ПРОБЛЕМЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПАВОДКОВ И НАВОДНЕНИЙ

В статье обращается внимание на то, что наводнения происходят в России ежегодно, некоторые из них с гигантским ущербом для страны. Надежное их прогнозирование требует своевременного определения объема и временные параметры дождевых водотоков и мощности и скорости русловых потоков на всем протяжении реки. Обсуждаются вопросы повышения точности измерения этих параметров.

Ключевые слова: прогнозирование водотоков, водоносность облаков, уровень потока, профиль и уклон реки, наводнение.

На реках России паводки нередко переходят в наводнения, часто нанося гигантский ущерб территориям. По данным, опубликованным в различных СМИ в 2016 году, первым в России было наводнение в низовье р. Дон. Из-за сгона воды при сильном ветре из Таганрогского залива в Азовский район Ростовской области сложилась чрезвычайная ситуация. Вода тогда поднялась выше семи метров и подтопила 21 населенный пункт. В трех населенных пунктах отключили газоснабжение. Без газа остались около 1,8 тыс. человек. Всего в зоне подтопления, как сообщало региональное МЧС, оказались более двух тысяч домовладений, в которых проживали около 5 100 человек. Из-за наводнения пришлось эвакуировать около 320 человек. Людей селили к родственникам и в пункты временного размещения [1].

Весенний паводок 2016 г. в Якутии затопил поселки и основные транспортные коммуникации. Ущерб составил почти 1 миллиард рублей. Всего подтоплено 5 населенных пунктов, на территории 2 муниципальных образований и одного городского округа, которые включают 108 дворовых территорий, где проживает 305 человек, в том числе 102 ребенка, 419 жилых домов, с населением 1 356 человек, из них 450 детей и 4 социальнозначимых объекта [2].

Наибольший ущерб принесло наводнение на реке Амур в июле – ноябре 2016 г., когда были затоплены территории пяти регионов страны: Амурской области, Хабаровского края, Еврейской автономной области, Республики Саха (Якутия) и Приморского края. В результате наводнения на Дальнем Востоке подтоплено свыше 11 тысяч домов. Более 100 тысяч человек потеряли кров и все имущество. В зоне подтопления оказались 130 населенных пунктов. Общий ущерб от наводнения превысил 30 миллиардов рублей [3].

Всегда у населения возникает вопрос, почему его не предупредили о предстоящем наводнении. Прокуратура ищет виновных среди сотрудников администрации территорий и руководителей местных подразделений МЧС. А главные причины несвоевременного оповещения о начале такого грозного природного явления, по нашему мнению, заключаются в том, что:

• разобщены научные учреждения страны; на сегодня не разработают надежные методики оперативных (сутки – часы) прогнозов наводнений, в основе которых использовались бы современные аэрокосмические и информационные технологии;
• нет достаточного приборного оснащения измерений различных параметров этого грозного явления на всех этапах его зарождения и развития;
• нет организационной структуры, способной владеть необходимым приборным и методическим арсеналом, применять его на всём бассейне реки, а не на отдельных его участках.

1. Проблемы прогнозирования паводков и наводнений. Явления, предшествующие наводнению.

Цепочка явлений, предшествующая наводнению, следующая: скопление дождевых облаков над бассейном водосбора – интенсивный дождь со снеготаянием – формирование водотока по руслам рек горного водосборного участка – прохождение водотока по основному равнинному руслу до устья реки.

Если водоток по своему объему вмещается в существующее русло, то наводнений не будет. Обычно русло реки имеет несколько критических участков, где небольшое превышение паводкового уровня вызывает перелив воды через ограждающие дамбы, их размыв и затопление территорий. Это обычно в нижней части реки. Чаще встречаются по руслу реки сравнительно небольшие низменные участки (район стариц), которые раз в несколько лет затопляются. Такие участки должны быть объектом усиленного контроля местных властей с целью запрета поселений в них и исключения возможных больших социальных потерь.

Прогнозированию поведения рек посвящены много работ [4, 5]. Наиболее точные результаты были достигнуты при прогнозе уровня Невских наводнений, где уверенный прогноз составляется на 6 часов. Достаточно грубые ошибки прогнозирования других паводков описаны в работе [5].

Работы по прогнозированию поведения рек можно разделить по назначению на две группы. Первая, самая многочисленная, посвящена прогнозированию поведения реки с целью создания надежных гидротехнических сооружений.

Вторая – краткосрочным прогнозам уровня рек (сутки) для своевременного предупреждения катастрофических наводнений. Вторая группа изучена слабо, ибо требует знания рельефа и профиля водосборного участка и русла рек с высокой точностью (сантиметры уровня). Это очень трудозатратные работы. Их отсутствие и объясняет низкую оперативность и недостаточную точность суточных прогнозов.

