КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

ВИННИЧЕНКО ОЛЕНА БОРИСІВНА

УДК 550.34:621.039.58

ВПЛИВ ПРИРОДНИХ І ТЕХНОГЕННИХ ПРОЦЕСІВ

НА ПОТЕНЦІЙНО НЕБЕЗПЕЧНІ ОБ’ЄКТИ.

СЕЙСМІЧНИЙ РИЗИК

04.00.22 – Геофізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата геологічних наук

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка

Науковий керівник: доктор геологічних наук, професор

Вижва Сергій Андрійович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, завідувач кафедри геофізики

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Бугаєвський Геннадій Миколайович, Національна академія природоохоронного та курортного будівництва Міністерства освіти та науки України, завідувач кафедри механіки та сейсмостійкості споруд, м. Сімферополь

кандидат геолого-мінералогічних наук,

Тяпкін Олег Костянтинович, Інститут проблем природокористування та екології НАН України,

завідувач відділу антропогенних змін геологічного середовища,

м. Дніпропетровськ

Провідна установа: Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України, м. Київ

Захист відбудеться “28” листопада 2005 р. о 14.30 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.32 Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 03022, м. Київ, вул. Васильківська, 90.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий “18” жовтня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.001.32

кандидат геолого-мінералогічних наук, доцент А.В. Сухорада

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблеми безпеки, аналізу та зниження ризику охоплюють всі види техногенної діяльності та катастрофічні природні явища, серед яких одним із найнебезпечніших є землетруси. До 40% території України можуть бути охоплені безпосереднім впливом сейсмічних подій. Сейсмічний ризик є ймовірнісною мірою сейсмічної небезпеки і відповідних збитків від можливих землетрусів для конкретного об’єкта (території) за визначений період часу. На території України деякі потенційно небезпечні об’єкти, що знаходяться в експлуатації, були запроектовані без детального врахування відповідних геолого-геофізичних характеристик територій їх розміщення. За даними Міжнародного агентства з атомної енергії (МАГАТЕ) подібна ситуація спостерігається також на ряді енергетичних об'єктів країн Східної Європи. Визнаючи неминучість існування потенційно небезпечних об’єктів, актуальною для мінімізації впливу можливих землетрусів є розробка методики аналізу та оцінювання сейсмічного ризику.

Перші роботи, присвячені проблемі сейсмічного ризику з’явилися в 70-х роках ХХ сторіччя (Р. Уитмен, С. Корнелл, 1976). Важливі результати були представлені Г. Коффом у 1990-96 рр. та А. Рагозіним у 1993-94 рр. Значний внесок у теорію та практику оцінювання сейсмічного ризику належить дослідженням В.Г. Алказа (для Республіки Молдова). Для територій розміщення атомних електростанцій (АЕС) України аналіз та визначення рівнів сейсмічного ризику не проводилися. Результати щодо визначення сейсмічної небезпеки, як складової частини сейсмічного ризику територій розміщення АЕС України, належать О.М. Харитонову, Б.Г. Пустовітенко, О.В. Кендзері, В.Д. Омельченку, О.М. Сафронову та іншим.

Забезпечення сталого розвитку України неможливе без дослідження безпеки територій розміщення потенційно небезпечних об’єктів, складовою якої є сейсмічний ризик, аналізу можливих джерел ризику, шляхів та наслідків розвитку ризикових явищ. У зв’язку з цим в даній роботі представлена розроблена автором методика аналізу та оцінювання сейсмічного ризику територій для розміщення майданчиків потенційно небезпечних об’єктів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано на кафедрі геофізики Київського національного університету імені Тараса Шевченка в рамках держбюджетних тем “Розробка нових геофізичних технологій пошуків родовищ корисних копалин, геофізичного моніторингу небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища” (держ. реєстр.№0101U002769) і „Розробка системи моніторингу та методичних засад комплексної оцінки стану геологічного середовища для створення моделей функціонування природно-техногенних систем” (держ. реєстр.№0105U001528).

Метою роботи є наукове обґрунтування, розробка та реалізація комплексного підходу до аналізу та оцінювання сейсмічного ризику територій розміщення потенційно небезпечних об’єктів України (на прикладі АЕС) для забезпечення довгострокових термінів функціонування діючих та вибору місць розміщення нових майданчиків.

Основні завдання дослідження. Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі задачі.

Узагальнення та аналіз існуючих підходів до визначення оцінки сейсмічної небезпеки територій розміщення АЕС України.

Дослідження складових частин сейсмічного ризику.

Розробка моделей врахування сейсмічного ризику потенційно небезпечних територій та об’єктів із застосуванням методів ризик-аналізу, ймовірнісного аналізу безпеки, контролю за станом літотехнічної системи.

Розробка методики аналізу сейсмічного ризику територій розміщення потенційно небезпечних об’єктів України (на прикладі АЕС).

Об’єктом наукового дослідження є літотехнічна основа територій розміщення потенційно небезпечних в екологічному відношенні об’єктів України.

Предметом дослідження є методичні аспекти визначення сейсмічного ризику територій розміщення АЕС України.

Методи дослідження: Для досягнення поставленої мети автор використовував методи та принципи системного аналізу, теорії прийняття рішень, ризик-аналізу, ймовірнісного аналізу безпеки та сучасні інформаційні технології, що дозволило виробити комплексний підхід до аналізу та оцінювання сейсмічного ризику потенційно небезпечних об’єктів України.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше на основі системного підходу побудовані та обґрунтовані моделі управління сейсмічним ризиком із застосуванням методів ймовірнісного аналізу безпеки, ризик-аналізу та теоретичних основ створення моніторингу літотехнічної системи об'єкта.

