Устойчивость городских систем водоснабжения при сценарии землетрясения

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 20555 (2022) Цитировать эту статью

1466 Доступов

1 Цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Угрозы системам водоснабжения возросли в количестве и интенсивности. Стихийные бедствия, такие как землетрясения, нанесли различные виды ущерба водопроводным сетям (ЖДС), особенно тем, у которых устаревшая инфраструктура. В данной статье исследуется устойчивость существующей водопроводной сети в условиях сейсмической опасности. Модель генерации землетрясений в сочетании с вероятностной гидравлической моделью спроса, основанной на давлении, обусловленной давлением, исследуется и применяется к существующей WDN. Всего было смоделировано 27 сценариев землетрясений и 2 стратегии ремонта. В ходе анализа были изучены такие показатели гидравлической устойчивости, как давление, потребность в утечках, работоспособность воды и воздействие на население. Результаты показывают, что узловое давление падает ниже номинального давления и достигает нуля в некоторых сценариях землетрясений. Потребность в утечках может достичь более 10 м3/с в течение нескольких часов после землетрясения. Например, при землетрясении силой 6,5 М надежность водоснабжения падает до минимума в 40%, а количество затронутого населения достигает 90%. В этом исследовании выявляются и количественно оцениваются уязвимости в моделируемой WDN. Инструменты, изложенные здесь, иллюстрируют подход, который может: (1) в конечном итоге помочь лучше информировать планы обеспечения безопасности коммунальной воды и (2) подготовить упреждающие стратегии по смягчению последствий/восстановлению до того, как возникнет опасность такого рода.

Водораспределительные сети (СРВ) являются критической инфраструктурой (КИ)1. WDN состоит из систем, средств, технологий, услуг и т. д., необходимых для благополучия людей и устойчивой экономики. WDN сталкиваются с широким спектром угроз, способных нанести значительный ущерб и сбои в обслуживании. Эти угрозы включают стареющую инфраструктуру, стихийные бедствия и антропогенные опасности. WDN схожи по своей структуре и функциям, но различаются размером, расположением и уязвимостями. Соответственно, предприятия водоснабжения реализуют стратегии и разрабатывают индивидуальные планы обеспечения безопасности воды (ПБВ), чтобы повысить устойчивость своих ЖДС и преодолеть такие угрозы.

Стихийные бедствия, такие как землетрясения, засухи, пожары, ураганы, наводнения и сильные штормы, нанесли спектральный ущерб WDN, особенно тем, у которых устаревшая инфраструктура. Исследователи предложили методы оценки последствий стихийных бедствий для критически важной инфраструктуры, такой как системы водоснабжения. Предыдущие исследования сообщали о повреждениях, которые включают протечки и разрывы труб; выход из строя очистных сооружений, насосов, резервуаров и резервуаров; Отключения питания; потери качества воды, снижение доступа к ресурсам и объектам; и другие негативные воздействия на системный персонал2,3,4. После изучения ущерба, который стихийное бедствие может нанести системам водоснабжения, Панамериканская организация здравоохранения (ПАОЗ)5 сообщила, что землетрясения имеют наиболее разрушительный потенциал для ЖДС. Это связано с тем, что: (1) землетрясения вызывают каскадные повреждения, выражающиеся в пожарах, отключениях электроэнергии и структурных разрушениях активов и объектов WDN, и (2) компоненты WDN закопаны под землей, где сейсмическое затухание более интенсивное и где повреждение не так-то просто. обнаружены и устранены6,7.

Например, сильное землетрясение в Сан-Франциско, которое длилось одну минуту в 19068 году, разрушило тысячи труб, вызвало дефицит пожарного потока, в результате чего пожар, продолжавшийся три дня, унес жизни 800 человек и нанес огромный материальный ущерб. Землетрясение в Кобе в 1995 году9 повредило более 4000 труб и лишило водоснабжения более миллиона человек. Землетрясения в Сан-Фернандо и Нортридже10 повредили десятки водопроводов, и водоснабжение было прекращено на несколько недель. Недавние землетрясения привели к значительному повреждению WDN, несмотря на достижения в области антисейсмических материалов и технологий. Землетрясение в Южной Напе в 2014 году еще раз продемонстрировало уязвимость WDN. Сообщалось о более чем 150 прорывах водопроводных магистралей, в результате чего пожарным не хватило воды для тушения шести крупных пожаров, возникших после землетрясения11. Картер12 подчеркнул обеспокоенность ростом плесени из-за выхода из строя водопроводных труб, причиняющего больший ущерб, чем само тряска. Землетрясение в Кумамото в 2016 году стало еще одним недавним напоминанием об уязвимости WDN к сейсмическим угрозам. Землетрясение периодически прекращало подачу воды на несколько дней13.