Предварителни проучвания и изследване на кинематичен модел на система за мониторинг и ранно предупреждение от земетресения в условията на „асарел еад” Иван Парушев, Бойко Рангелов

• 
  Кинематични модели. Те се основават на разликата в скоростите на първичните и вторични сеизмични вълни, за които стана дума по-горе. Тези системи „стартират” (реагират) при регистриран сигнал, т.е. първична сеизмична вълна, генерирана от дадено земетръсно огнище и с достатъчно голяма аплитудаамплитуда (дискриминационното ниво е така подбрано, че системата да реагира само на опасни сеизмични въздействия в епицентралната зона). Тригериращото ниво е така подбрано, че да дава минимум „лъжливи тревоги”, т.е. системата да се включва и сигнализира, когато амплитудата на първичната вълна, достигнала до най-близката от земетръсното огнище сеизмична станция, е достатъчно голяма, за да се очакват поражения. Това задейства цялата система от станции и сигналните устройства, свързани с тях. Тогава времето за реакция се измерва с разликата от време в началото на процеса и предвартелнопредварително изчислените времена за пробег на вторичните вълни от огнището до застрашените обекти.
  
• 
  Динамични модели. Те се основават както на раз­ликата в скоростите на пробег на сеизмичните вълни, така и в очакваните амплитуди на разрушителната част от колебанията, регистрирани от системата. Тези системи са по-усъвършенствани, защото предва­рително изчислените сценарии, могат да отсеят местата, които са най-застрашени. Ефективността им практически не зависи от местоположението на сеизмичното огнище, а дава информация за всички места (площи, области), където сеизмичното въздействие може да достигне опасни размери, в зависимост от епицентралното разстояние. Често тези системи използват единична тригерираща станция, която сама автоматично определя местоположението на епицентъра и след това подава сигнал до всички станции на системата, които реагират според предвартелнопредварително моделираните сценарии на очакваните опасни сеизмични въздействия. Този вид системи използват т.н. „матрица на решението”. Тя може да разграничава степента на опасност от очакваните силни сеизмични въздействия в реално време, т.е. може да ги класифицира като „силна, средна или слаба” сеизмичната опасност и т.н. Тези системи изключват важни инфраструктурни обекти, като АЕЦ, бързоходни влакове, спират и затварят метростанции, мостове и други застрашени от вторични аварии обекти (химически заводи произвеждащи опасни химикали, рафинерии, газопроводи и т.н). Тези системи излъчват и съобщения по средствата за масова информация, GSM мрежите и др. комуника­ционни средства, както например е в Япония.
  

Уравнението:

е фундаменталната връзка, върху която функционират кинематичните системи за ранно предупреждение. Зависимостта е свойство за всяка идеална еластична среда. Често в земната кора стойността е по-малка заради не идеалната еластичност на земната среда. Ходографът е функция, която представя зависимостта между времената на пробег на различните вълнови фази (S, P, Sg, Pg, Sb, Pb и др.) и разстоянието до сеизмичния източник. Функцията F (d, t_p, t_s) често е права линия, зависеща от скоростта на сеизмичните вълни в определения слой. Това е основната използвана функция за изчисляването на кинематичния модел (Ranguelov, Iliev, 2013, Parushev, Ranguelov, 2014). Основният принцип изисква по-дълго време за разпространение от сеизмичния източник до застрашената територия, което означава по-голямо разстояние. Времевата разлика (t_s-t_p) се нарича предупредително време и представлява разликата между пристигането на P и S вълните до застрашеният обект. Тези времена са предварително табулирани (ходографи на Джефрис Булен) и са представени на фигура 1.

1. 
   Избирането на локацията на всяка станция трябва да бъде съобразено с географското разположение на сеизмичните източници;
   
2. 
   Трансформиране на разстоянията във времена с помощта на ходографи;
   
3. 
   Използването на P вълните за сигнализация и за стартиране на цялата система;
   
4. 
   Оптимизация на сеизмичните станции:
   

Б. Използват се станции на еднакви разстояния от източника;

В. Периферните станции за засичане на земе­тръсни събития извън България, също са предвидени.


Фиг. 2. Основни сеизмични източници в България и разстояние да Асарел

Фиг. 3. Основни сеизмични източници в България и времена на пробег за Р вълни до Асарел

Фиг. 4. Основни сеизмични източници в България и времена на пробег за S вълни до Асарел

Фиг. 5. Основни сеизмични източници в България и времена на разликите за S-Р вълни до Асарел

5. 
   Използването на P вълните за сигнализация и за стартиране на цялата система;
   
6. 
   Оптимизация на сеизмичните станции:
   

Б. Използват се станции на еднакви разстояния от източника;

В. Периферните станции за засичане на земетръсни събития извън България, също са предвидени.
В общи линии, стъпките на разработка следват принципа на придобиване на информация за земетръсното събитие, колкото се може по-скоро след възникването му. Тъй като скоростта на сеизмичните вълни е от порядъка на km/s, то е от значение, сеизмичният сензор да бъде в най-близката точка до епицентъра. Стъпките, който биват задействани при засечени опасни нива на колебанията, генерирани от сеизмичните източници, са следните:

1. 
   P вълните сигнализират за събитие и задействат цялата мрежа;
   
2. 
   Моделиране на вълновото поле на разпространение и посоката на движение на сеизмичния фронт се получава чрез последователно задействане на сеизмичните устройства;
   
3. 
   Избиране на предварително изчислен сценарий, който е свързан с матрицата на вземане на решение;
   
4. 
   Моделиране на времето за пристигащите S вълни и въвеждане на близки (червени), средни (оранжеви) и далечни (зелени) зони;
   
5. 
   Вземане на решение – предварително изработване на матрица на решенията;
   
6. 
   Излъчване на предупредителни сигнали за населе­нието, администрациите и защитните институции;
   
7. 
   Комбинирано предупреждение в случай на едно­временно действие на няколко фактора (земетре­сение, цунами, свлачище и др.);
   
8. 
   Изпращането на сигнал може да се осъществи по няколко канала – SMS, E-mail съобщение, сигнал за пейджър, TV, радио емисия, по звуков или светлинен път и др.;
   
9. 
   Прекъсване на предупредителния сигнал след преминаване на събитието.
   

За изпълнението на този алгоритъм, най-важното е инсталирането на устройствата, възможно най-близко до сеизмичния източник. Това трябва да е специализирано устройство, което да сигнализира появата на земетръс. Анализът на получените стойности и графичното представяне на резултатите от моделирането, показват висока ефективност при сигнализация, поради кратките времена на пробег на сеизмичните вълни. В международната практика в такива случаи, се търси компромисно решение между ниската точност за локация на сеизмичния източник и краткото време за сигнализация. Смята се, че ефективността на подобни системи се диктува точно от краткото време за сигнализация. По-добре е незабавна ситгнализациясигнализация, отколкото загуба на време за по-точна локализация на сеизмичния източник (задача, която обикновеннообикновено се решава от националните сеизмологични мрежи на страните, но изисква много повече време за намиране на решението – т.е. локализирането на източника и определянето на силата на земетресението). Често тази разлика в компромиса време/точност достига десетки и стотици пъти. Смята се, че е по-добре управленските органи да са сигнализирани, че в района на локалната мониторингова мрежа за силни движения става земетресение (което неизбежно е в района на мрежата), за да могат да имат възможно най-бърза реакция по спасяване и ограничаване на вторичните последици от силно земетресение. Изчакването на пълна и по-подробна информация за точното местоположение и силата на земетръса, давани от националните мрежи, изисква повече време и ограничава способността за бърза и незабавна реакция. Това е най-важно условие в подобни бедствени ситуации по отношение на предприемането на незабавни спасителни мерки за гражданите и инфраструктурата.

Рангелов, Б. 2014. Системите за ранно предупреждение от природни бедствия – все по-актуални. CIO, с. 60-63. ISSN 1312-5605.

Kalurachchi, Y., M. Indirli, B. Ranguelov, F. Romagnoli. 2014. The ANDROID Case Study; Venice and its Territory: Existing Mitigation Options and Challenges for the Future, Procedia Economics and Finance 18 ( 2014 ) 815 – 824 © 2014 Published by Elsevier B.V. doi: 10.1016/S2212-5671(14)01007-7. Proc. 4th Int. Conf. on Building Resilience, Building Resilience 2014, 8-10 September 2014, Salford Quays, United Kingdom

Ranguelov, B. 2011. Natural Hazards – nonlinearities and assessment, Sofia, Acad. Publ. House (BAS), 327 p.

Ranguelov, B. 2013. Initial steps to the early warning systems in Bulgaria – earthquakes, tsunamis, marine hazards, Geophysical Res. Abst., 15, EGU2013-8239.

Ranguelov, B. 2014а. Early warnings – Bulgarian experience in case of time deficit systems (earthquakes and tsunamis)., Proc. 5^th Intl. Conf. Cartography and GIS, vol.2. 15-20^th June., Riviera, Bulgaria. p. 738-745.

Ranguelov, B. 2014б. Early warning systems for earthquakes and tsunamis – a global innovation. Bulgarian experience. Proc. 1^st Intl. Conf. “Innovative behavior, entrepreneurship and sustainable development.” Sofia, 28-29 June, Publ. house - ZNANIE, p.257-278, ISBN 978-954-621-247-4.

Ranguelov, B., T. Iliev. 2013. Geography aspects of the monitoring and early warning seismic system in Bulgaria., Proc. 3rd Intl. Geography Symp., 10-13 June, Kemer, Turkey, 287.

Ranguelov, B. 2015. Historical Disasters Data Extraction and a Modern Marine Geohazards Early Warning System in the Area of the North Bulgarian Black Sea Coast., Proc. FIG Working Week 2015 “From the Wisdom of the Ages to the Challenges of the Modern World”., Sofia, Bulgaria, 17-21 May 2015., pp. 1-9.

https://www.fig.net/resources/proceedings/fig_proceedings/fig2015/techprog.htm

Parushev, І, B. Ranguelov, 2014. General principles of the kinematic models used in early warning systems – earthquakes and tsunamis (Venice case), Ann. of M&G University, Vol. 57, Part I, Geology and Geophysics., p. 95-100. ISSN 1312-1820