Вперше в сукупності розглянуті складові сейсмічного ризику для АЕС, розміщених на території України: природна сейсмічна небезпека; техногенна надійність середовища існування; можливість попередження про землетрус; готовність населення та офіційних органів влади до сейсмічної дії.

Розроблено оригінальну методику аналізу сейсмічного ризику для територій розміщення потенційно небезпечних об’єктів, на прикладі АЕС України.

Проведена апробація методики аналізу сейсмічного ризику та оцінювання впливу природних і техногенних процесів на модельних прикладах для конкурентних майданчиків АЕС України.

Практичне значення одержаних результатів. Результати дисертаційної роботи мають практичну цінність для визначення оцінки сейсмічного ризику території розміщення потенційно небезпечних об’єктів, зменшення можливих економічних, соціальних та екологічних втрат у випадку прояву ризикових явищ, зокрема для забезпечення довгострокової безпеки населення, підвищення безпеки функціонування, визначення можливості та доцільності розміщення нових енергетичних об’єктів, збереження довкілля.

Практичне значення результатів роботи полягає у можливості використання розроблених методики та моделей для геофізичного, зокрема сейсмічного моніторингу територій розташування потенційно небезпечних об’єктів, великих промислових агломерацій.

Особистий внесок автора. Основні результати, викладені в дисертаційній роботі, отримані автором особисто [2, 4, 10]. У роботах [1, 3, 6-9], виконаних разом з Вижвою С.А., автору належить безпосередня участь у постановці задачі, обробці та аналізі результатів досліджень та висновках. У роботах [5, 11], виконаних разом з Качаліним І.Г., дисертанту належать ідея та безпосередня участь у постановці задачі, підготовці висновків.

Апробація результатів дисертації. Матеріали за темою дисертації були представлені на ІV науково-технічній конференції “Будівництво в сейсмічних районах України” (Ялта, 1999); І-ІІІ міжнародних наукових конференціях “Геофізичний моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища” (Київ, 2000-2002); ІV-V міжнародних наукових конференціях “Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища” (Київ, 2003-2004).

Публікації. За темою дисертації автором опубліковано 11 наукових праць, у тому числі 5 статей у фахових наукових журналах і збірниках наукових праць, 6 доповідей на міжнародних та науково-технічних конференціях.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел із 140 найменувань. Загальний обсяг - 151 сторінка, включаючи 136 сторінок тексту, 40 рисунків, 8 таблиць.

Автор висловлює щиру подяку науковому керівнику доктору геологічних наук, проф. С.А. Вижві за постійну увагу і допомогу в проведенні дослідження та цінні зауваження. Також автор висловлює подяку заступнику директора Інституту геофізики імені С.І. Субботіна НАН України, канд. фіз.-мат. наук О.В. Кендзері та начальнику відділу геофізики Київського інституту інженерних вишукувань і досліджень “Енергопроект” К.П. Іванченко за допомогу і консультації при постановці та вирішенні задачі визначення критеріїв оцінювання сейсмічної небезпеки територій розміщення АЕС України; зав. кафедрою математичних методів еколого-економічних досліджень факультету кібернетики Київського національного університету імені Тараса Шевченка, канд. фіз.-мат. наук В.А. Заславському за консультації під час побудови моделей врахування сейсмічного ризику з використанням теорії ризик-аналізу та змістовні зауваження; в.о. начальника відділу геофізики Київського інституту інженерних вишукувань і досліджень “Енергопроект” С.І. Дейнеко за надані матеріали з геофізичного моніторингу територій розміщення потенційно небезпечних об’єктів; начальнику науково-дослідного відділу Головного центру спеціального контролю Національного космічного агентства України І.Г. Качаліну за допомогу у практичній реалізації окремих етапів методики аналізу сейсмічного ризику.

У роботі використані дані геолого-геофізичних та сейсмологічних досліджень Інституту геофізики імені С.І. Субботіна Національної академії наук України, Київського інституту інженерних вишукувань та досліджень “Енергопроект” та Головного центру спеціального контролю Національного космічного агентства України.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, вказано її важливість та спрямованість, визначено мету дослідження, сформульовано завдання, предмет та об’єкт дослідження, а також розкрито наукову новизну, теоретичну та практичну цінність, загальну характеристику роботи.

Перший розділ. На сьогодні проблема дослідження та оцінювання природних ризиків включає такі фундаментальні наукові задачі: прогнозування небезпечних природних процесів та явищ; моделювання механізму їх розвитку; оцінювання безпеки населення та стійкості інфраструктури під час дії ризикових явищ; розробку методів управління ризиками.

