(t) свидетельствует о том, что ∑Е(t) ежегодно сильно изменяется, значения различаются более чем на порядок и превышают стандартное отклонение σ, что доказывает неравномерность сейсмичности Земли в различные периоды и носит квазипериодический характер типа геомагнитных или атмосферных явлений и определяется 11-летним циклом солнечной активности.

Связь сейсмичности Земли с явлениями на Солнце и в межпланетной среде осуществляется за счет влияния последних на атмосферную циркуляцию.

Под экзогенными геологическими опасностямипонимаются опасности, которые обусловлены проявлением различных типов экзогенных геологических процессов (ЭГП).

Под опасностьюгенетических типов экзогенного геологического процесса понимается вероятность проявления его в данном месте, в заданное время и с определенными энергетическими характеристиками (скорость развития процесса, площадь, на которой он проявляется; объемы горных пород, вовлеченных в процесс, дальность их перемещения) (А.И.Шеко,2002 г.).

Опасность ЭГП определяется следующими показателями:

генетическими особенностями процесса;

повторяемостью встречаемых форм проявления данного генетического типа процесса на данной территории;

частотой проявления данного процесса на данной территории во времени;

размерами и скоростью проявления процесса.

Общая классификация экзогенных геологических опасностей в зависимости от условий образования приведена в таблице 2.4.

По типам опасностей важное место имеют опасности, обусловленные климатическими и биологическими факторами местности, или процессы выветривания (рис. 2.2).

Под выветриванием понимается разрушение первоначальной структуры, изменение минерального состава горных пород под воздействием климатических и биологических факторов, что приводит к резкому ослаблению их прочности.

По способу распространения выветривание бывает площадным и линейным.

Ослабление прочности горных пород способствует проявлению других генетических типов ЭГП (обвалы, оползни), которые представляют опасность для жизни людей и техносферы.

Опасности, обусловленные силой тяжести (энергией рельефа) в результате ослабления прочности пород (выветривание или процессы таяния), подразделяются на 2 класса:

движение масс горных пород (к которым относятся ледовые и снежные массы как специфическая горная порода – вода в твердом состоянии) без потери контакта со склоном (подстилающей поверхностью) (оползни, ледники и лавины);

движение масс горных пород с потерей контакта (обвалы и осыпи).

Склоновые процессы можно подразделить по признакам, основанным на механизме процесса:

обрушение;

соскальзывание;

течение.

Таблица 2.4

Общая генетическая классификация экзогенных геологических опасностей (классификация ЭГП А.И.Шеко 1980 г.)

Рис. 2.2. Процессы выветривания площадного и линейного типа.

Оползень — смещение масс горных пород по склону под воздействием собственного веса и дополнительной нагрузки вследствие подмыва склона, переувлажнения, сейсмических толчков и иных процессов (ГОСТ Р 22.0.03-95).

Оползни (смещения горных пород) вниз по склону происходят без потери контакта между смещающимися и неподвижными породами (скорость перемещения смещающихся пород имеет скорость перемещения в амплитуде от 0,1 мм/с и менее до десятков м/с).

Лавина — быстрое, внезапно возникающее движение снега и (или) льда вниз по крутым склонам гор, представляющее угрозу жизни и здоровью людей, наносящее ущерб объектам экономики и окружающей природной среде (ГОСТ Р 22.0.03-95).

Лавины как быстрое движение снежных масс по склону сопровождаются низвержением их к подошве склона и характеризуется внезапностью, что часто влечет за собой человеческие жертвы.

Лавины характерны для территорий с резкими перепадами высот рельефа и не характерны для равнинного характера местности.

Ледники –(по Г.К.Тушинскому, 1963 г.) естественное скопление льда осадочного происхождения, обладающее движением, вторичные факторы вызывают подпруживание водных бассейнов, что приводит к формированию селей и катастрофическим паводкам.

Обвалы – внезапные обрушения горных пород с потерей контакта со склоном, сопровождающиеся дроблением и перемешиванием горных пород и хаотическим накоплением их у подошвы склона (сопровождается внезапностью и большой скоростью).

Обвалы происходят в массивах скальных (коренных) пород, сильно нарушенных тектоническими разломами, и приурочены к землетрясениям (обвал в результате землетрясения в 1948 г. в Таджикистане полностью разрушил районный центр Хаит и погреб под собой 18 тысяч человеческих жизней).

