CC BY
53
/4 "Civil SecurityTechnology", Vol. 18, 2021, No. 4 (70) УДК 614.8
Safety in emergencies
Опасные гидрологические явления и процессы как источники чрезвычайных ситуаций природного характера: вербальная модель
ISSN 1996-8493
© Технологии гражданской безопасности, 2021
В.А. Акимов, М.В. Бедило, С.П. Сущев
Аннотация
В статье представлено вербальное описание наиболее катастрофичной для Российской Федерации природной чрезвычайной ситуации гидрологического характера — наводнения, которое может происходить в результате подъема уровня воды во время половодья или паводка, при заторе, зажоре, вследствие нагона в устье реки, а также при прорыве гидротехнических сооружений.
Ключевые слова: опасное гидрологическое явление или процесс; чрезвычайная ситуация природного характера; наводнение; половодье; паводок; затор; зажор; нагон в устье реки; прорыв гидротехнического сооружения.
Dangerous Hydrological Phenomena and Processes as the Sources of Natural Emergencies: Verbal Model
ISSN 1996-8493
© Civil Security Technology, 2021
V. Akimov, M. Bedilo, S. Sushchev
Abstact
The article presents the verbal description of the most catastrophic for the Russian Federation natural hydrological emergency — flooding, which can occur as a result of water levels rising during high water or flood, congestion due to overburden at the river mouth, as well as a breakthrough of hydraulic structures.
Key words: dangerous hydrological phenomenon or process; natural emergency; flood; high water; congestion; overburden at the river mouth; hydraulic structure breakthrough.
15.10.2021
Работа, результаты которой использованы в данной научной публикации, выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках соглашения № 175-11-2019-087 от 18.12.2019.
Согласно [1] источниками природных ЧС являются опасные природные явления и процессы, к которым относятся опасные гидрологические явления и процессы, такие как: наводнения, цунами, сели, лавины. Среди них наиболее катастрофичными (по количеству погибших, пострадавших людей и материальному ущербу) являются наводнения [2, 3].
В Российской Федерации площадь паводкоопасных территорий составляет 400 тыс. км2, из них 50 тыс. км2 ежегодно подвергается затоплению. Катастрофические наводнения имели место и могут повториться в будущем на территории, где расположено 300 городов, десятки тысяч населенных пунктов и более 7 млн га сельхозугодий [4].
Под «наводнением» понимается резкое повышение уровня воды в реке, водоеме, водохранилище, море (или его части), приводящее к затоплению значительных участков суши и наносящее материальный ущерб [5].
Наводнения вызываются различными причинами.
Для большей части территории России характерно весеннее половодье, вызванное таянием снежного покрова, накопившегося в холодный зимний период. На реках, текущих с юга на север, весенние половодья часто сопровождаются заторами льда, которые усугубляют размеры бедствия, поскольку резко снижают пропускную способность русла. К числу таких наводнений относится катастрофическое затопление г. Ленска, случившееся на р. Лена в 2001 году.
На значительной территории России опасность представляют наводнения в результате выпадения интенсивных дождевых осадков (ливней) или прохождения тайфунов и муссонов, охватывающих значительные водосборные площади и формирующих дождевые половодья. Наводнения в бассейне Кубани в 2002 году и в бассейне Амура в 2013 году — одни из последних примеров этого опасного явления.
Отдельной проблемой являются наводнения техногенного характера. К ним относятся затопления, вызванные необоснованным сбросом через сооружения гидроузлов расходов воды, превосходящих пропускную способность русла реки. Угроза затопления территорий населенных пунктов, находящихся под защитой дамб обвалования, требует повышенного внимания к сооружениям инженерной защиты, оберегающим от затопления около 180 городов и крупных поселков. Примером тяжелых последствий явилось наводнение 2019 года в г. Тулуне на р. Ия, когда недостаточность мероприятий территориального планирования сопровождалась плохим качеством проектирования и строительства системы инженерной защиты города.
Для значительной части территории РФ существенна угроза наводнений в результате заторных и зажор-ных явлений. Ледовым затором называется скопление крупно- и мелкобитого льда в руслах рек, стесняющее (уменьшающее) живое сечение реки и приводящее к повышению уровня воды на вышерасположенном участке и затоплению прилегающих территорий. Заторы образуются в период весеннего половодья при вскрытии рек. Опасное воздействие затора льда заключается
как в затоплении территорий, так и создании ледовых нагрузок на здания и сооружения.
Зажор льда — сходное с затором льда явление, представляющее собой скопление шуги в русле реки, сопровождающееся забивкой некоторой части ее живого сечения и связанным с этим повышением уровня воды выше данного скопления.