Визначено, що тенденції розвитку природних небезпек полягають у зростанні кількості природних катастроф, збільшенні соціальних та матеріальних збитків, залежності захищеності населення та техносфери від соціально-економічного рівня розвитку суспільства. Вразливість людей та об’єктів (фізична, економічна, соціальна та екологічна) характеризує властивість будь-яких об’єктів соціальної та матеріальної сфер (елементів ризику) в повному обсязі або частково втрачати здатність до виконання своїх природних чи заданих функцій в результаті прояву ризикового явища або процесу. Центральне місце в сучасній стратегії боротьби з ризиковими явищами посідає розробка науково-обгрунтованих технологій аналізу та оцінювання природних ризиків, що дозволяє вирішити комплекс життєво важливих проблем сталого розвитку суспільства. Як свідчать факти статистики, в сукупності АЕС, гідроелектростанції, дамби, термінали з паливними та хімічними речовинами, газо- та нафтопроводи, шахтні розробки, підприємства, де застосовують технології з використанням радіоактивних матеріалів, становлять найбільшу потенційну загрозу для населення України в разі порушення їх нормального функціонування. Процентне відношення населення України, яке знаходиться в зоні можливого ураження хімічно-небезпечних об'єктів, складає 9%, вибухо- та пожежонебезпечних – 1%, у зоні АЕС – 61,7%, загалом по Україні – 71,7% (Кальченко В.М., 1997). Ймовірність виникнення техногенних надзвичайних ситуацій, спричинених природними ризиковими явищами, зростає внаслідок високого рівня зношеності основних фондів, що в промисловості перевищує 48% (для машин і обладнання – 60%) (Бутрим О.В., 1998). Кошти, що виділяються на заходи з попередження та ліквідації наслідків дії ризикових явищ дуже обмежені із-за відсутності системного підходу до вирішення цієї проблеми.

У зв’язку з тим, що на сьогодні Україна експлуатує 4 АЕС з 15 енергоблоками, а одна АЕС виводиться з експлуатації, на прикладі АЕС, як потенційно небезпечного об’єкта з різними стадіями життєвого циклу, проведено аналіз вимог та рекомендацій щодо визначення сейсмічної небезпеки територій їх розміщення з точки зору нових даних про сейсмотектонічну активність платформ та уточнення даних сейсмічного районування. Відповідно Стратегії розвитку паливно-енергетичного комплексу до 2030 р. в Україні буде збільшено планове виробництво електроенергії на АЕС шляхом як спорудження блоків, що будуть заміщувати існуючі на майданчиках діючих станцій, так і освоєння нових майданчиків. Під час вибору території для розміщення майданчика АЕС розглядають чинники, що можуть вплинути на її безпеку. Оскільки територія України може бути охоплена безпосереднім впливом сейсмічних подій, то під час вибору території для розміщення майданчика АЕС потрібно враховувати рівень сейсмічного ризику. З огляду на це важливими є дані про:

інструментально зареєстровані та історичні землетруси, палеоземлетруси;

схеми розміщення геодинамічних зон та зон розривних порушень;

наявність активних розломів;

параметри геодинамічної активності розломів та інших активних тектонічних структур;

амплітуди, швидкості та градієнти новітніх та четвертинних диференційованих рухів земної кори;

параметри зон виникнення осередків землетрусів (ВОЗ).

Для кожної АЕС проводиться оцінювання двох рівнів небезпечних рухів ґрунту з розрахунку проектного землетрусу (ПЗ), визначеного як сейсмічний рівень SL1, та максимально розрахованого (МРЗ), як сейсмічний рівень SL2. Обладнання та системи АЕС поділені на 4 сейсмічні категорії за їх важливістю в системі безпеки.

Порівняльна характеристика карти сейсмічного районування ОСР-78 з картою ОСР-97-Д, що розроблена та впроваджена в Російській Федерації для розміщення особливо відповідальних об'єктів, показує, що Чорнобильська АЕС знаходиться на межі 5-6 бальної зони; Хмельницька та Рівненська АЕС - в 6 бальній зоні; Запорізька та Південно-Українська АЕС – на межі 7-8 бальної зони. Комплект нових карт сейсмічного районування ОСР-97 (Російська Федерація) дає, у багатьох випадках, вищі значення максимальної сейсмічної бальності, ніж це передбачалося на момент спорудження частини енергетичних об'єктів колишнього СРСР. Зміна величини очікуваної бальності є суттєвим критерієм під час визначення сейсмічного ризику. За результатами проведених Інститутом геофізики ім. С.І.Субботіна НАН України сейсмотектонічних досліджень встановлено, що на майданчиках усіх АЕС України можуть відбутися ПЗ з інтенсивністю сейсмічних впливів 5 балів і МРЗ - 6 балів за шкалою MSK-64 (Medvedev-Sponheuer-Karnik). Морозовим В.Н., Родкиним М.В., Татариновим В.Н. (2001 р.) було встановлено, що характер розподілу багатьох видів природних впливів такий, що в широкому часовому діапазоні варто очікувати нелінійного росту їх характерної величини, що важливо враховувати при оцінюванні сейсмічного ризику об'єктів з великим проектним терміном функціонування. З огляду на це потрібно розширювати на території України мережу режимних спостережень за сейсмічними подіями і пов’язаними з ними явищами для вивчення геодинамічної активності структур, попередження катастроф та запобігання їх наслідків шляхом забезпечення сейсмостійкого проектування потенційно небезпечних об’єктів, в т.ч. АЕС та сховищ радіоактивних відходів.

