Лекция по теме "Опасные явления гидрологического характера"

Наводнения и их прогнозирование

Наводнение – это временное затопление отдельных районов местности в результате резкого подъёма уровня воды в реках, озёрах и на море в результате проливных дождей.

Подъём уровня воды может произойти при быстром таянии снега и ледников, от частых осадков, в результате заторов, действия ветров, подводного землетрясения с образованием цунами, аварий на гидроузлах.

На значительной территории Украины (Карпаты, Крым) реки имеют выраженный паводковый режим стока. В среднем за год тут бывает 6-7 наводнений. Они формируются в любой сезон года и часто имеют катастрофические последствия, приводят к массовым разрушениям и гибели людей.

Наиболее вероятными зонами возможных наводнений на территории Украины являются:

- в северных регионах – бассейны речек Припять, Десна;

- в западных регионах – бассейны верхнего Днестра, речек Тиса, Прут, Западный Буг;

- в восточных регионах – бассейны речек Северский Донец, Псёл, Ворскла;

- в южном и юго-западном регионах – бассейны нижнего Дуная, реки Южный Буг.

За последние сорок лет катастрофические наводнения в Карпатах и Крыму наблюдались 12 раз. Последние из них произошли в прошлом и весной нынешнего года. Их последствия не устранены и до сей поры.

В зависимости от причин возникновения наводнения природного характера можно условно разделить на три группы.

К первой группе относят наводнения, наступившие после выпадения значительных осадков или интенсивного таяния снега. Весенние воды, особенно совместно с сильными ветрами, могут привести к затоплению больших территорий, массового вреда населению и создания значительных убытков.

Ко второй группе относят наводнения, которые возникают вследствие сильного ветра. Они характерны для морских побережий и горных речек, которые впадают в море (для населённых пунктов Азовского побережья и речки Южный Буг) К третьей группе относят наводнения, обусловленные подводными землетрясениями и извержениями подводных вулканов. Вследствие этого образуются волны – цунами, которые распространяются со скоростью 400-800 км/час. При достижении берега их высота достигает от 5-6 до 15-30 метров и более. С огромной скоростью и силой они обрушиваются на берег, причиняя значительные людские жертвы и материальные убытки.

В классификаторе ЧС Украины (1999) для наводнений приняты следующие термины:

- половодье – фаза водного режима реки в период весеннего таяния снега, для которого характерно высокое поступление воды (ДСТУ 3517);

- паводок – фаза водного режима реки, который может повторяться много раз в различные сезоны года. Характеризуется интенсивным увеличением уровня воды вследствие дождей и таяния снега во время оттепелей (ДСТУ 3517);

- катастрофичный паводок – исключительный по величине и редкости повторения паводок, который может причинить множество разрушений и жертвы (ДСТУ 3517).

Наводнения дождевого характера называют паводком, а весеннее наводнение – половодьем. Паводок – это высокий, но непродолжительный подъём воды, который может перерасти в большое наводнение.

Длительность наводнений составляет 7-20 суток и более. При этом может быть затоплено не только 10-70% сельскохозяйственных угодий, но и повреждается немалое количество техногенно-опасных объектов.

К основным характеристикам наводнений относятся:

- уровень воды – высота поверхности воды в реке (озере) над условной горизонтальной плоскостью сравнения, которая называется нулём поста.

Высоту этой плоскости, как правило, отсчитывают от уровня моря. Разница между двумя величинами – уровнем воды на посту и отметкой нуля поста – представляет собой абсолютное значение уровня, т. е. превышение поверхности воды в реке над поверхностью моря.

Расход воды – это количество воды (м3), которая вытекает через замкнутый створ реки в одну секунду.

Основной критерий стихийных гидрологических явлений – максимальный уровень воды, с которым связаны некоторые очень важные характеристики наводнений: площадь, высота (глубина), длительность и скорость подъёма уровня воды.

К факторам, которые обусловливают величину максимального уровня и максимального расхода воды, возникающих весной наводнений, относятся:

- запас воды в толще снега перед его таянием весной;

- наличие атмосферных осадков в период таяния снега;

- глубина промерзания грунта до начала таяния снега;

- осенне-зимнее увлажнение грунта до накрытия его снегом;

- наличие ледяного покрова на грунте;

- интенсивность таяния снега;

- нарушение режима хозяйствования в водоохранных зонах и прибрежных защитных полосах рек;

- наличие озёр, заболоченность и вместимость бассейна;

- недостаточное выполнение мероприятий по инженерной защите территории на речных водозаборах.

