Применение элементов техноценологического подхода к оценке состояния объектов при длительном подтоплении застроенных территорий

Применение элементов техноценологического подхода к оценке состояния объектов при длительном подтоплении застроенных территорий

Е.В. Арефьева, д. т. н., доцент

ФГБОУ ВПО " Академия гражданской защиты МЧС России"

При длительном подтоплении застроенных территорий возможно развитие негативных процессов, таких как оползневые, карстовые, суффозионные и другие, а также — снижение несущей способности грунтов оснований сооружений. При подтоплении на 30% снижается эксплуатационная надежность зданий и сооружений. Выявление тенденций изменения состояний зданий и сооружений, учет потенциального ущерба и значимости объектов создает основу для рационального планирования предупредительных и защитных мероприятий, а также для производства ремонтных работ, повышающих эксплуатационную надежность объектов. В статье предложена методика определения комплексного RS - показателя, учитывающего текущее состояние объекта (износ, его подтопленность, наличие трещин и т. д.), а также возможный потенциальный ущерб и «значимость» объекта. Применены также элементы техноценологического подхода для ранжирования объектов по потенциальному ущербу и значимости объекта, что позволяет рационально распределить ресурсы при выполнении предупредительных мероприятий.

Техноценологический подход разработан Кудриным Б. И. для анализа электроэнергетической эффективности предприятий регионов, отрасли. Техноценоз — это ограниченная в пространстве и времени взаимосвязанная совокупность далее неделимых технических объектов, объединенных слабыми связями. Взаимосвязанность объектов обусловлена единством целей функционирования техноценоза, достижимых с помощью общих систем управления, обеспечивающих стабильность функционирования и развития. Застроенная территория представляет собой техно-природную систему (ТПС), в которой техническая и природная компонента находятся в тесной взаимосвязи и взаимообусловленности. Наиболее подвижная часть ТПС — подземная гидросфера, изменение режима функционирования которой влечет за собой изменения в системах «грунт, основание сооружения — фундамент здания». Застроенная территория представляет собой техноценоз, где объекты техноценоза (здания и сооружения) взаимосвязаны и взаимообусловлены. Аварии в водонесущих коммуникациях, обильные ливни способствуют изменению режима грунтовых вод обусловливают инициацию неблагоприятных процессов как локально, так и на всей застроенной территории. Поэтому своевременное выявление подтопленных районов, объектов ТПС с учетом их потенциального ущерба, значимости объектов, позволяет предупредить и снизить риск возникновения аварий и чрезвычайных ситуаций и повысить надежность функционирования объектов и всей ТПС в целом.

Основой техноценологического метода является представление статистических данных в виде рангового распределения по какому-либо параметру. Например, в данной работе, ранжирование выполнено по параметру потенциального ущерба, возможно выполнить и по другим информационным показателям структурной сложности техноприродной системы, определяющим функционирование и развитие региона. Потенциальный ущерб отдельного объекта в рамках техноценологического подхода рассматривается не изолировано, а в связи с другими объектами.

Методика рангового распределения состоит в следующем: в техноценозе (застроенная территория) выделяются элементы (объекты: здания, сооружения) и исследуемый параметр (например, потенциальный ущерб при возможной чрезвычайной ситуации или аварии). Объекты ранжируются в порядке убывания величины потенциального ущерба. Первый ранг присваивается объекту с максимальным потенциальным ущербом и высокой значимостью. Построение рангово — параметрических распределений осуществляется на основе статистических данных потенциального ущерба объектам техносферы.

На графиках — по оси абсцисс откладывается ранг объекта, а по оси ординат — потенциальный ущерб. Объекты, представляющие высокую ценность и значимость (в т. ч. критически важные объекты) имеют ранги, близкие к первому рангу, а с увеличением х (ось абсцисс) — ранги уменьшаются.

Ранговое распределение задается законом [2]:

W (r) = W₁/ r^в (1)

r — ранг объекта; W_{1 -} максимальная величина потенциального ущерба; в — характеристический показатель, определяющий степень крутизны Н — распределения.

В работах [2,3] показано, что показатель в изменяется в пределах 1,36ч2,2. На рисунке 1 приведено ранговое распределение 30 объектов г. Волгодонска по потенциальному ущербу. Номера объектов распределены по рангам, значения нормированного ущерба приведены в таблице 1.

Дальнейшая обработка данных — это аппроксимация ранговых распределений, т. е. нахождение аналитической зависимости, аппроксимирующей кривую эмпирического распределения.

Рис. 1 Ранжирование объектов по потенциальному ущербу. Ось абсцисс — ранги объектов; ось ординат — потенциальный ущерб, (тыс. руб. в ценах 1990 г.)