У роботі головна увага приділяється такому чиннику сейсмічного ризику для територій розміщення АЕС як підкорові землетруси зони Вранча в Румунії та землетруси Кримського півострова. Зазначено, що потенційно небезпечними є також сейсмічна активність, пов'язана з зосередженнями слабких землетрусів на території Східно-Європейської платформи (СЄП) та прилеглих до неї територій, а також непрямі сейсмічні ефекти, спровоковані землетрусами - зсуви, обвали, карстові явища, розущільнення та розповзання тіл гребель, дамб і насипів, тощо. Особливо вразливими для прямих і непрямих сейсмічних впливів є транспортно-комунікаційні інженерні мережі – шляхи, трубопроводи, лінії електропередач та наземного зв’язку, що в силу своєї природи і великої займаної території не можуть бути розміщені тільки в окремих, безпечних у сейсмічному відношенні місцях. Територія України характеризується складною інженерно-геологічною будовою з чіткою тенденцією до зростання негативних проявів небезпечних геологічних процесів, викликаних значним техногенним навантаженням, різким зменшенням обсягів робіт з інженерного захисту територій, будинків і споруд, а також відсутністю чіткого регулювання та координації заходів. Цим пояснюється необхідність розробки комплексного підходу до оцінки сейсмічного ризику на основі розуміння особливостей геодинамічного режиму і теоретичних уявлень про природу сейсмотектонічної активності. Враховуючи нестаціонарний характер прояву регіональної і локальної сейсмічності у просторі і часі, доцільним є запровадження постійних моніторингових досліджень сейсмічної ситуації на майданчиках потенційно небезпечних об’єктів. Це дозволить детальніше вивчити просторово-часові закономірності сучасної активізації тектонічних структур. Сейсмологічні дані, отримані в результаті досліджень, служитимуть вхідною інформацією на етапах аналізу та управління сейсмічним ризиком.

У другому розділі розглянуті сучасні підходи до забезпечення безпеки потенційно небезпечних об’єктів в аспекті їх сейсмічної вразливості. Гусельцевим А.С. та Пендиним В.В. (2002 р.) зазначено, що моніторинг в системі взаємодії АЕС з літосферою має бути спрямований на прогноз, визначення та виділення характерних властивостей певних процесів та ризикових явищ. При цьому необхідно враховувати:

- зміни стану літотехнічної системи (ЛТС) за період від проектування об’єкта та виявлення тенденцій їх розвитку, які важко спрогнозувати в разі майбутньої добудови, експлуатації, виведення з експлуатації, консервації та можливої подальшої розконсервації об’єкта;

- ймовірну загрозу в разі досягнення характеристиками ЛТС критичних значень;

- зміни вимог до складу та обсягів вхідних даних про стан ЛТС, закладених в проект об’єкта.

Особливістю складності та неоднозначності процесів, які відбуваються в ЛТС АЕС, є той факт, що обводнення майданчика справедливо вважається негативним, потенційно небезпечним інженерно-геологічним процесом для заглиблених споруд, до яких належать, наприклад, реакторне відділення, машинний зал та блочні насосні станції. На підставі цього автором запропоновано здійснювати контроль та управління станом ЛТС протягом всього життєвого циклу АЕС шляхом проведення комплексного моніторингу на основі постійно діючих мереж:

сейсмічного моніторингу майданчика і території розміщення;

моніторингу режиму підземних вод з метою забезпечення стабільності гідрогеологічних умов, що зумовлюють стійкість геологічного середовища;

інженерно-геологічного моніторингу геотехнічних параметрів ґрунтів основ;

контролю технічного стану споруд, будівель, комунікацій;

контролю радіаційного стану підземних вод на майданчиках та водозаборів господарського і питного водопостачання АЕС та сусідніх населених пунктів;

моніторингу інших забруднюючих факторів в ґрунті та підземних водах.

Використовуючи результати досліджень Гусельцева А.С., Пендина В.В., Маслова Б.П. (2000-2002 рр.) та алгоритми Гамбурцева А.Г., Берри Б.Л., (1993 р.) автором розроблено модель моніторингу за станом ЛТС майданчика АЕС для аналізу основних параметрів об’єкта та прийняття відповідних рішень щодо екологічної та економічної доцільності його функціонування. Проведення такого моніторингу дозволить своєчасно виявляти та аналізувати всі аспекти змін, в тому числі негативних. Для цього вирішуються такі завдання:

порівняння нормативно-технічної бази, що існувала на момент вибору майданчика та в період усього життєвого циклу об’єкта з чинною;

аналіз архівних та фондових матеріалів для оцінювання повноти та якості наявної інформації з метою відповідності вимогам до інженерно-геологічного та геоекологічного інформаційного забезпечення певного етапу життєвого циклу об’єкта;

розробка схеми діагностики стану ЛТС та оцінка складу й обсягів додаткової інформації;

розробка детального робочого плану додаткових досліджень та організації моніторингу ЛТС, розробка програми якості;

діагностика стану ЛТС за відповідною схемою на різних етапах життєвого циклу об’єкта;

визначення тенденцій у змінах стану ЛТС, визначення причин їх виникнення;

визначення характеристик ЛТС, які мають бути проконтрольовані, їх критичних рівнів;

визначення принципів організації моніторингу в конкретних інженерно-геологічних умовах;

розробка або уточнення рекомендацій щодо раціонального використання та охорони літосфери і безпечної експлуатації об’єкта.

На АЕС України здійснюється перший етап робіт з підвищення сейсмостійкості - додаткові дослідження сейсмічності майданчиків АЕС, що знаходяться в експлуатації. Попередні оцінки показали, що за умови реалістичного підходу до аналізу сейсмостійкості, врахування наявних консервативних запасів, демпфіруючих властивостей ґрунтів, реальних коефіцієнтів загасання конструкцій з використанням сучасних комп'ютерних кодів, будівельні конструкції, важливі для безпеки, можуть витримати сейсмічні навантаження, характерні для майданчиків АЕС України.