Существуют разные классификации наводнений в зависимости от высоты и скорости подъёма воды, обеспечения стока и уровня воды, площади затопления, размера причинённых убытков, характера разрушения русла и берега реки. В зависимости от частоты, размера площади затопления и величины убытков наводнения делятся на низкие (малые), средние, большие, выдающиеся (исторические) и катастрофические.

По площади затопления наводнения классифицируются на локальные и региональные. Локальное наводнение случается на отдельных малых речках или притоках, региональные – охватывает речной бассейн в целом или несколько бассейнов.

В деле создания эффективного комплекса мероприятий борьбы с наводнениями чрезвычайно важное практическое значение имеет прогнозирование погоды и своевременное гидрометеорологическое предупреждение о вероятности выпадения дождей и развития наводнения.

Прогноз – это чрезвычайно важная и полезная информация, а в отдельных случаях, особенно в период перед началом наводнения, крайне необходимая для своевременного решения неотложных социально-хозяйственных задач, предупреждения и уменьшения негативных последствий стихии, сохранения жизни людей.

В зависимости от срока предупреждения гидрометеорологические прогнозы делятся на:

- краткосрочные (дождевые паводки, нагонные явления) – со временем упреждения до 7 суток;

- среднесрочные (уточнение прогноза наводнения) – с временем упреждения от 7 до 15 суток;

- долгосрочные (предварительный прогноз наводнения) – с временем упреждения более 15 дней.

Точное предсказание наводнения, предупреждение о их развитии за 12-48 часов дают возможность осуществить предусмотренные и целенаправленные меры, влияющие на ситуацию развития наводнения, создать деловой механизм реагирования и организовать противопаводковую защиту, планировать работу инженерных сооружений, подготовить и принять экстренные мероприятия по эвакуации населения, эффективного ведения аварийно-восстановительных работ.

Естественно, что точный прогноз наводнения может быть сделан только на основе совокупного массива оперативной и предупреждающей метеорологической и гидрологической информации, использования научно обоснованных и проверенных на практике методов прогноза.

Результаты прогнозирования расчётов наводнений на начало каждого года выдаются пользователям в виде карт, на которых изолиниями обозначены бассейны с разными показателями возможных максимальных повышений (или снижений) уровня воды относительно среднего многолетнего уровня.

Таким образом, можно прогнозировать наводнения:

- по прогнозным картам устанавливаются максимально возможный подъём уровня воды на реках для определённого населённого пункта;

- значения превышения прилагаются к значениям соответствующих величин среднего многолетнего уровня воды на реке для определённого населённого пункта, который имеется в территориальном органе Гидрометеоцентре Украины;

- сравнения полученного значения отметки с величиной критического уровня, даёт информацию о возможности затопления того или иного населённого пункта.

Исполнение мероприятий, связанных с предупреждением вредного влияния наводнений и паводков возложено на Госводохозяйство Украины.

Нагоны и их прогнозирование

Нагоны воды – подъём уровня, создаваемый действием ветра на поверхность воды. Нагоны, которые приводят к подтоплению, случаются в морских горловинах рек, а также на больших озёрах и водохранилищах.

Нагон возникает на наветренном берегу водохранилища за счёт увеличения давления на поверхности раздела вода-воздух. Верхние слои воды, втянутые ветром в движение в сторону подветренного берега, получают опору нижних слоёв. С возникновением уклона водной поверхности, нижние слои воды начинают двигаться в противоположном направлении. Вследствие неравномерности расхода воды, которая двигается в противоположном направлении, возникает подъём уровня с подветренного берега.

Ветровые нагоны (наводнения, паводки, заторы и зажоры) являются особо опасными гидрологическими явлениями. Основной причиной возникновения нагонных подтоплений является сильный и длительный ветер.

Основными характеристиками нагонных явлений, по которым можно оценить величину нагона, являются: погонный уровень воды, измеряемый метрами; глубина распространения нагонной волны; площадь затопления и его длительность.