Осыпи – непрерывный снос продуктов выветривания горных пород на крутых склонах в виде скатывания отдельных мелких обломков (от пыли до крупных камней и глыб) с образованием у подножия склонов конусов из скопившихся материалов. Опасность представляют как крупные обломки (падающие камни и глыбы), так и мелкий материал (при подпруживании рек образующий сели).

Опасности, обусловленные поверхностными водами, подразделяются на опасности, связанные с деятельностью водных масс:

крупных водных бассейнов – океанов, морей, озер (абразия, вдольбереговое перемещение наносов и затопление);

водохранилищ (переработка берегов и заиление);

водотоков (эрозия, термоэрозия, аккумуляция наносов, сели).

Абразия – сложный временной процесс, слагающийся из ряда элементарных процессов (размокание, силовое воздействие воды на породы клифа, выщелачивание растворимых солей, обрушение и оползание пород) и, в конечном итоге, образующий разрушение берегов под волновым воздействием в связи с изменением уровня моря.

Термоабразия – разновидность процесса абразии в результате оттаивания рыхлых и связных многолетнемерзлых пород, обнажающихся в клифе, в том числе содержащих линзы льда.

Особую опасность при этих процессах представляет перемещение береговой линии внутрь континента, в связи с чем могут быть разрушены и погребены под толщей воды береговой и прибрежной линий как хозяйственные объекты, так и целые поселения (многие древние города и поселения за десятки и сотни веков ушли на дно морей и океанов).

Скорость разрушения береговой линии зависит от слагающих ее пород, в легкоразмываемых породах отступание бровки берега может достигать несколько десятков метров в год.

Вдольбереговое перемещение наносов (в том числе пляжевого материала) происходит в морях и океанах под воздействием течений, обусловленных волнением, нагоном воды, температурными ингредиентами, разной плотностью воды и другими факторами.

Данный процесс оказывает косвенное влияние на активизацию других ЭГП и, в конечном итоге, может привести к чрезвычайной ситуации в местах портовых, прибрежных инженерных сооружений и строений.

Затопление низменных прибрежных территорий происходит за счет приливов морей, эвстатических подъемов или нагона воды при сильных ветрах и штормах, при этом уровень воды может подняться на несколько метров, а площадь затопления может достигать сотен кв. км.

Опасности, связанные с процессами, происходящими в водохранилищах, как искусственных антропогенных сооружениях, нарушающих естественный природный и водный баланс данной территории, несут значительные бедствия.

Переработка берегов водохранилищ происходит в результате смены эрозионных процессов на абразионные, активность которых велика в первые 10 лет создания водохранилища (искусственного водоема). При сооружении Братской ГЭС отступание берегов водохранилища в первые пять лет наблюдалось со скоростью 100 м/год.

Заиление – отложение приносимого течением реки в водохранилище твердого материала с дальнейшим образованием отмелей, «кос», островов, представляющих угрозу для судоходства и приводящих к уменьшению объема водохранилища.

Опасности, обусловленные текучими водами (водотоками), приводят к процессам эрозии, термоэрозии, аккумуляции наносов и селевым явлениям.

Эрозия – разрушение горных пород водотоками (текучей водой). В зависимости от рельефа и характера берегов различают склоновую, овражную и речную эрозию.

Серьезную опасность представляют процессы в результате размыва легкоразмываемых рыхлых или тонкодисперсных пород, интенсивность процесса может достигать до нескольких десятков метров в год, оврагов – сотен метров. Особенно активно развивается эрозия при оттаивании многолетнемерзлых пород, в том числе содержащих линзы льда (термоэрозия).

Аккумуляция наносов – процесс, происходящий в руслах рек в местах, где скорость течения воды уменьшается по сравнению со скоростью течения выше по реке, с отложением (аккумуляцией) крупных частиц на дно с образованием русловых образований в виде пересыпей, отмелей, кос.

Данные аккумулятивные образования представляют угрозу судоходству и являются косвенной (вторичной) причиной образования заторных явлений и подтоплений территорий в период весеннего половодья.

Сели – внезапные кратковременные горные потоки, обладающие огромной разрушительной силой и обильно насыщенные (по сравнению с обычными водными потоками) твердым материалом, возникающие во время дождей, интенсивного таяния снега и льда, а также при прорыве завалов русла, дамб и плотин в речных долинах, где имеются большие запасы рыхлообломочного материала.