Методологія ризику, основу якої складає визначення наслідків та ймовірностей прояву ризикових явищ, широко застосовується в розвинутих країнах (США, Японія) під час вирішення комплексних питань безпеки. Під небезпекою розуміється джерело потенційної шкоди (загрози), а ризик є фактично мірою небезпеки. Аналіз ризику – процес ідентифікації небезпеки (виявлення та визначення характеристик), оцінювання ризику (визначення рівня небезпеки) для окремих осіб та населення, майна або довкілля та розробки рекомендацій по управлінню ризиком. Качинським А.Б. (1995 р.), Горобинським С.Б. (1999 р.), Тихомировим Н.Т. (2003 р.) розроблені детальні рекомендації щодо застосування методів аналізу ризику. Для території України найбільш значимими, з точки зору можливих негативних наслідків, є такі природні явища-загрози, як землетруси, паводки, зсуви, обвали, лавини, селі, ерозія, підтоплення територій, карсти тощо. Їх вплив є причиною погіршення якісних характеристик як ґрунтів, так і самих об’єктів, розміщених на територіях прояву загроз. Розмір збитків може бути різним, наприклад, землетруси і паводки можуть мати катастрофічний характер. Однією із складових природного ризику для території України є сейсмічний ризик, джерело якого - можливі землетруси. В регіональному плані реальну сейсмічну небезпеку для майданчиків АЕС України, можуть викликати землетруси зони Вранча та Кримського півострова. В результаті досліджень автором виділені основні складові сейсмічного ризику для території України: природна сейсмічна небезпека; техногенна надійність середовища існування; можливість попередження про землетрус; готовність населення та офіційних органів влади до сейсмічних подій. Отже сейсмічний ризик пов'язаний як з можливістю виникнення на певній території землетрусу максимальної сили, так із наявністю на ній будівель, споруд та населення, яким в результаті дії землетрусу може бути завдано шкоди. Аналіз ризику визначає заходи з контролю та експертизи стану потенційно небезпечних об’єктів, економічного аналізу за критерієм “вартість-безпека-доцільність”, страхування, інших видів аналізу та оцінювання стану об’єктів та регіонів, на території яких ймовірні прояви ризикових явищ.

На основі результатів ряду досліджень, проведених вітчизняними та закордонними вченими (Пустовітенко Б.Г., Уломов В.І., Бугаєв Є.Г.), автором розроблена модель ймовірнісної взаємодії потенційно небезпечного об’єкта з природним середовищем на прикладі дії землетрусу (рис. 1). Підтверджена необхідність застосування методів експертної оцінки як для визначення ймовірностей небезпечних подій (визначення чинників та аналіз сценаріїв) у системі спорудження та експлуатації АЕС, пов'язаних з місцевими геологічними умовами, так і для визначення потенційного рівня забруднення довкілля внаслідок можливих аварій.

У третьому розділі на основі аналізу стану регіональної техногенної безпеки, пов'язаної з існуванням радіаційно- та хімічнонебезпечних об'єктів розглянута доцільність проведення досліджень, направлених на підвищення ефективності заходів щодо запобігання природним надзвичайним ситуаціям (зокрема землетрусам), дія яких може спричинити пошкодження цих об'єктів. Отримані результати дозволяють запропонувати оригінальну методику аналізу сейсмічного ризику потенційно небезпечних об’єктів, розміщених на території України. Автором визначені основні етапи методики:

вибір об'єкта для аналізу та методу оцінювання ризику;

ідентифікація загроз;

аналіз загроз та їх наслідків шляхом використання сценаріїв і алгоритмів для визначення “слабких” місць у захисній системі об’єкта;

одержання попередньої оцінки ризику і розробка на її основі нових захисних засобів;

реалізація і перевірка обраних захисних засобів;

встановлення оцінки ризику (диференціального або інтегрального), моніторинг ризику.

Рис. 1. Модель ймовірнісної взаємодії потенційно небезпечного об’єкта з природним середовищем в разі дії землетрусу.

Як об’єкт для аналізу розглянуті АЕС, береться до уваги інформація про:

результати проведених досліджень (на момент проектування і будівництва; додаткової вивченості та уточнення під час функціонування та майбутнього виведення з експлуатації) за такими напрямками: сейсмотектонічні та сейсмогеологічні дослідження; сейсмічне мікрорайонування за методами сейсмічних жорсткостей, реєстрації мікросейсм та вибухів, інженерно-геологічних аналогій; геоморфологічні та неотектонічні дослідження; тектономагнітні дослідження; ізотопно-гідрохімічні та геодезичні дослідження;

зону сейсмічності, до якої відноситься територія розміщення майданчика АЕС на основі досліджень з детального сейсмічного районування та сейсмічного мікрорайонування;

класифікацію стану будівель та споруд АЕС (наявність тріщин, деформацій, підтоплення). За відсутності паспортизованих даних у дисертаційній роботі використані умовні моделі.

Визначено, що доцільним є комплексне застосування таких методів визначення ризику:

- інженерний – базується на статистиці, розрахунку частот, імовірнісному аналізі безпеки, побудові “дерев подій/відмов”, тобто виконується кількісна оцінка ризику. Основа підходу – побудова множини сценаріїв з наступною оцінкою частоти реалізації кожного сценарію та визначенням масштабів наслідків. Основними перевагами є інформативність, наочність і можливість декомпозиції, однозначність розуміння та зручність комп’ютерної обробки, можливість наступної формалізації, аж до застосування математичних моделей;

- модельний – базується на побудові моделей впливу ризикових явищ. При подальшому аналізі для одержання кількісних показників застосовують правила додавання і множення ймовірностей подій. При вирішенні багатьох практичних задач трапляються випадки, коли обчислити ймовірність події прямим шляхом важко або неможливо, в той час як обчислення умовних ймовірностей цієї події цілком доступно;

- експертний – визначає ймовірність різних подій на основі опитування фахівців-експертів. Беручи до уваги значну кількість чинників, що впливають на ризик людського життя внаслідок дії землетрусу, експертна думка потрібна щодо таких питань, як частота виникнення та сила впливу ймовірних землетрусів, стан ґрунтів, сплановане використання територій під будівництво з врахуванням їх сейсмічної вразливості; виробничі системи та їх сейсмічна вразливість, соціальні системи, загальна здатність реагування на надзвичайні ситуації;

- соціологічний – базується на опитуванні населення.