Ошибочность свойственна всем этапам прогнозирования развития ливневых потоков. Повышение точности оперативных прогнозов быстротекущих ливневых процессов, вызывающих большие материальные потери, требует достаточно точных знаний географических параметров русла, гидрометеорологических характеристик, математических моделей развития опасных береговых и донных явлений и механизма ежегодной корректировки их параметров. Под оперативным прогнозом мы понимаем прогноз на время, меньшее времени продвижения потока от истока до устья. Решающая роль при прогнозировании принадлежит полноте и точности количественных характеристик выпадающих осадков, дефицита почвенной влаги, уровнях воды в реке, геометрических характеристик водосбора и водотока, параметров общей синоптической обстановки, ветра, атмосферного давления, гидрологии всего русла. Для невских наводнении благодаря труду ученых за несколько десятилетий удалось создать модели точного прогноза (6 часов). А вот дать точный прогноз по наводнениям, описанным в начале статьи, оказалось непосильной задачей для служб Росгидромета.

Ошибки прогнозирования возникают прежде всего при определении общего объема дождевой воды над водосборным участком. Сейчас он определяется качественно радиолокацией по всему объему облачности. Но остаются неопределенными топографические характеристики осадков, момент начала дождя и его окончания, процент превращения водяных паров в дождь, количество влаги, поглощаемой почвой. Именно эти данные снижают качество оперативного прогноза водотока на начальных этапах.

Следующий этап – количественная формализация потока в начале русла реки. Весь бассейн водосбора всегда можно разделить на участки, которые в нижней части имеет русло. При прогнозировании объема потока в начале русла необходимо знать площадь дождевых осадков и их плотность, площадь и объем снеговых осадков, общую синоптическую обстановку, скорость выходного потока в русле водосборного участка и динамику его уровня.

Далее должны быть известными точные топографические характеристики русла, позволяющие рассчитывать скорости потока воды и её уровень в существующем рельефе. Модель потока должна обеспечивать периодичность расчетов в среднем через каждые 100 м. Ошибка оценки уровня должна быть несколько сантиметров в местах возможного перелива через обвалование русла. Расчет должен заканчиваться картой риска перелива через существующие границы русла и объемами затопления, а также разрушения боковых бортов русла.

2. Определение количества выпадающих осадков.

Наиболее опасны для ливневых процессов кучево-дождевые облака. Это белые облака с темными, иногда синеватыми основаниями, поднимающиеся в виде огромных масс, подобных горам с ослепительно белыми вершинами. Высота основания 0,4–2 км. Осадки имеют ливневый характер, часто наблюдается гроза [5].

Кучево-дождевые облака содержат капельки воды и ледяные кристаллы. Мощность их колеблется от 5–7 км до 13–14 км. Последние несут очень сильные ливни, грозы, град. По принятой классификации выделяются три типа кучево-дождевых облаков: одноячейковые, многоячейковые и облака типа сверхячеек (суперячеек). Одноячейковые облака состоят из одной конвективной ячейки с восходящим потоком в центральной части и имеют осесимметричную форму. Осадки этих облаков могут достигать грозовой и градовой интенсивности, но быстро разрушаются. Продолжительность жизни таких облаков около 1 часа, верхняя граница достигает уровня 8–12 км, поперечный размер 5–20 км.

Более мощные и долгоживущие облака имеет несколько конвективных ячеек разной стадии развития (многоячеистые). С ними связаны сильные грозы и ливни, град. Продолжительность жизни в среднем около полутора часов. Поперечный размер 20–40 км высотой до 16 км.

Наиболее интенсивные облака – это сверхячейки. Они имеют одноячейковую структуру с горизонтальными размерами 20–40 км и высотой 12–16 км. Наблюдаются большие скорости ветра до 40 м/с. В окрестностях вершин имеет место сложная картина вертикальных движений. С такими облаками связаны градообразование и катастрофические ливни. Продолжительность жизни до 4 часов.

Основная задача прогнозирования осадков из кучево-дождевых облаков требует определения проекции дождевого потока на земную поверхность, его плотность и динамику изменения интенсивности. Эти данные позволяют вычислять характеристики осадков, выпадающие на рассматриваемую территорию. Хотя в литературе имеются сообщения о создании численных

моделей полей конвективной облачности, решение поставленной задачи требует большого эмпирического материала о топографии исследуемой местности.

Раннее обнаружение таких кучево-дождевых облаков возможно методами радиолокации. При помощи радиолокаторов обнаруживаются облака, осадки, области повышенных градиентов температуры и влажности, ионизированные следы молниевых разрядов и др. Из радиолокационных наблюдений получают информацию о пространственном положении, перемещении, структуре, форме и размерах обнаруживаемых объектов, а также их физических свойства.

Определение численных характеристик облаков основаны на эмпирических зависимостях интенсивности отражения и количества выпадающих осадков на площади радиолокационного обзора. Более высокая точность достигается при измерении ослабления радиоволн. По степени деполяризации отраженных сигналов судят об агрегатном состоянии облаков форме частиц облаков и осадков. Однако точность всех таких измерений недостаточна для надежных прогнозов выпадающих осадков.