Опасности, обусловленные подземными потоками (водами), подразделяются на классы опасностей по процессам образования (генетике происхождения):

растворение и выщелачивание горных пород (карст);

механический вынос мелких частиц (суффозия);

понижение уровня подземных вод (оседание поверхности);

подъем уровня подземных вод (подтопление, засоление, заболачивание);

ослабление и разрушение структурных связей грунтов при увлажнении (просадка лессовидных пород, плывуны);

увеличение объема глинистых пород (набухание).

Подкарстом (И.В.Попов, 1959 г.) понимается совокупность геологических явлений в земной коре и на ее поверхности, вызванных химическим растворением горных пород и выраженных в образовании в земной коре пустот, в разрушении и изменении структуры и состояния пород, в создании особого характера циркуляции и режима подземных вод и характерного рельефа местности и режима гидрографической сети.

Процессы карстообразования являются опасными процессами, охватывающими значительные территории России и приводящими к чрезвычайным ситуациям, влияющим на промышленную, сельскохозяйственную деятельность на территориях, подверженных этому процессу, и нарушающим жизнедеятельность проживающего на них населения.

Суффозия – вынос мелких частиц, фильтрующихся водой в песках, характеризующийся проявлениями на поверхности земли в виде провальных воронок.

Оседание поверхности (процесс просадки грунтов и пород) в результате понижения уровня подземных вод (явление снижения водной насыщенности пород и грунтов в результате различных причин снижения дебита поступления водного потока в горизонты) вызывает воронки депрессии в виде мульд (воронкообразных провалов грунта). Оседание поверхности вызывает деформации зданий и других инженерных сооружений с опасностью их частичного или полного разрушения.

Повышение уровня грунтовых (подземных) вод приводит к процессам подтопления пониженных территорий и участков поверхности (при подъеме грунтовых вод до уровня, оказывающего отрицательное воздействие на хозяйствующие объекты (подтопление заглубленных сооружений (подвалов), обводнение фундаментов), что вызывает опасность деформации зданий и сооружений.

Действие воды и ветра, наряду с полезными свойствами, несет опасность окружающей среде и человеку.

Поверхностные воды обеспечивают влагозарядку почвы и создают предпосылку получения хорошего урожая. Но те же водные потоки, при превышении необходимых норм и пересыщении влагой почвы и поверхностных вод, вызывают смыв почв и создают реальную опасность снижения почвенного плодородия или полной ликвидации почвенного покрова. Концентрируясь в понижениях микрорельефа на склонах, водные потоки становятся причиной развития линейных форм эрозии – оврагов, формирование которых полностью делает земли непригодными для хозяйственного использования, приводит к разрушению коммуникаций, инженерных объектов и других строений.

Опасность, связанная с деятельностью рек – русловых процессов, наиболее ярко проявляется в размывах берегов, которые отражают естественную эволюцию различных форм русла – излучин, разветвлений, рукавов, меандр и других.

В ходе русловых процессов, обусловленных вращением Земли вокруг своей оси, происходит размыв берега реки в направлении ее вращения с аккумуляцией намывного материала на противоположном берегу.

Подмываемый берег подвергается разрушению вместе с объектами и строениями, расположенными на нем, а на противоположном берегу, где происходит аккумуляция наносов, наблюдается заиления (обмеление) русла.

Обмеление русла реки приводит к следующим последствиям:

нарушается режим работы водозаборных сооружений (в результате засорения водозаборного канала);

повышается уровень дна в зоне фарватера, что требует проведения дноуглубительных работ.

Наряду с изменением формы русла и берегов происходят следующие последовательные изменения:

уменьшаются показатели отметок глубин дна, что приводит к уменьшению удельной кинетической энергии потока;

уменьшение энергии потока воды приводит к повышению массы удельного содержания и объема наносов;

повышение массы наносов ведет создает опасность разрыва подземных и подводных переходов линейных сооружений (нефте-, газопроводов) через водные преграды (провисание и разрыв при размыве дна, избыточная нагрузка при аккумуляции наносов и намывов);

нарушается устойчивость опорных мостовых сооружений, набережных;

происходят размыв и деформация опорных инженерных сооружений в вертикальном и горизонтальном направлениях, зачастую данный процесс происходит одновременно, увеличивая вероятность разрушения объектов.