Элементы техноценологического подхода целесообразно применять для анализа динамики ущербов по различным видам чрезвычайных ситуаций (природные, техногенные, социальные и др.) и по отдельным регионам. Результаты данного анализа можно использовать для прогноза возможных ущербов в результате ЧС, структурированных по видам ЧС и регионам. Это тема отдельной статьи. В данной работе рассмотрим ранжирование объектов для рационального планирования предупредительных мероприятий при длительном подтоплении застроенных территорий на основе методики, предложенной в работе.

Для рационального планирования предупредительных мероприятий необходимо учитывать не только потенциальный ущерб и значимость объекта, но и его текущее состояние. Для ранжирования объектов необходим одновременный учет таких критериев состояния объекта, как износ объекта, подтопленность, наличие трещин, осадок здания и потенциального ущерба, для чего вводится векторный RS — показатель, который графически отображается на RS — плоскости (ось абсцисс отражает распределение ущербов (S), а ось ординат — распределение R-показателя состояния объектов) (см. рис. 2).

По результатам визуальных наблюдений и данных геотехнического и технического мониторинга определяются значения частных R-показателей (положение уровня грунтовых вод относительно заглубленных помещений, неравномерных осадок оснований фундаментов, раскрытия трещин, износа зданий). Деформации прогиба, выгиба, перекоса зданий и сооружений часто вызываются неравномерными осадками фундамента и различными значениями модулей деформации грунтов под разными участками зданий, возникшими вследствие структурной неоднородности грунтов оснований сооружений и различной реакцией на воздействия грунтовых вод при подтоплении. По месту расположения трещин в стенах здания можно судить о видах деформации зданий. Так, при прогибе трещины концентрируются у фундамента и расширяются книзу. Известно, что при выгибе трещины образуются в карнизе, их количество и раскрытие уменьшается книзу. При изгибе стены (в ее плоскости) вследствие неравномерных осадок возникают трещины, которые имеют форму параболы. Не исключено возникновение деформаций вследствие деформаций некачественно выполненных конструкций здания, нарушения эксплуатационных требований. При этом подтопление и воздействие агрессивной среды на основания фундаментов значительно усиливает такие деформации.

R - показатель является линейной комбинацией частных показателей (R₁,R₂, R₃, R₄) с весовыми коэффициентами k_i, которые назначаются экспертами:

(2)

где k_{i -} весовые коэффициенты; R_{i -} определяемый в результате наблюдений или прогнозных расчетов, параметр для каждого объекта, отнесенным по степеням-градациям опасного состояния: малоопасный (), опасный (), весьма опасный (); при этом, R₁ — показатель, отражающий подтопленность объекта; R₂ — показатель осадок оснований фундаментов; R₃ — показатель раскрытия трещин в стенах объекта; R₄ — показатель, характеризующий состояние износа объектов. Значение каждого частного критерия () нормируется в диапазоне [0,1] и определяется с использованием таблицы признаков деформаций и определяется по соотношению:

(3)

где P_{fact -} фактическое значение параметров по результатам наблюдений; P_{tabl, sr -} среднее табличное значение данного параметра; Д_int — величина табличного интервала для данного показателя, определенного по стандартным значениям классификационных признаков деформаций; Д₀ — начальное значение интервала в таблице признаков деформаций зданий и сооружений.

Весовые коэффициенты k_i могут быть установлены экспертным путем. В зависимости от степени значимости того или иного параметра численные значения k_i могут изменяться в интервале [0,1]. Эксперты осуществляют ранжирование факторов, влияющих на состояние здания, при этом ранг фактора определяется по правилу: «0», «0,5» или «1». Составляется матрица факторов:

Если по мнению эксперта фактор, фактор в строке важнее фактора в столбце, то на пересечении строки и столбца ставится 1; если это менее важный фактор, то ставится 0; если равнозначные факторы, то ставится 0,5. При этом заполняется только верхний диагональный треугольник матрицы, а нижний — заполняется зеркально.

Весовые коэффициенты определяются следующим образом: определяется сумма по каждой i-й строке

,

Затем складываются все суммы в столбце сумм строк, т. е.

,

подтопление застроенная территория техноценологический, а весовой коэффициент определяется как отношение суммы чисел в каждой строке к общей сумме сумм строк:

/,

Сумма всех весовых коэффициентов вна 1.

Основные мероприятия должны быть направлены для предупреждение аварий по тем направлениям (факторам), весовые коэффициенты которых имеют большие числовые значения. Мероприятия, направленные на улучшение показателей, весовые коэффициенты которых минимальны, не принесут должного эффекта.