Затор и зажор льда между собой различаются. Во-первых, зажор состоит из скопления рыхлого ледового материала (комьев шуги, частиц внутриводного льда, обломков небольших льдин), тогда как затор — это скопление крупно- и мелкобитых льдин. Во-вторых, зажор льда происходит в начале, а иногда и в середине зимы, в период осеннего ледохода и в начале ледостава, в то время как затор происходит в конце зимы и весной во время весеннего ледохода.
Процесс заторообразования характеризуется тремя основными группами признаков: морфологические признаки определяются характером реки, формой ее долины и особенностями русловых форм, обусловливающих задержку вскрытия или заклинивания в русле ледяных полей; гидрологические признаки устанавливаются интенсивностью паводка, формой гидрографа и фазой паводка (соотношением между временем вскрытия и заторообразования и временем прохождения пика паводка); структурные признаки учитывают строение затора и особенности механизма заторообразования.
Возможность образования мощного затора определяют следующие признаки:
двойной или тройной осенний ледоход и высокий уровень воды в период замерзания реки;
большой объем льда, обусловленный высоким уровнем воды при замерзании, при котором значительная площадь реки покрыта льдом, существенной зашу-гованностью русла (50-80% площади поперечного сечения русла) и толщиной ледяного покрова к началу вскрытия реки, превышающей 0,7 м;
соотношение толщины ледяного покрова на ледос-борном участке к толщине в месте заторообразования;
большая прочность льда перед вскрытием (уменьшение ее с начала таяния льда лишь на 10-30%);
большая весенняя водность при холодной весне в районе заторного участка реки и интенсивное снеготаяние (5-7 мм/сут.) в верхней части речного бассейна, сопровождающееся выпадением обильных дождей;
интенсивное поступление льда после вскрытия с расположенного выше по течению участка реки, а также от вскрывающихся крупных притоков.
Процесс образования и разрушения затора льда проходит следующим образом [6]. Весной, с наступлением положительных температур воздуха начинается таяние снега в речном бассейне. Расход воды в реке увеличивается, уровень воды повышается и ледяной покров, всплывая, отрывается от берегов. С повышением уровня воды возрастает ширина реки — между краем всплывшего ледяного покрова и берегом появляются полосы чистой воды, так называемые закраины. Появлению закраин способствует также размывающее действие талой снеговой воды, стекающей со склонов непосредственно в реку.
"Civil SecurityTechnology", Vol. 18, 2021, No. 4 (70)
Safety in emergencies
Одновременно под действием теплого воздуха и солнечных лучей ослабевает ледяной покров в реке. Наступает момент, когда влекущее усилие текущей воды приводит к разлому ледяного покрова на отдельные крупные поля, которые приходят в движение. Этот момент называется подвижкой. При этом перемещения ледяных полей невелики и ограничиваются размерами закраин. Однако ледяные поля обладают очень большой массой и при столкновении с берегами и друг с другом довольно быстро разламываются на крупные льдины. Начинается весенний ледоход.
Движущиеся массы льда могут встретить на своем пути преграду в виде еще не вскрывшегося участка реки со сплошным и довольно прочным ледяным покровом. У кромки ледяного покрова движение льдин замедляется и вовсе приостанавливается. Под напором подносимого течением ледяного материала кромка неподвижного ледяного покрова оказывается частично взломанной и выглядит в виде скопления слегка наклоненных друг к другу льдин. Некоторые из подплывающих льдин увлекаются течением под разрушенную часть кромки льда. В этом месте образуется голова или основание затора льда. Преградами движущимся ледяным полям могут также являться различного рода стеснения русла (острова, мели, резкие сужения, крутые повороты и т.п.)
К остановившимся у невзломанного ледяного покрова льдинам подплывают новые массы льда. Под их напором начинается торошение, сопровождающееся время от времени небольшими подвижками. В этом месте поверхность реки представляет собой хаотическое нагромождение крупно- и мелкобитых льдин. Русло здесь сильно стеснено льдом, из-за чего уровень
воды в реке повышается. Существенно, что повышение уровня происходит также на некотором участке реки выше места стеснения, т. е. в зоне подпора (у хвоста затора). Скорость течения в зоне подпора уменьшается, а подплывающие сверху льдины уже обладают меньшей кинетической энергией. Торошение льда постепенно ослабевает и затем прекращается. Процесс формирования затора льда на этом заканчивается (см. рис. 1).