Основними загрозами, характерними для сейсмічного ризику АЕС України є: найсильніші підкорові землетруси зони Вранча в Румунії та землетруси Кримського півострова, локальні землетруси, підвищена сейсмічна активність, пов'язана зі скупченнями слабких землетрусів, та непрямі сейсмічні ефекти. В районах підвищеної активності деякі сейсмогенні структури можуть бути не виявленими через відсутність їх помітних проявів у поверхневих або підповерхневих шарах внаслідок впливу фактору часу. У зв’язку з цим для розробки сценаріїв дії ризикових явищ потрібна інформація про:

джерела локальних землетрусів (джерела енергії, розломи, що знаходяться в радіусі до 300 км);

трьохмірні моделі (карти глибинної будови території, сегментація ділянок);

землетруси максимальної дії (історичні відомості про землетруси, сегментація території на ділянки з тріщинами та розломами, подібність тектонічної будови територій);

періодичність землетрусів на певних ділянках (бальність, ступінь струшування території, специфікація розломів);

приріст сейсмічної бальності з урахуванням конкретних інженерно-геологічних умов (рівень ґрунтових вод, властивості ґрунтів та резонансні явища);

специфікацію ґрунтових переміщень (зсувів) щодо проектних критеріїв (багатофакторний зв’язок між місцем локалізації, джерелом та магнітудою, емпіричний та кількісний підходи до оцінки ґрунтових переміщень, врахування спектрального складу коливань ґрунту).

Окрім ймовірності настання загрози, важливим є визначення величини потенційного збитку. Для прогнозування натуральних втрат потрібно враховувати:

медичні показники – соціальний сейсмічний ризик (кількість загиблих та людей, які були травмовані, отримали психологічні стреси та порушення життєвого ритму);

дані про інженерний стан – сейсмічна вразливість будівель та споруд (розрахована за їх сейсмостійкістю відповідно MSK-64);

необхідні ресурси життєзабезпечення для ліквідації наслідків.

Оцінка ризику дає можливість отримати відповіді на два питання: чи прийнятні існуючі рівні ризику, і якщо ні, то які захисні заходи потрібно запровадити. Коффом Г.Л. (1996 р.) було запропоновано для розрахунку сейсмічного ризику (R – в економічному вираженні) використовувати показник, що розраховують множенням ймовірності існування загрози (сейсмічної небезпеки) на передбачені збитки. На основі цього для розрахунку сейсмічного ризику території України може бути застосовано формулу:

, (1)

де Р(І) – ймовірність виникнення землетрусу з І балів за певний період часу; Y(І) – очікувані збитки від землетрусу з інтенсивністю в І балів; S – площа території, для якої проводиться розрахунок, км2.

Дослідники по-різному визначали сукупність втрат, витрат і збитків, що входять до складу поняття очікуваних збитків. Докладне ретроспективне дослідження процесу становлення цієї категорії наведене Коффом Г.Л. Під збитками від дії ризикового явища розуміють додаткові витрати, що виникають в народному господарстві і у населення внаслідок виникнення негативних наслідків від дії ризикових явищ за сучасного рівня знань про ці наслідки, виражені у вартісній формі. Ці витрати складають з витрат на попередження дії ризикового явища (зокрема землетрусу) на реципієнтів та витрат, що викликані цією дією.

За умови наявності відповідних даних величина сейсмічного ризику в різні інтервали часу t в населеному пункті з N кількістю населення може бути визначена за формулою небезпеки:

, (2)

де PІ - ймовірність землетрусу І-ї сили; PIjk - ймовірність отримання пошкоджень к-го ступеня для будівель з j-ю сейсмостійкістю за землетрусу І-ї сили; qjk, - ймовірність фатального випадку для людини, що знаходиться в будівлі j-го типу з пошкодженням к-го ступеня тяжкості; j(1)- частина населення, що проживає в будинках j-го типу; j(2)- середня кількість частини населення, що знаходиться у виробничих та інших будівлях j-го типу; d1(t) і d2(t) – відносна чисельність людей в різний час доби.

Оцінка сейсмічної вразливості території дозволяє визначити рівень сейсмічного ризику та скласти картину очікуваних людських і матеріальних втрат у випадку землетрусу, що, у свою чергу, дає можливість правильно встановити послідовність заходів щодо зниження рівня сейсмічного ризику. Точність визначення рівня сейсмічного ризику залежить від обсягу бази даних для аналізу. Оцінкою сейсмічного ризику є прогнозування потенційних людських, матеріальних та інших втрат, зумовлених землетрусом. Отже, зменшення збитків від землетрусів є можливим. Для цього необхідно, по-перше, вибирати території для будівництва АЕС та інших потенційно небезпечних об’єктів у районах з допустимою сейсмічною небезпекою та прийнятним рівнем сейсмічного ризику. По-друге, будинки та інженерні споруди проектувати таким чином, щоб при оптимальному рівні витрат на підвищення їхньої сейсмостійкості та інших підготовчих заходів (ці витрати також відносяться до збитків) після землетрусу зменшити вартість ремонтно-відбудовчих робіт. Етапи реалізації і перевірки обраних захисних засобів відносяться до вибору захисних регуляторів і в цій роботі не розглянуті.

