2.2.Гидрометеорологические катастрофы

Конец  века и начало  века были сопряжены с увеличением числа гидрометеорологических проявлений природных катастроф на жизнедеятельность людей, что во многом связано с зарегистрированным потеплением на нашей планете. Число экстремальных явления выпадения интенсивных осадков, наводнений , засух и пожаров возросло за последние 50 лет на 2-4 %.В частоте и интенсивности тропических штормов доминируют междесятилетние-многодесятилетние колебания, особенно, в тропической зоне Северной Атлантики и западной части Северо-Тихоокеанского региона. Почти повсеместно уменьшаются площади горных ледников и массы льда, уменьшение площади и толщины морского льда в Арктике в весенний и летний периоды согласуется с повсеместным повышением приземной температуры. Увеличение концентрации парниковых газов, природных и антропогенных аэрозолей, количества облаков и осадков, усиление роли проявлений Эль-Ниньо обуславливают изменение глобального распределения энергии системы «Земля-атмосфера».Теплосодержание мирового океана увеличилось и повышается средний уровень моря со скоростью порядка 1-3 мм/год. Жертвами гидрометеорологических катастроф ежегодно становятся десятки тысяч людей, а материальный ущерб достигает десятков тысяч долларов (с 1980 гг. отмечается экспоненциальный рост ущерба со временем)[ 22,34-37 ].

2. 2.1 Виды наводнений.

Вода играет огромное значение для жизни на Земле. Ее нельзя ничем за­менить. Она нужна всем и всегда. Но вода может быть и причиной больших бед. Из них особое место занимают наводнения. По данным ООН за последние 10 лет во всем мире от наводнений пострадало 150 млн. человек. Статистика свидетельствует: по площади распростране­ния, суммарному среднему годовому ущербу и повторяемости в мас­штабах нашей страны наводнения занимают первое место в ряду других стихийных бедствий. Что же касается человеческих жертв и удельного материального ущерба, то - есть ущерба, приходящегося на единицу пораженной площади, то в этом отношении наводнения занимают второе место после землетрясений [32].

Наводнение - это значительное затопление местности, вызванное подъе­мом уровня воды в реке, озере, прибрежном районе моря. По причинам, вызывающим подъем уровня воды, различают следующие виды наводне­ний: половодье, паводок, подпорное, наводнение прорыва, нагонное, при действии подводного источника большой энергии.

Половодье и паводок связаны с прохождением большого для конкретной реки расхода воды.

Половодьем называют ежегодно повторяющееся в один и тот же сезон относительно длительное существенное увеличение водоносности реки. Причина половодья - возрастающий приток воды в речное русло, вызван­ный весенним таяньем снега на равнинах, таяньем снега и ледников в горах летом, продолжительными муссоновыми дождями. Уровень воды на малых и средних равнинных реках во время весеннего половодья поднимается на 2..5 метров, на крупных, например, на сибирских- на 10..20 метров. При этом реки могут разливаться в ширину до 10..30 км. и более. Наибольший из известных подъемов уровня воды до 60 метров наблюдался в 1876г. в Китае на реке Янцзы в районе Игана[32]. На малых равнинных реках весен­нее половодье длится 15..20 дней, на крупных – до 2..3 месяцев.

Паводок – это сравнительно кратковременный (1..2 суток) подъем воды в реке, вызванный обильными ливневыми дождями или бурным таянием снежного покрова. Паводки могут повторяться по несколько раз в году. Иногда они проходят один за другим, волнами, в зависимости от количе­ства сильных ливневых дождей.

Подпорное наводнение возникает в результате увеличения сопротивле­ния стоку воды при заторах и зажорах льда в начале или конце зимы, при заторах на лесосплавных реках, при частичном или полном перекрытии русла вследствие обвалов при землетрясениях, оползнях.

Нагонные наводнения создаются ветровыми нагонами воды в заливах и бухтах на морском побережье и берегах крупных озер. Могут возникать в устьях крупных рек вследствие подпора стока нагонной ветровой волной. В нашей стране нагонные наводнения наблюдаются на Каспийском и Азов­ском морях, а также в устьях рек Невы, Западной Двины и Северной Двины. Так в городе Санкт – Петербурге такие наводнения происходят почти ежегодно, особо крупные были в 1824г. и в 1924г.

Наводнение прорыва относится к числу наиболее опасных. Оно возни­кает при разрушении или повреждении гидротехнических сооружений (плотин, дамб) и образовании волны прорыва. Разрушение или поврежде­ние сооружения возможны из-за некачественного строительства, в резуль­тате неправильной эксплуатации, при применении взрывных видов оружия, а также при землетрясении.