Заторы льда на реках России — широко распространенное явление из-за сурового климата страны и больших объемов прочного ледяного покрова перед вскрытием рек весной. Именно поэтому заторы льда часто бывают на реках самых холодных районов России — всей Сибири, севера Европейской части территории страны и Дальнего Востока. В южных районах Европейской части территории страны заторы происходят реже и опасность затопления территорий вследствие их возникновения невелика.
Заторные явления и опасные наводнения наиболее часто формируются весной на средних и крупных равнинных реках, текущих с юга на север (Северная Двина, Печора, Обь, Енисей, Лена, Колыма и др.), а также на реках, верховья которых являются горными и полугорными, а низовья—равнинными (Амур, Томь и др.). На малых реках заторов почти не бывает.
При прогнозировании паводков основным критерием является пиковый расход воды на единицу площади водосбора (удельный пиковый расход), так как он описывает волатильность реки.
Существует два подхода к математическому моделированию сложных явлений. При детерминистическом моделировании переменные вводятся таким образом, что для получения дискретного результата оперируют
Рис. 1. Схема ледовой обстановки при заторе льда: а — продольный профиль; б — план; I — зона подпора; II — зона скопления битого льда (затор); III — зона очага затора; 1 — хвост затора; 2 — беззаторное скопление битого льда; 3 — заторное (торосистое) скопление битого льда; 4 — голова
затора; 5 — невзломанный ледяной покров
численно выраженными специфическими значениями параметров. Стохастическое моделирование использует выборку и вероятности для получения ответов. Для моделирования разливов рек, как правило, используют детерминистическую модель. Детерминистический подход имеет преимущества быстрого расчета и довольно точных результатов, что играет особую роль для эффективности мер оповещения и реагирования. Дополнительным преимуществом является ограниченный объем входных данных, необходимых для проведения моделирования.
Ключевым поражающим фактором наводнения является зона затопления. Для расчета зоны воздействия наводнения требуется характеристика речного стока, включая прогноз глубины течения, скорости течения и протяженности паводка. Гидравлические модели используют управляющие уравнения потока в движении (сохранение принципов массы и импульса) для прогнозирования характеристик стока. Однако решение таких уравнений может быть дорогостоящим в зависимости от их пространственного расширения. Более того, моделирование двух- или трехмерного речного стока с использованием топографических данных высокого разрешения для крупномасштабных регионов практически невозможно.
Из большого числа существующих в мире моделей формирования стока и динамики русло: пойменных потоков наиболее распространенной в отечественной практике является модель ECOMAG [7, 8].
Общая схема описания процессов формирования речного стока в модели ECOMAG выглядит следующим образом. В летний период выпадающие жидкие осадки частично перехватываются растительностью, частично попадают на поверхность почвы. Избыток воды, не поглощенный почвой, после заполнения депрессий на поверхности бассейна перемещается по уклону поверхности в речную сеть. Часть влаги, впитавшейся в почву, может перемещаться по уклону по относительно непроницаемым водоупорам. Вода, не попавшая в речную сеть, расходуется на испарение или дренаж в более глубокие горизонты почвы.
В холодный период года рассматриваемая схема дополняется учетом гидротермических процессов в снежном покрове и почве, включая процессы: формирования снежного покрова и снеготаяния; промерзания и оттаивания почвы; инфильтрации незамерзшей влаги в мерзлую почву. Схема включает описание поверхностного и подземного стоков воды на водосборе, движения воды по речной сети.
При модельной схематизации речного бассейна его поверхность разделяется нерегулярной сеткой на отдельные расчетные элементы с учетом особенностей рельефа и структуры речной сети (см. рис. 2).
Моделирование гидрологических процессов на каждом расчетном элементе выполняется для четырех уровней: для поверхностного слоя почвы (горизонт А); подстилающего его более глубокого слоя (горизонт Б); емкости грунтовых вод и емкости в зоне формирования поверхностного стока. В холодный период добавляется емкость снежного покрова.
Таким образом, в данной статье представлено вербальное описание наиболее катастрофичной для Российской Федерации природной чрезвычайной ситуации гидрологического характера — наводнения, что является первым этапом формализованного описания данного стихийного бедствия.
Рис. 2. Схематизация речного бассейна для элементарной площадки
/8 "Civil SecurityTechnology", Vol. 18, 2021, No. 4 (70)
Safety in emergencies
Литература
1. ГОСТ Р 22.0.03-2020. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Природные чрезвычайные ситуации. Термины и определения.
2. Акимов В. А., Олтян И. Ю., Иванова Е. О. Методика ранжирования чрезвычайных ситуаций природного, техногенного и биолого-социального характера по степени их катастрофичности // Технологии гражданской безопасности. 2021. № 1 (67). С. 4-7.