Перерахування етапів вказує на те, що аналіз сейсмічного ризику – процес циклічний. Сейсмічний ризик потрібно постійно контролювати і періодично переоцінювати. Практично всі етапи управління сейсмічним ризиком пов’язані між собою, і по завершенню будь-якого з них може виникнути потреба повернення до попереднього.

В четвертому розділі наведений приклад реалізації методики аналізу сейсмічного ризику та оцінювання впливу природних і техногенних процесів на потенційно небезпечні об'єкти в аспекті сейсмічної небезпеки територій їх розміщення. Аналіз сейсмічного ризику включає оцінку джерела небезпеки і вимір цієї небезпеки за рівнем наслідків впливу на населення і довкілля. При розрахунку сейсмічного ризику враховуються: модель розподілу землетрусів за часом, простором та магнітудою; модель сейсмічного впливу; модель, що характеризує опір об’єктів (елементів ризику) впливові ризикового явища. Комплексне застосування цих моделей дає можливість оцінити наслідки первинного та вторинного впливу ризикових чинників, включаючи медичний, інженерний, пожежний та радіаційний стани, а також дати прогноз індивідуального ризику для населення. В роботі застосовані взаємозалежні поняття “сценарій” та “алгоритм”, що описують один з етапів дослідницької стадії аналізу небезпеки у випадку виникнення ризикового явища, зокрема землетрусу. На основі накопичених вимірювальних даних Головного центру спеціального контролю НКАУ, за результатами реєстрації землетрусів з зони Вранча сейсмічними станціями, розташованими на території України, побудовані емпіричні залежності інтенсивності прояву землетрусу на різних відстанях від епіцентру і для різної глибини гіпоцентру - 3-D графічні зображення для осередку з зони Вранча. Між інтенсивністю (I0) землетрусу в епіцентрі, що виражена в балах, і магнітудою (М) існують емпіричні співвідношення макросейсмічного поля (Шебалин Н.В., 1976):

, (3)

, (4)

Зв'язок між інтенсивністю коливання (I0), магнітудою (М) і глибиною осередку (Н) характеризується формулою:

, (5)

де а, b, с - коефіцієнти, які визначають емпірично для конкретного району землетрусу. У зв’язку з відсутністю достатньої кількості статистичних даних для розрахунку інтенсивності землетрусу на відстані від епіцентру (IR) використана адаптована функція (I0):

, (6)

де mb – магнітуда, визначена за повздовжніми хвилями; H – глибина гіпоцентру; R – відстань від епіцентру до “контрольованої” точки.

На графіку (рис.2) простежується різка зміна інтенсивності, зумовлена внутрішньою будовою Землі: перша – на глибині близько 30-40 км відповідає положенню границі Мохо, а друга – на глибині 80-110 км - зоні знижених швидкостей.

Рис. 2. Залежність функцій відгуків (інтенсивності) землетрусу для різної глибини джерела за фіксованої відстані до контрольованої точки

Побудована модель азимутальної інтенсивності випромінювання сейсмічної енергії для землетрусу в зоні Вранча (модель сейсмічного впливу) (рис.3). В першому наближенні модель може застосовуватися для землетрусу як осередку в зоні Вранча, так і Кримського півострова. В подальшому модель може бути уточнена за рахунок накопичення достатньої кількості статистичних даних про характерні джерела землетрусів. Особливістю землетрусів зони Вранча є велика глибина осередків (70-180 км), завдяки чому область руйнівних і відчутних струшувань простягається на значні віддалі. Крім цього, ізосейсти від цих землетрусів характеризуються суттєвою асиметричністю. Велика вісь еліпсів ізосейст є сильно витягнутою у північно-східному напрямку. Інтенсивність коливань ґрунту від сильних землетрусів зони Вранча (М>6.5), наприклад, на майданчиках Хмельницької АЕС і Рівненської АЕС досягає 5 балів за шкалою МSK-64. Решта близькорозташованих сейсмічно активних зон (Закарпаття, Передкарпаття, Добруджа і Кримсько-Чорноморський район) не становлять особливої небезпеки, Карпатські – через малу глибину осередків (5-10 км) і сильне загасання сейсмічної енергії з відстанню, а Кримські – через віддаленість.

На основі даних про можливу сейсмічну небезпеку та вразливість території України на модельних прикладах проведено порівняльну оцінку сейсмічного ризику конкурентних майданчиків для розміщення потенційно небезпечних об’єктів.

При розробці перспективних планів розвитку окремих регіонів, необхідно враховувати можливість виникнення надзвичайних ситуацій геологічного характеру, зокрема сейсмічних подій, в межах будь-якої промислово-міської агломерації та техногенно-екологічної системи, особливо при виборі території для розміщення АЕС.

Рис. 3. Модель сейсмічного впливу, побудована за експериментальними ізосейстами за даними землетрусів із зони Вранча 1940 та 1977 рр.

У висновках підбито підсумок дослідження та наведені найважливіші результати, отримані при виконанні дисертаційної роботи. Головні результати роботи можна сформулювати у формі наступних тверджень.