Таблица 1

Результаты расчётов R-показателей и определение совокупного RS — показателя для 30 объектов г. Волгодонска

В данном случае (см. табл. 1), факторы принимаются равнозначными и поэтому весовые коэффициенты все равны 0,25. В соответствии с вычисленными показателями R и S, строится график (см. рис. 2). Ось абсцисс отражает распределение ущербов (S), а ось ординат — распределение R-показателя состояния объектов техносферы при подтоплении. Показатели R и S нормированы от 0 до 1. Полученный квадрат условно разбит на 9 равных квадратов (см. рис. 2), в соответствии со степенями состояния объекта при подтоплении (R) и значениями потенциальных ущербов (S). Объекты, значения RS — показателей которых попали в правый верхний квадрат, нуждаются в первоочередных мерах защиты, т.к. характеризуются неудовлетворительным состоянием объекта линии и большим потенциальным ущербом.

На основе вычисленных RS — показателей для объектов вычисляются усредненные показатели для районов. Усредненный RS — показатель района рассматриваемой территории по RS-показателям объектов, расположенных в данном районе определяется по формулам:

(4)

Рис. 2. — Графическая иллюстрация числовых значений RS-показателей для объектов и районов г. Волгодонска. RS-показатели объектов, отражающие состояние объекта техносферы при подтоплении, его потенциальный ущерб: без цифр отображены RS — показатели объектов, а цифрами отмечены усредненные RS — показатели районов города по объектам.

Для определения количественного показателя, характеризующего ущерб и состояние объекта можно рассматривать показатель Z, определяемый по формуле (параметры R, S_n определены в таблице 1) и может рассматриваться как радиус — вектор на RS — плоскости:

Z = (R²+ S_n²) ^0,5

Так, объекты с номерами 18, 24, 21, 22 нуждаются в первоочередных мерах предупреждения аварий, т.к. имеют высокий потенциальный ущерб и находятся в плохом состоянии.

Рис. 3. — График зависимости показателя Z (S,R) для объектов г. Волгодонска; на оси абсцисс отображены значения показателя Z, на оси абсцисс — номера объектов в соответствии с таблицей 1.

Данный показатель позволяет построить распределение объектов по числовым значениям параметра Z для рассматриваемых объектов. В таблице 2 приведено распределение рассматриваемых объектов по Z, нормированному в пределах от 0 до 1.

Таблица 2

Распределение объектов по показателю Z

На рисунке 4 — представлена графическая интерпретация полученного распределения.

Рис. 4 Распределение объектов по показателю Z; по оси абсцисс — номер интервала; по оси ординат — частота, т. е. число объектов по данному показателю попавших в данный интервал (см. таблицу 2).

При большем количестве объектов, распределение по показателю Z, будет приближаться к нормальному. Такое распределение позволяет рационально составлять смету для ремонтных, предупредительных работ и оптимально планировать мероприятия для обеспечения безопасной эксплуатации объектов и застроенной территории.

Выводы

1. Применение элементов техноценологического подхода дает математический инструмент, позволяющий рассмотреть структуру потенциального ущерба в случае чрезвычайных ситуаций застроенной территории, что позволяет рационально планировать мероприятия по снижению риска ущербов при ЧС.

2. Использование векторного RS — показателя позволяет рационально планировать мероприятия по предотвращению аварий и ЧС на потенциально и фактически подтопленных территориях, отслеживать динамику улучшения показателей в результате проведенных предупредительных, защитных и др. мероприятий.

3. Разработана методика оценки состояния и ранжирования объектов при потенциальном и фактическом подтоплении на основе разработанного векторного RS-показателя объекта (территории) при подтоплении с учетом потенциального ущерба. Определен показатель Z, как радиус-вектор RS — показателя, позволяющий по одному количественному показателю выявлять объекты, нуждающиеся в первоочередных мерах защиты, а также составлять рациональную смету для проведения предупредительных мероприятий.

1. Арефьева Е.В. Оценка территориальной безопасности при подтоплении. — Москва: Изд-во АГПС МЧС России. — 2008. — 101 с.

2. Кудрин Б.И. Введение в технетику. — Томск: Изд-во ТГУ, 1993. — 552 с.

3. Гнатюк В.И. Закон оптимального построения техноценозов: компьютерная монография / М.: Изд-во ТГУ — Центр системных исследований. 2005, 2011. — http://gnatukvi.ru/ind.html.

4. Ройтман А.Г. Деформации и повреждения зданий. — М.: Стройиздат, М., 1987. — 159 с.