Эрозия почв, овражная эрозия и русловые процессы составляют последовательные звенья единой взаимосвязанной системы эрозионно-аккумулятивных процессов как природных явлений, развитие которых приводит к смыву почв, потере ими плодородия, разрушению или выводу из строя сельскохозяйственных земель, инженерных объектов и коммуникаций, хозяйственных и жилых строений, т.е. являются разновидностью опасных природных процессов, связанных с деятельностью водных потоков.

Наиболее опасными последствиями изменений водного режима в результате природных процессов в гидросфере являются наводнения.

Под наводнением понимается значительное затопление местности в результате подъема уровня воды в реке, озере или океане (Географический энциклопедический словарь, 1988, с.194).

Наводнение — затопление территории водой, являющееся стихийным бедствием (ГОСТ 19179-73).

Исходя из Государственной универсальной шкалы категорий стихийных бедствий (Н.В.Шебалин), по масштабу проявлений можно выделять 6 категорий наводнений:

всемирное (потоп);

континентальное;

национальное (в пределах одной или нескольких стран);

региональное;

районное;

местное.

В настоящее время наводнения занимают лидирующее положение по числу повторов, охвату территорий и суммарному среднегодовому экономическому ущербу.

В России ущерб от гидрометеорологических явлений оценивается в 80% от ущерба, наносимого природными стихийными бедствиями. Наводнения приводят к быстрому затоплению обширных территорий, при этом травмируются и гибнут люди и животные, разрушаются и повреждаются здания, сооружения, дороги, линии электропередач и связи, гибнет урожай сельхозпродуктов и т.д.

В зависимости от нанесенного материального ущерба и площади затопления наводнения бывают низкими и высокими, выжидающими и катастрофическими.

Низкие(малые) наводнения характерны для равнинных рек. Их периодичность - один раз в 10-15 лет. При этом заливается водой не более 10% земель, расположенных в низких местах.

Как правило, низкие наводнения не связаны со значительными материальными потерями и человеческими жертвами.

Высокие(большие) наводнения приводят к затоплению больших площадей в долинах рек, что связано с необходимостью частичной эвакуации населения и материальных ценностей.

Высокие наводнения происходят один раз в 20-25 лет и наносят значительный материальный и моральный ущерб, затапливая примерно 15% сельскохозяйственных угодий.

Выдающиесянаводнения характеризуются охватом целых речных бассейнов, нанесением большого материального и морального ущерба, нарушением хозяйственной деятельности в городах и сельских районах, необходимостью проведения массовых эвакуационных мероприятий из зоны затопления, защиты важных народнохозяйственных объектов.

Выдающиеся наводнения повторяются один раз в 50-100 лет и затапливают до 70% сельхозугодий.

Катастрофические наводнения характеризуются затоплением обширных территорий в пределах одной или нескольких речных систем, временным прекращением производственно-хозяйственной деятельности, изменением жизненного уклада населения, огромными материальными убытками и человеческими жертвами.

Катастрофические наводнения повторяются один раз в 100-200 лет и затапливают более 70% сельхозугодий, города, населенные пункты, промышленные предприятия, дороги, коммуникации.

Таблица 2.5

Виды наводнений в зависимости от причин возникновения

и характера проявления

Основными характеристиками наводнения являются:

уровень подъема, расход и объем воды;

площадь затопления;

продолжительность затопления;

скорость течения и подъема уровня воды;

состав водного потока.

Наиболее часто наводнения происходят в результате разлива рек, при обильном выпадении осадков и интенсивном таянии снега (табл. 2.5).

Важнейшими характеристиками наводнений являются:

максимальный уровень воды;

скорость подъема уровня воды;

расход воды за время наводнения.

Основные факторы, определяющие водность реки в момент весеннего половодья, определяются:

Y = S + x - (I + A + Z) (2.8)

где Y - тало-дождевой сток за половодье;

S - запас воды в снеге и ледяной корке на поверхности почвы к моменту начала снеготаяния;

х - дополнительные осадки, участвующие в формировании половодья;

I - суммарная инфильтрация талой и дождевой воды в почву (зависит от типа почвы, водонасыщенности активного слоя почвы, глубины промерзания);

А - количество воды, задержанной на поверхности, зависит от характера поверхности почвы, микрорельефа, растительности и др.;

Z - суммарные потери воды на испарение за период половодья.

