Японские исследователи из Университета Иокогамы разработали количественный метод оценки риска падения деревьев в городских зеленых зонах при штормовых ветрах. Модель основана на данных о диаметре и высоте ствола.
В штормовых условиях падение деревьев может приводить к травмам и гибели людей, блокировке дорог, повреждению линий электропередач и других объектов инфраструктуры. Специалистам по городскому озеленению необходим надежный и практичный инструмент для оценки и управления рисками, связанными с падением деревьев.
Механическая модель и скрытая переменная
Ученые предложили гибридный подход, сочетающий механическое моделирование и статистическую калибровку. Их исследование было опубликовано в журнале Scientific Reports.
В основе механической части лежит модель, использующая диаметр ствола на высоте груди и общую высоту дерева. Эти параметры регулярно измеряются при инвентаризации городских насаждений. На основе этих данных исследователи рассчитали гипотетическое максимальное сжимающее напряжение в стволе при заданной скорости ветра.
Точка приложения ветровой нагрузки принята на уровне 75% высоты дерева, что примерно соответствует центру кроны. Размер кроны оценивается по диаметру ствола на основе эмпирического уравнения. Ветровая нагрузка рассчитывается с учетом коэффициента сопротивления, плотности воздуха и скорости ветра. Изгибающий момент у основания ствола определяется как для консольной балки. Поперечное сечение ствола разделено на 20 участков, для каждого вычисляется сжимающее напряжение. В качестве результирующего показателя используется максимальное значение.
Калибровка модели на данных тайфунов
Для статистической калибровки модели использованы данные о падениях деревьев во время двух тайфунов. Один из них принес максимальную скорость ветра 23,4 метра в секунду. После шторма исследователи провели обследование территории и зафиксировали 28 упавших деревьев. Тайфун Hagibis 12 октября показал максимальную скорость 23,8 метра в секунду, однако падений деревьев ученые не зафиксировали.
Исследователи применили анализ экстремальных значений для оценки риска при гипотетическом шторме с периодом повторяемости 30 лет. На основе исторических данных метеостанции Иокогамы рассчитана максимальная скорость ветра для этого периода. Она составила 33,7 метра в секунду. Эта величина сопоставима с вероятностью землетрясения интенсивностью 6 баллов и ниже в течение 30 лет. Такая вероятность равна около 30%.
Оценка энергии падения и практические рекомендации
Авторы исследования предложили учитывать потенциальный ущерб от падения дерева. Для этого была рассчитана ожидаемая энергия падения как произведение потенциальной энергии дерева на вероятность падения. Это позволяет различать ситуации с высокой вероятностью падения тонкого дерева и меньшим ущербом от падения массивного ствола.
На основе данных построены диаграммы контроля риска в координатах диаметр ствола и высота дерева. Высокий риск характерен для высоких неместных деревьев по сравнению с местными видами, а также для хвойных пород.
Доля деревьев с вероятностью падения свыше 10% составила 36,7% для хвойных и 28,7% для неместной кафоры. При учете ожидаемой энергии падения доля деревьев с показателем больше 31,6 килоджоуля составила 14,6% для кафоры и 5,4% для хвойных.
VK
OK
Telegram
Дзен