Основными факторами, которые влияют на величину уровня в морских горловинах рек, являются направление и скорость ветра. Для каждой местности можно определить направления ветра над водоёмом, при котором нагонные явления будут максимальными. При этом ещё необходимо учитывать время наступления прилива и отлива; соответственно нагон будет большим или меньшим. Ещё одной особенностью морских нагонов является то, что нагонная волна распространяется против течения реки на большое расстояние. Она увеличивается с уменьшением наклона и увеличением глубины реки. Длительность затопления составляет от нескольких часов до нескольких суток.

Основными факторами, которые влияют на подъём нагонного уровня больших водоёмов, являются: скорость, направление ветра, длина разгона ветра над водоёмом, средняя глубина водоёма по длине разгона, а также величина и форма водоёма. Чем больше водоём и меньше его глубина, тем больших размеров достигают нагоны.

Последствия от нагонных явлений идентичны последствиям наводнений. В зависимости от последствий нагонного явления они делятся на малые, большие, исторические и катастрофические.

В понятие прогноза нагонных паводков входят оценка величины подъёма уровня воды и ожидаемое время подъёма. Прогноз нагонного паводка постоянно необходимо уточнять. В соответствии с физико-географическими и климатическими условиями для каждой местности, где имеют место нагонные явления, разрабатываются конкретные прогнозы нагонных паводков.

Селевые потоки и их прогнозирование

Селевые потоки (сели) – это кратковременные горные потоки, которые состоят из смеси воды и большого количества твёрдого материала. Они возникают вследствие дождей, интенсивного таяния снега и льда, образования завалов и дамб в долинах, где имеются большие запасы россыпей обломочного материала. Сели становятся крайне опасными гидрологическими явлениями, когда селевой поток угрожает населённому пункту, железной и автомобильной дорогам, оросительным системам и другим важным объектам.

Создание и развитие селей происходит в три стадии:

- первая – подготовка на склонах и в руслах горных бассейнов материалов, которые служат источником для формирования селевых потоков;

- вторая - быстрое перемещение скального (каменного) материала, который в низменностях утратил равновесие, по сравнению с повышенными участками горных водопадов;

- третья – аккумуляция селевых выносов в пониженные участки горных долин в виде русловых конусов или других форм селевых отложений.

Механизмы зарождения селей (таблица)

В зависимости от высоты селевых потоков, они подразделяются на высокие (2,5км и более), средневысокие (1,0 -2,5км) и невысокие (до 1 км). Различают три главных типа механизмов зарождения селевых потоков: эрозийный, прорывной и обвально-оползневый (таблица 1).

Возникают селевые потоки при одновременном наличии трёх условий:

а) наличие на склонах бассейна достаточного количества продуктов разрушения горных пород;

б) наличие необходимого объёма воды для смыва или сноса рыхлого твёрдого материала, и его перемещения по руслу;

в) наличие крутого склона, где горные породы богаты глинистым материалом и водотока.

По мощности селевые потоки подразделяются на:

- очень малые (с выносом материалов меньше 1,0 тыс. м³);

- средние (с выносом материалов от 10,0 до 100 тыс. м³);

- большие (с выносом материалов от 0,1 до 1,0 млн. м³);

- очень большие (с выносом материалов от 1,0 до 10,0 млн. м³);

- гигантские (с выносом материалов больше 10,0 млн. м³);

Селевые потоки сходят случайно, иногда мгновенною Время схода селевых потоков незначительное, длительность их составляет 1-3 часа. Движение селя – это смешанный поток воды, камней, грязи со скоростью от 2 до 10 м/час.

Главное и определяющее свойство селя – это отношение твёрдых веществ к жидкости, из которых состоит сель. Поэтому по характеру сели подразделяются на водокаменные (смесь воды и камней больших размеров), грязекаменные (смесь воды, гравия, гальки и небольших камней), грязевые (смесь воды, небольшого количества земли и мелких камней). Объёмы селей могут достигать сотен тысяч и миллионов м³, а размеры обломков – до 3-4 м в поперечнике, имеющие массу до 200 тонн. Максимальная высота вала водогрязевого потока селя может достигать 25 м.