3. Акимов В. А., Олтян И. Ю., Иванова Е. О. Ранжирование чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера по социально-экономическим показателям их катастрофичности // Материалы V МНПК по ГО. Ч. IV. М.: Академия ГПС МЧС России, 2021. С. 199-204.
4. Воробьев Ю. Л., Акимов В. А., Соколов Ю. И. Катастрофические наводнения начала XXI века: уроки и выводы. М.: ДЭКС-ПРЕСС, 2003. 352с.
5. Природные опасности России. Т. 6. Оценка и управление природными рисками. М.: КРУК, 2003. 320 с.
6. Отчет о НИОКР «Разработка единых стандартов, функциональных, технических требований и прогнозно-аналитических решений аппаратно-программного комплекса «Безопасный город» с требуемым нормативно-правовым и методическим обеспечением». Формирование научно-технической основы по предметной области АПК «Безопасный город» по теме: Прогнозные и аналитические модели по основным видам угроз, описанным в концепции — 2 очередь. Кн. 6. Описание методики прогнозной и аналитической модели «Наводнение в рамках территории муниципального образования» // ООО НЦИ, 2021. 338 с.
7. Мотовилов Ю. Г. Система физико-математических моделей формирования речного стока и ее применение в задачах гидрологических расчетов и прогнозов: Автореферат диссерт. на соиск. уч. ст. доктора геогр. наук. М.: ИВП РАН, 2018. 43 с.
8. Мотовилов Ю. Г., Гельфан А. Н. Модели формирования стока в задачах гидрологии речных бассейнов. М.: ИВП РАН, 2018, 300 с.
Сведения об авторе
Акимов Валерий Александрович: д. т. н., проф., засл. деятель науки РФ, ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), г н. с. института. Москва, Россия. e-mail: akimov@vniigochs.ru SPIN-код: 8120-3446.
Бедило Максим Владимирович: к.в.н., доц., ФГБУ ВНИИ
ГОЧС (ФЦ), начальник института.
Москва, Россия.
e-mail: mbedilo@vniigoch.ru
SPIN-код: 5524-2038.
Сущев Сергей Петрович: д.т.н., проф., МГТУ им. Н. Э. Баумана, проф. кафедры. Москва, Россия. e-mail: sersan150@mail.ru SPIN-код: 7843-5853.
Information about author
Akimov Valery A.: ScD (Technical Sc.), Professor, Honored
Scientist of the Russian Federation, All-Russian Research
Institute for Civil Defense and Emergencies, Chief Researcher
of the Institute.
Moscow, Russia.
e-mail: akimov@vniigochs.ru
SPIN-scientific: 8120-3446.
Bedilo Maxim V.: Ph.D. (Military Sc.), Assistant professor, All-
Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies,
Head of the Institute .
Moscow, Russia.
e-mail: mbedilo@vniigoch.ru
SPIN-scientific: 5524-2038.
Sushchev Sergey P.: ScD (Technical Sc.), Professor, Moscow
State Technical University N.E.Bauman, Professor of the
Department.
Moscow, Russia.
e-mail: sersan150@mail.ru
SPIN-scientific: 7843-5853.
Издания ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ)
Авторы, название URL
Олтян И.Ю. и др. Реализация Сендайской рамочной программы по снижению риска бедствий в Российской Федерации. Итоги пятилетия https://elibrary.ru/item.asp?id=46389727
Гуренков А.С. и др. Сборник лекционных материалов для проведения занятий с дежурно-диспетчерским персоналом единых дежур-но-диспетчерских служб муниципальных образований https://elibrary.ru/item.asp?id=44805322
Акимов В.А. и др. Нелинейная наука для исследования аварий, катастроф и стихийных бедствий https://elibrary.ru/item.asp?id=45040288
Соловьев В.А. и др. Международная научно-практическая конференция «Проблемы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций в Северо-Западном Арктическом регионе России» https://elibrary.ru/item.asp?id=45040117
Мануйло О.Л. и др. Творчество юных во имя спасения: Литературно-художественный альманах. Выпуск № 4 https://elibrary.ru/item.asp?id=45040485
Мануйло О.Л. и др. Творчество юных во имя спасения: Литературно-художественный альманах. Выпуск № 5 https://elibrary.ru/item.asp?id=46173686
Авдеева В.Г. и др. Развитие системы оказания помощи пострадавшим в дорожно-транспортных происшествиях на современном этапе: опыт, проблемы, перспективы https://elibrary.ru/item.asp?id=44621912
Баранник А.Ю. и др. Каталог технических средств, предназначенных для гражданской обороны и защиты от чрезвычайных ситуаций / МЧС России https://elibrary.ru/item.asp?id=45796467