К прямомуущербу, причиняемому наводнениями, относятся:

повреждение и разрушение зданий, дорог, линий электропередач и связи, мелиоративных систем;

гибель скота и порча сельскохозяйственных культур;

уничтожение и порча сырья, топлива, продуктов питания, кормов, удобрений и т.д.;

затраты на эвакуацию населения и перевозку материальных ценностей, смыв плодородного слоя и т.д.

К косвенному ущербу относятся:

расходы на приобретение и доставку средств первоочередного жизнеобеспечения, техники, материалов, кормов и т.д.;

сокращение объемов производства;

ухудшение жизни населения;

увеличение амортизационных расходов на содержание зданий и сооружений, попадающих в зону затоплений.

Поскольку предотвратить наводнения оперативными мерами нельзя (кроме наводнений, вызываемых разрушениями гидротехнических сооружений), то основной целью проводимых заблаговременно предупредительных мероприятий является уменьшение масштаба наводнения, снижения потерь и ущерба от него.

Затопление прибрежных территорий с находящимися на них населенными пунктами, хозяйственными объектами может наступить в результате разрушения гидротехнических сооружений: плотин, дамб, перемычек, расположенных выше по течению реки или системы ирригационных сооружений в орошаемых районах.

Наиболее опасно разрушение крупных плотин и дамб у водохранилищ, в результате чего возникает зона катастрофического затопления.

Плотины и дамбы являются гидротехническими сооружениями напорного фронта, создающими разницу уровней воды.

Отличительная особенность таких сооружений - образование волны прорыва при их разрушении и затопление значительных территорий местности.

При прорыве ГОО образуетсяпроран, через который происходит излив воды из верхнего бьефа в нижний и образование волны прорыва. Волна прорыва - основной поражающий фактор этого вида аварий.

Воздействие волны прорыва на объекты подобно воздействию воздушной ударной волны взрыва, но отличается от него тем, что действующим телом в этом случае является вода.

Разрушительное действие волны прорыва является результатом резкого изменения уровня воды в нижнем и верхнем бьефе при разрушении напорного фронта и воздействия потока, перемещающегося с большой скоростью изменения под действием прочностных характеристик грунта.

Масштабы чрезвычайных ситуаций при аварии на ГОО, сопровождающейся образованием волны прорыва, зависят от типа и класса гидротехнического сооружения напорного фронта, от вида аварии (от размеров и формы прорана), от параметров водохранилища и плотины (дамбы), от характеристик русла в нижнем бьефе, а также от топографических и гидрографических условий местности, подвергаемой затоплению.

Волной прорыва может быть разрушено большое количество зданий и сооружений, находящихся в зоне ее действия. Степень их разрушения зависит от высоты подъема уровня воды и скорости течения, а также от характеристик самого здания (сооружения) и его основания.

Чрезвычайные ситуации, возникающие в результате разрушения сооружений напорного фронта и характеризующиеся основным поражающим фактором - волной прорыва и, соответственно, катастрофическим затоплением местности, нередко сопровождаются вторичными поражающими факторами:

пожарами - вследствие обрывов и короткого замыкания электрических кабелей и проводов;

оползнями, обвалами - вследствие размыва грунта;

инфекционными заболеваниями - вследствие загрязнения питьевой воды, продуктов питания, подтопления канализационных вод, подвальных и заглубленных сооружений и др.

Причины аварий, сопровождающихся прорывом гидротехнических сооружений напорного фронта и образованием волны прорыва, могут быть различны, но чаще всего такие аварии происходят по причине разрушения основания сооружения и недостаточности водосбросов (таблица 2.6).

Таблица 2.6

Частота различных причин аварий гидротехнических сооружений,

сопровождающихся образованием волны прорыва

Опасности, возникающие в результате перемещения воздушных потоков и переносимых ими водных масс с выпадением осадков, наносят значительный вред экономике и людям, а риск их реализации во многом складывается из величины давления над территориями, вдоль которых они перемещаются.

Причиной перепадов давления в атмосфере является, в основном, неравномерное распределение солнечной энергии по поверхности Земли. Уже при разнице давления в 2,5 мм Hg начинается перемещение воздуха. Главные формы движения воздушных масс - это воздушные потоки и ветер.

Воздушные потоки - вертикальные перемещения воздушных масс, возникающие из-за вертикальной гравитационной неустойчивости, когда более легкий воздух оказывается ниже тяжелого.

В результате возникают конвективные движения(конвекция):подъем легкого нагретого воздуха вверх и поток холодного воздуха вниз.