Наводнения, вызываемые действием мощных импульсных источников в водных бассейнах, также представляют серьезную опасность. Природными источниками являются подводные землетрясения и извержения вулканов, в результате этих явлений в море образуются волны цунами; техническими источниками – подводные ядерные взрывы, при которых формируются по­верхностные гравитационные волны. При выходе на берег эти волны не только затапливают местность, но и трансформируются в мощный гидропо­ток, выбрасывающий на берег суда, разрушающий здания, мосты, дороги. Например, при нашествии и 1896г. цунами на северо-восточное побережье о.Хонсю (Япония) было смыто свыше 10 тыс. строений, погибло около 26 тыс. человек[34-37]. Наводнения, вызываемые действием мощных импульсных источников в водных бассейнах, также представляют серьезную опасность. Природными источниками являются подводные землетрясения и извержения вулканов, в результате этих явлений в море образуются волны цунами; техническими источниками – подводные ядерные взрывы, при которых формируются по­верхностные гравитационные волны. При выходе на берег эти волны не только затапливают местность, но и трансформируются в мощный гидропо­ток, выбрасывающий на берег суда, разрушающий здания, мосты, дороги. Например, при нашествии и 1896г. цунами на северо-восточное побережье о.Хонсю (Япония) было смыто свыше 10 тыс. строений, погибло около 26 тыс. человек[34-37].

Ниже рассматриваются основные параметры половодья, паводка, на­воднений прорыва, нагонного и цунами, даются рекомендации по оценке последствий и защите от наводнений.

2.2. Половодье. Одной из основных характеристик течения рек является расход-объем воды, проходящий через поперечное сечение русла в единицу времени. Из­менение расхода во времени в период половодья (гидрограф) представлено на рис. 2.3

Рис. 2.3.

Гидрограф половодья. - бытовой расход, Q_m - максимальный расход.

При половодье имеет место плавное, относительно медленное изменение параметров потока (квазистационарное течение). На рис. 2.3 величина N_r- это скорость распространения расхода Q_m по руслу реки, величина V - скорость течения воды при прохождении расхода Q_m; при половодье .

Для определения параметров водного потока в речных руслах использу­ются уравнения Сен-Венана[34]:

(2.39)

и ,

где - расход воды, V – средняя скорость потока в рассматриваемом поперечном сечении, S – площадь этого сечения, B – ширина свободной поверхности водного потока, - коэффициент сопротивления русла, - боковой сток и приток воды (таяние снега, грунтовые воды, при­токи). Для пояснения обозначений на рис. 2.4 приведена схема русла реки.

На рис. 2.4 ось x расположена горизонтально вдоль русла и в направлении течения реки.

П

Рис.2.4. Схема русла реки.

роанализируем вначале первое уравнение системы (2.39). Это уравнение движения. Первые два члена в уравнении выражают инерцию элементар­ного объема жидкости, третий член – разность давлений на основаниях этого объема (сила горизонтального градиента давления или, что-то же са­мое, составляющая силы тяжести по оси движения потока, проинтегриро­ванная по площади S). В правой части уравнения стоит выражение для ин­тегральной силы сопротивления.

Второе уравнение системы – уравнение неразрывности. Здесь первый член – скорость изменения площади сечения, второй – горизонтальная не­равномерность потока. Член в правой части уравнения определен выше.

Для получения представления о параметрах движения потока при поло­доводье рассмотрим случай q (x, t)=0. Он может наблюдаться, например, в разгар половодья, когда дополнительное поступление воды за счет таяния снега практически прекращается, а также при отсутствии боковых речных притоков.

Как отмечалось, при половодье имеет место относительно медленное из­менение параметров потока (квазистационарное течение). Следовательно, производными по времени в уравнениях (2.39) можно пренебречь.

При , уравнение неразрывности приводится к виду:

(2.40). Его решение имеет вид: . (2.41).

Решение (2.41) позволяет приближенно рассматривать квазистационарное течение при половодье как установившееся.

Установлено также, что при квазистационарном течении жидкости вто­рой член в уравнении движения играет меньшую роль, чем третий. С уче­том данного обстоятельства уравнение движения может быть упрощено дополнительно:

. (2.42).

Проанализируем это уравнение. Так как , , где - уклон, и принимая для широких русел , можно получить:

. (2.43).

В гидравлике коэффициент сопротивления русла , где C – коэф­фициент Шези; в свою очередь , где n – коэффициент шероховато­сти русла[36]. Подставляя данные соотношения в уравнение (2.43), находим:

(2.44). Выражение (2.44) аналог формулы Шези [36]:

(2.45) ,где , - гидравлический радиус; - смоченный периметр.

Для прямоугольного русла шириной “b” при глубине потока “h” вели­чины , , имеют значения , , . Следовательно, для широкого прямоугольного русла при b>>h величина . Приближенно соотношение принимают и для других широких русел, когда b>h. С учетом сделанных пояснений расход при по­ловодье может быть представлен в виде:

. (2.46).

Средние уклоны дна: – для равнинных рек; – для предгорных рек; > 5 10^-3 – для горных рек. Значения коэффициента шероховатости приведены в табл.2.8

Таблица 2.8.