3. Прогнозирование характеристик русловых потоков.

Интерес математиков к формализации речного потока был проявлен еще в XVII веке. Французским инженером-гидравликом А. Шези была выведена формула для определения средней скорости потока при установившемся равномерном турбулентном движении жидкости в области квадратичного сопротивления для случая безнапорного потока [9]. Формула учитывает коэффициент сопротивления трения по длине, являющийся интегральной характеристикой сил сопротивления, гидравлический радиус и гидравлический уклон.

На сегодняшний день наука достаточно далеко продвинулась в разработке технологий прогнозирования. Используются: теория вероятностей, теория численных методов анализа, дифференциальные уравнения. Для оперативного прогнозирования по нашему опыту целесообразно использовать формулы потока в трапецеидальном многоугольнике при заданных трапециях входного и выходного сечения, а также уклона. Причем верхняя сторона трапеции горизонтальная. Аналогичные многоугольники применяются для расчетов паводков и наводнений. В общем виде используются три смежные между собой по горизонтали трапецеидальные многоугольники. Для каждого многоугольника формулы расчета потока и уровня разные. Такая модель позволяет упростить прежде всего топографические работы, точность которых достаточно высокая – не более 2 см.

Для точных измерений координат на поверхности земли применяются методы оптической локации [8]. Оптическая локация использует электромагнитные волны в диапазонах от ультрафиолетовых до дальних инфракрасных, генерируемых лазером. Лазерные импульсы, рассеянные в атмосфере газами и аэрозолями, регистрируются приемником лазерного локатора, принося информацию о распределении молекул и аэрозолей. По этой информации можно вычислять высоту, толщину, водность облаков и концентрацию капель в них, положение и состояние слоев аэрозолей. Для топографической съемки необходима аэросъемка по всему руслу реки на расстояние, по профилю превосходящее максимальную зону наводнения.

Следующая проблема – корректировка расчетов уровня и потока в заданной точке русла. Расчетные характеристики сравниваются с реальными измерениями уровня стационарными уровнемерами. Уровнемеры должны быть бесконтактными и съемными, оснащенными устройствами передачи данных. Для точки расположения уровнемера снимается фактическая зависимость скорости потока от уровня.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Прогнозирование паводков и наводнений выполняется последовательно. Вначале собираются исходные топографические данные: площадь водосбора по существующим картам и аэрокосмическим снимкам, участки водосбора с единственным истоком, участки русла с подобными берегами, участки паводков, участки наводнений. Определяются места установления уровнемеров. Это обычно мосты, плотины и т.п.

Для всех выделенных участков составляются математические модели стока и уровня, которые многократно проверяются в реальных условиях стока. Прогнозирование выполняется в реальных условиях интенсивного потока реки. Для Северного Кавказа – это период мая – июля. Минимальный срок составления полной модели прогнозирования уровня и стока рек Северного Кавказа – один – два года.

Список литературы:

1. Наводнение в Ростовской области: паводок затопил Азов, Таганрог и села [электронный ресурс]. Режим доступа — URL: http://www.mr7.ru/ articles/80339 (дата обращения 12.05.2018)
2. Паводок-2016: в Якутии подтоплено 5 населенных пунктов [электронный ресурс]. Режим доступа: — URL: http://yakutsk.bezformata.ru/listnews/yakutii-podtopleno-5-naselennih-punk tov/11582611/ (дата обращения 12.05.2018)
3. История трагических наводнений на Амуре [электрон- ный ресурс]. Режим доступа: — URL: http://деревенька-моя.рф/istoriyatragicheskix-navodnenij-na-amure/ (дата обращения 12.05.2018)
4. Шабаев Р. И., Моргунова И. Е. Моделирование и прогнозирование катастрофических наводнений в СПБ [электронный ресурс]. Режим доступа: — URL: http://do.gendocs.ru/docs/index-146717.html (дата обращения 12.05.2018)
5. Мониторинг и прогнозирование наводнений [электронный ресурс]. Режим доступа: — URL: http://survincity.ru/2012/02/monitoring-i-prognozirovanie-navodnenij/#ixzz 2rfv1qp8/ (дата обращения 12.05.2018)
6. Кучево-дождевые облака [электронный ресурс]. Режим доступа: — URL: http://igras.ru/index.php?id=7241&r=207/ (дата обращения 15.05.2018)
7. Течение и расход воды в реках [электронный ресурс]. Режим доступа: — URL:http://big-аrchive.ru /geography/ (дата обращения 15.05.2018)
8. Медведев Е. М., Данилин И. М., Мельников С. Р. Лазерная локация земли и леса. Красноярск, Институт леса им. В. Н. Сукачева СО РАН.: Геолидар, Геокосмос, 2007. 229 с
9. Формула Шези [электронный ресурс]. Режим доступа: — URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/ (дата обращения 16.05.2018)