Вихрь — атмосферное образование с вращательным движением воздуха вокруг вертикальной или наклонной оси (ГОСТ Р 22.0.03-95).

Ветер представляет собой движение воздуха преимущественно в горизонтальном направлении из области высокого давления в область низкого давления под действием гравитационных сил. Его скорость пропорциональна величине градиента давления: чем больше градиент, тем больше скорость. Такие перемещения воздушных масс называютадвекцией.

Нагретый над каким-либо участком поверхности Земли воздух увеличивается в объеме, разуплотняется и поднимается вверх (конвекция). Дойдя до достаточно высоких слоев тропосферы, он растекается, количество его здесь уменьшается, и над местом с повышенной температурой, где идет восходящий ток воздуха, возникает область пониженного давления. В том же месте, куда устремляется воздух, растекающийся по высоким слоям тропосферы, количество его возрастает, и образуется зона повышенного давления.

Вдоль поверхности Земли воздух перемещается из области высокого давления в область низкого давления и образуется ветер. Тот воздух, который ушел из области высокого давления в результате ветра, восполняется нисходящим потоком. Поднимаясь, воздух попадает в те слои атмосферы, где давление ниже. Он расширяется, вследствие чего - охлаждается (адиабатический процесс). При охлаждении воздуха возрастает его относительная влажность.

При охлаждении воздух приближается к точке насыщения и часто достигает ее - образуются облака, могут выпадать осадки. При нисходящем движении воздуха ситуация обратная: попадая в плотные слои, воздух сжимается, нагревается и удаляется от точки насыщения, отсюда при нисходящих потоках воздуха относительная влажность низкая, небо безоблачно.

Характерной особенностью континентальных территорий являются туманы, возникающие в результате выхолаживания воздуха в ночное время, а также зимой и, таким образом, являются чаще всего радиационными. В зимнее время на суше нередки также адвективные туманы, сопровождающиеся вторжением теплых воздушных масс. Последствия туманов в основном складываются из ограничения видимости на местности, что является предпосылкой к авариям и катастрофам при движении всех видов транспорта.

Метеорологические процессы, приводящие к ливневым и обложным осадкам, существенно различаются между собой.

Выпадение обложных осадков связано с псевдоадиабатическим охлаждением, когда вся влага конденсируется при температуре насыщения и выпадает в виде осадков. Сильные дожди в виде ливней выпадают за счет накопившейся в облаке влаги. В этом случае вертикальная скорость потоков воздуха в облаках на порядок больше (до 60 м/сек), чем в случае развития обложных осадков. Эти потоки препятствуют выпадению дождевых капель, что, наряду с процессом распада капель, приводит к накоплению большого количества жидкой влаги в так называемой зоне аккумуляции, располагающейся на высоте уровня максимальных вертикальных скоростей. По мере накопления жидкой влаги восходящие потоки тормозятся. Накопившаяся влага обрушивается, и возникают сильные дожди в виде ливней, вторичные факторы от которых приводят к значительным последствиям, наносят большой материальный ущерб экономике и населению.

Образование града происходит при встрече теплых и холодных воздушных масс, перенасыщенных влагой, за счет слияния водяного пара (облачной составляющей) с переохлажденными каплями воды, при этом сублимация водяного пара играет второстепенную роль. Наиболее благоприятна для роста града температура воздуха в переохлажденной части облака от минус 10 до минус 25ºС. Зона зарождения и роста града в облаке формируется в области сильных восходящих потоков, скорость которых может достигать 30 м/сек и более. Для выпадения града необходимо, чтобы температура на верхней границе облака (на уровне конвекции) и скорость восходящих конвективных движений способствовала кристаллизации водяных капель, а зона аккумуляции располагалась в области переохлажденных капель.

Кроме глобального перемещения огромных масс воздуха, происходят многообразные движения меньшего масштаба, связанные с разными причинами: неравномерным распределением на Земле материков и океанов, сложными очертаниями материков, наличием рельефа и другими факторами. Именно с движениями такого масштаба связано формирование воздушных вихрей разных размеров и энергетических классов, образование дождевых и грозовых облаков и т.п., т.е. процессов, отвечающих за состояние атмосферы, а точнее, тропосферы в данный момент в данном месте. Это состояние и называетсяпогодой.