Иногда используются такие характеристики, как средняя и максимальная глубина и ширина селя. Ширина селя зависит от ширины русла, по которому двигается селевой поток, и может составлять от 3 до 100 м. Глубина селевого потока может составлять 1,5-15 м, а длина русла селя – от нескольких десятков метров до нескольких десятков километров.

Распространение и интенсивность селей в горных и предгорных районах Карпат и Крыма определяются отличиями тектонического и сейсмического режимов горных зон, зависит от геологического строения территории, особенностями геоморфологических условий и деятельности человека.

Селевые процессы в Карпатах и Крыму развиваются на 70% в районах горных водозаборов. По данным Госкомгеологии в АРК селевые бассейны занимают 3% площади, в Закарпатской – 4%, в Черновицкой – 15%, в Ивано-Франковской – 33%, в Львовской – 8%. На территории Крыма выделяют четыре селеопасных района. Наиболее селеопасным является юго-восточный район, что расположен между Алуштой и Судаком (наличие нескольких горных речек, преобладание наклонного рельефа – величина склонов до 30°). Это создаёт благоприятные условия для формирования селей. Периодичность проявления селей в этом районе составляет 2-6 лет.

В Карпатском регионе выявлено 219 селевых водозаборов. Высокой селевой активностью характеризуются бассейны речек Черемша и Прут, где формируются преимущественно водокаменные, реже – грязекаменные сели.

По соотношению фаз в селевых потоках для Карпат и горного Крыма характерны несвязанные водокаменные ( больших и малых глыб, щебёнка), грязекаменные и глинокаменные сели. Насыщенность твёрдой фазы селя до 350-450 кг/м³ воды. Преобладают сели малой (объём выносов – 10-12 тыс. м³) и средней (объём выносов – 20-100 тыс. м³) мощности. Катастрофические сели имеют объём от ста тысяч до 1 млн. м³, период их повторения составляет один раз за 1-5 лет. Сели распространяются в виде 1-3 валов высотой до 2м в Крымских горах и до 4м в Карпатах с соответствующей скоростью (2-2,4 и 3-4 м/сек). Удельный выброс может составлять от 20 до 150 м³/сек.

Для селей характерно резкое непродолжительное поднятие уровня воды, волновое движение, значительная разрушительная сила. Угроза селевых потоков при неблагоприятных погодных условиях (интенсивные ливни, редко таяние снега) распространяется для 30 населённых пунктов Карпат и Крыма, а также на некоторые дороги и линии коммуникаций.

Селеопасные бассейны в горных и предгорных районах – сосредоточие развития всех опасных геологических процессов. Селевые процессы являются причиной гравитационных уменьшений пород на склонах, которые провоцируют оползни и обвалы, благоприятствуют накоплению твёрдой составляющей части селей.

Техногенная деятельность значительно влияет на ускорение селевых процессов. В последнее десятилетие сели регистрируются каждые 2-3 года, хотя лет 50 тому назад они возникали 1 раз за 8 лет. Причина этому – интенсивная вырубка лесов, добыча полезных ископаемых, прорыв гребель, нерегулируемый выпас скота на полях.

Под прогнозированием возможности селевых потоков (селей), или прогнозированием селевой опасности, понимают своевременное предвидение формирования селевого потока в районе как в пространстве, так и во времени, а также определение некоторых его параметров, особенно времени достижения селевого потока от места зарождения до заданного места.

Прогнозы селевой опасности подразделяются на задолговременные (до 3 месяцев), долговременные (3-4 недели), кратковременные (1-3 суток), а также оперативные, которые определяются временем достижения селевого потока до объекта экономики. Кратковременные и оперативные прогнозы являются самыми достоверными.

Прогнозы селевой опасности и предупреждения возникновения селевых явлений составляются по каждой зоне ответственности органами Гидрометцентра (Карпаты, Крымские горы).

Прогнозирование последствий действий селей – это сбор, анализ и систематизация многолетних данных по последствиям влияния селей за все годы наблюдений, а также прогноз основных параметров селей, которые могут возникнуть в пределах конкретного района. Целью прогнозирования последствий селей является оценка убытков, причинённых селями, важность объектов, которые могут быть подвержены разрушительному влиянию селя (населённые пункты, объекты экономики, участки дорог, мосты, линии электропередач, линии связи и др.).

Скачать полный текст лекции по гидрологическим явлениям