Методологічною основою процедур вибору місць розміщення майданчиків для АЕС є системний підхід до аналізу чинників, що можуть вплинути на прийняття рішення. В зв’язку з цим необхідно проводити інтегральну оцінку відповідності кожного з конкурентних майданчиків геоекологічним критеріям за чинниками, одним із яких є сейсмічний ризик. Основними складовими сейсмічного ризику для території України є природна сейсмічна небезпека; техногенна надійність середовища існування; можливість попередження про землетрус; готовність населення та офіційних органів влади до сейсмічних подій. Сейсмічний ризик пов'язаний як з можливістю виникнення на певній території землетрусу максимальної сили, так із наявністю на ній будівель, споруд та населення, яким в результаті дії землетрусу може бути завдано шкоди.

Розроблено модель моніторингу за станом ЛТС майданчика АЕС, який необхідно проводити протягом всього життєвого циклу АЕС на основі запровадження комплексного моніторингу (постійно діючих мереж спостереження). Розроблена оригінальна модель ймовірнісної взаємодії потенційно небезпечного об’єкта з природним середовищем (на прикладі дії землетрусу).

Для аналізу та оцінювання сейсмічного ризику територій розміщення потенційно небезпечних об’єктів доцільно застосовувати методологічну базу, яку складають: системний підхід до аналізу чинників, що можуть вплинути на прийняття управлінського рішення; ймовірнісний метод аналізу безпеки; ризик-аналіз та теоретичні основи створення моніторингу літотехнічної системи. На основі цього розроблено оригінальну методику аналізу та оцінювання сейсмічного ризику території розміщення потенційно небезпечних об’єктів України.

Побудована модель азимутальної інтенсивності випромінювання сейсмічної енергії для землетрусу в зоні Вранча (модель сейсмічного впливу); визначені емпіричні залежності інтенсивності прояву землетрусу на різних відстанях від епіцентру і для різної глибини гіпоцентру - 3-D графічні зображення для осередку з зони Вранча. В першому наближенні розроблена модель сейсмічного впливу може застосовуватися для землетрусу як осередку в зоні Вранча, так і Кримського півострова та використовуватися для визначення оперативних (експрес) оцінок сейсмічного ризику територій розміщення нових об’єктів.

Вперше на модельних прикладах проведено визначення рівнів сейсмічного ризику територій для розміщення конкурентних майданчиків АЕС, що можуть бути використані під час проектування нових та для підвищення безпеки діючих АЕС України.

Головні положення дисертації опубліковані в таких роботах:

Вижва С.А., Черніговцева О.Б. Сучасні підходи до організації сейсмічного моніторингу як частини геофізичного моніторингу довкілля // Вісн. Київ. ун-ту. Сер. Геологія. – 2001. - Вип.19. - С. .

Вижва С.А., Винниченко О.Б. Складові, сучасні підходи та особливості оцінки сейсмічного ризику території України // Вісн. Київ. ун-ту. Сер. Геологія. – 2002. - Вип. 23-24. - С. 13-17.

Вижва С.А., Винниченко О.Б. Застосування імовірнісних методів аналізу для визначення ризику потенційно небезпечних об’єктів // Збірник наукових праць УкрДГРІ. – 2003. - Вип. 1. – С. .

Винниченко О.Б. Аналіз сейсмічного ризику потенційно небезпечних об’єктів, розміщених на території України // Вісн. Київ. ун-ту. Сер. Геологія. – 2004. - Вип. 29-30. - С.46-51.

Винниченко О.Б., Качалін І.Г. Практичні підходи до реалізації методики аналізу сейсмічного ризику потенційно небезпечних об'єктів. Сейсмічний моніторинг // Вісн. Київ. ун-ту. Сер. Геологія. – 2005. - Вип. 34-35.- С.86-90.

Вижва С.А., Черніговцева О.Б. Сучасні підходи до оцінки сейсмічної небезпеки при будівництві потенційно небезпечних промислових об’єктів // Матеріали Науково-технічної конференції ”Будівництво в сейсмічних районах України”. - Ялта, 1999. - С.71-72.

Вижва С.А., Черніговцева О.Б. Національна сейсмічна система як частина геофізичного моніторингу навколишнього середовища // Тез. доп. міжнар. наук. конф. “Геофізичний моніторинг геологічних процесів та екологічного стану середовища”. – К., 2000. - С.24-26.

Вижва С.А., Винниченко О.Б. Проблеми сейсмічного ризику // Тез. доп. ІІ міжнар. наук. конф. “Геофізичний моніторинг геологічних процесів та екологічного стану середовища”. – К., 2001. – С.14-15.

Вижва С.А., Винниченко О.Б. Застосування імовірнісних методів аналізу для визначення ризику потенційно небезпечних об’єктів // Тез. доп. ІІІ міжнар. наук. конф. “Геофізичний моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища”. – К., 2002. – С.22-23.

Винниченко О.Б. Аналіз сейсмічного ризику та оцінка впливу природних та техногенних процесів на територіях розміщення потенційно небезпечних об’єктів // Тез. доп. IV міжнар. наук. конф. “Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища”. – К., 2003. - С.98-99.

Качалин И.Г, Винниченко Е.Б. Практические подходы к реализации задачи анализа сейсмического риска и оценки воздействия природных и техногенных процессов на территориях размещения потенциально опасных объектов // Матеріали V міжнар. наук. конф. “Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища”. – К., 2004. – С.44-46.

АНОТАЦІЯ

Винниченко О.Б. Вплив природних і техногенних процесів на потенційно небезпечні об’єкти. Сейсмічний ризик. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук за спеціальністю 04.00.22 – геофізика. Київський національний університет