Перепады атмосферного давления в горизонтальном направлении приводят к перемещению воздушных масс из областей с высоким давлением к областям с низким давлением. Обширные, диаметром в несколько сотен, а то и тысяч километров, области пониженного и повышенного давления, называемые соответственноциклонамии антициклонами, могут создаваться в связи с неравномерностью прогрева поверхности Земли, занятой материками и океанами.

Кроме того, на процесс формирования таких областей существенное влияние оказывает влажность воздуха.

В циклонах ветры направлены к центру, но под действием ускорения Кориолиса, связанного с вращением Земли, они отклоняются в северном полушарии по направлению против часовой стрелки, в южном - по часовой. Таким образом, при наличии центров низкого и высокого давлений с окружающими их замкнутыми изобарами, вокруг этих центров образуются круговые (вихревые) потоки воздуха. Они представлены вихрями различных размеров. В вихре, вращающемся вокруг центра низкого давления, воздух смещается к центру, при этом скорость ветра увеличивается.

Наиболее опасным явлением в этом случае является смерч, возникающий на относительно ограниченной территории в короткие сроки и имеющий огромную разрушительную силу.

Смерч – это очень сильно вращающийся высокий, узкий столб воздуха около 100 м в диаметре, который распространяется до Земли от кучевообразного облака.

Смерчи представляют особую опасность ввиду неожиданного характера образования, небольшой продолжительности и большой разрушительной силе. (рис. 2.3). Такие процессы могут привести к гибели людей и значительным материальным разрушениям.

Рис. 2.3. Схема образования смерча

Сильные (штормовые) ветры относятся к локальным атмосферным явлениям и возникают внезапно (чаще всего после полудня), кратковременны (в одном месте наблюдаются в течение нескольких минут) и охватывают сравнительно небольшие площади (от нескольких десятков до сотен квадратных метров). Ураганные и шквальные ветры представляют собой результат действия сложного механизма взаимодействия атмосферных процессов всех масштабов, который приводит к накоплению больших запасов потенциальной энергии воздушных масс в тропосфере, переходящей за сравнительно короткий срок в кинетическую энергию движения большой массы воздуха.

Шквалом называется резкое усиление ветра с изменением его направления в течение короткого времени. Скорость ветра при шквале нередко достигает 25-30 м/сек., что намного превышает скорость обычного градиентного ветра.

Максимальные повторяемости сильных ветров наблюдаются в послеполуденные и вечерние часы суток. Шквалы всегда связаны с развитием активной конвекции и часто сопровождаются осадками интенсивностью более 20 мм/12 часов и градом.

Выпадение ливневых осадков вызывает интенсивные нисходящие движения. Нисходящий поток воздуха с верхних уровней, на которых ветер слабее, переносит вниз некоторое количество движения и кинетической энергии. Этот воздух, попадая в нижние слои, тормозится из-за трения о земную поверхность и столкновения с теплыми воздушными массами, лежащими перед фронтом. В результате образуется ветровой вал, направленный в сторону движения грозового очага.

С кучевыми облаками часто связаны осадки в виде дождя или снега, но более разнообразные и интенсивные атмосферные процессы бывают связаны с грозовыми тучами.

Гроза — атмосферное явление, связанное с развитием мощных кучево-дождевых облаков, сопровождающееся многократными электрическими разрядами между облаками и земной поверхностью, звуковыми явлениями, сильными осадками, нередко с градом (ГОСТ Р 22.0.03-95).

При определенных условиях из облаков выпадают осадки в виде дождя, снега или града.

Град — атмосферные осадки, выпадающие в теплое время года, в виде частичек плотного льда диаметром от 5 мм до 15 см, обычно вместе с ливневым дождем при грозе (ГОСТ Р 22.0.03-95).

Дождь выпадает из слоисто-дождевых и кучево-дождевых облаков. В первом случае дождь обычно идет долго - часами, а то и целые сутки, временами почти прекращаясь, затем снова усиливаясь. Во втором - дождь, как правило, имеет характер кратковременного (десятки минут) интенсивного ливня. Радиусы дождевых капель у земной поверхности оказываются в пределах примерно от 0,02 см (мелкий дождик из слоисто-дождевого облака) до 0,5 см (сильный ливень из грозовой тучи).

Основными факторами опасности при столкновении теплых и холодных масс в атмосфере являются сильные ветры и интенсивные осадки. Разрушительная способность ветра зависит от его скорости. Она выраж