книги / Опасные природные процессы. Вводный курс

Гшва 10. Гидрологические и гидрогеологические опасные природные процессы

паводков уменьшаются площади весеннего затопления поймы, происходит снижение уровня грунтовых вод. проточность водохранилища и скорость пробега воды уменьшается иногда в 10 раз, поэтому речные воды транс­ формируются в водохранилищные водные массы, в которых образуются специфические биоценозы. Изменение гидрологического режима оказыва­ ет большое влияние и на прилегающие территории. Большие водные массы начинают аккумулировать тепло и медленнее отдавать его — изменяются микроклимат и радиационный баланс, а следовательно, температура, влаж­ ность, ветровой режим. Но это влияние наблюдается лишь в полосе 1—3 км. На прилегающих территориях уровень грунтовых вод повышается, неред­ ко земли заболачиваются,, изменяется их минерализация, почвы трансфор­ мируются.

Основная проблема равнинных водохранилищ — затопление и подтоп­ ление земель при их наполнении. В целом по СССР было затоплено 7 млн га. Изъято из оборота: пашни — 0,7 млн га (10%), сенокосов и пастбищ — 1,8 млн га (29%), дополнительно изъята плошадь зоны переформирования берегов. Примерно 10—15% приходится на плошадь подтопления, но эти зе­ мли часто остаются в пользовании, хотя с риском и с ухудшением качества (продуктивность снижается до 50% из-за подъема уровня грунтовых вод).

Важно отметить, что из оборота изымаются, как правило, высокопроду­ ктивные земли, пойменные сенокосы, урожаи трав на которых в 3—5 раз вы­ ше суходольных сенокосов. Ниже водохранилищ исчезают заливные луга, высыхают нерестилища. Поэтому предусматривают специальные пуски воды в конце весны и начале лета. При создании водохранилищ на реках проис­ ходит изменение физических свойств воды, солевого состава, биогенных эле­ ментов, численности и распределения фито- и зоопланктона. Идет оседание частиц, улучшается прозрачность воды. Но иногда создание водохранилищ не вполне выгодно, например, на Припяти нужен большой объем дамб.

Кроме того, существуют отрицательные косвенные эффекты — напри­ мер, сведение лесов по берегам рек и водохранилищ, при этом увеличивает­ ся максимальный сток в результате уменьшения инфильтрационной способ­ ности почв, сокращения суммарного испарения. После полного сведения леса максимальный поверхностный сток возрастает на 25—300%.

ОБЩАЯ СХЕМА МЕР ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ УЩЕРБА ОТ НАВОД­ НЕНИЙ

Превентивные меры

П лановое освоение водосборного бассейна:

жесткое регулирование мероприятий по осушению болот; регулирование рубки леса; регулирование строительства каскада водохранилищ.

381

Раздел И. Опасные природные процессы

П лановое освоение пойм:

нормативное районирование; плановое развитие различных зон наводнений; правила строительства.

Регуляционные меры

Регулирование ст ока:

плотины и водохранилища; ограждающие дамбы; реконструкция русел; реконструкция области водосбора.

Другие меры

Предсказание наводнений. Системы оповещения.

Обеспечение безопасности при наводнениях. Здравоохранение.

Политика благоустройства прилегающих территорий. Сохранение свободного пространства.

Налоговые льготы. Страхование от наводнений.

Современные меры защиты от наводнений и других опасных гидроло­ гических явлений включают инженерные и неинженерные мероприятия.

Инженерные мероприятия направлены на задерж ание или от вод м акси ­ мального ст ока и его регулирование с целью предотвращения затоплений

территорий при помощи искусственных сооружений. Это осуществляется

спомощью следующих мероприятий (I—VIII).

I. Аккумуляция максимального стока в противопаводковых водохрани­ лищах и проведение в период половодий аварийных сбросов являются един­ ственным радикальным средством регулирования паводкового стока. Однако специально для борьбы с наводнениями водохранилища создаются редко.

Это не оправдано экономически: затраты на создание водохранилищ намно­ го превышают ущерб от затопления. Поэтому задача борьбы с наводнениями решается в комплексе с задачами гидроэнергетики, водного транспорта и др.

Кмоменту наступления максимального приточного расхода в водохра­ нилище имеется некоторый резервный объем для регулирования. Суть регу­ лирования состоит в том, что притекающая в водохранилище вода частично расходуется на сброс через напорный гидроузел в его нижний бьеф и час­ тично на заполнение порожней емкости.

Деление водохранилища на две емкости характерно для рек с паводко­ вым режимом в течение всего года (Кавказ, Дальний Восток). В каждый мо­ мент здесь надо быть готовым к приему большой воды.

382

Гшва 10. Гидрологические и гидрогеологические опасные природные процессы

Кура-Араксинекая низменность часто затоплялась. Река Араке часто ме­ няла свое русло, блуждая по болотистой низменности, прорывая оградитель­ ные валы. В 1951 г. было построено Мингечаурское водохранилище. Это по­ зволило полностью ликвидировать наводнения на протяжении 390 км от ме­ ста впадения Аракса в Куру

В1928 г. высокая вода на реке Зее держалась 2 месяца. Было частично затоплено 160 населенных пунктов, в том числе города Зея, Благовещенск, Хабаровск. Полностью разрушено 11 населенных пунктов. В 1975 г. было введено в строй Зейское водохранилище. Сократилась вероятность наступ­ ления катастрофических и выдающихся наводнений в долине реки Зеи. Среднегодовой ушерб сократился на 6 млн руб.

После сооружения Ириклинского водохранилища на реке Урал умень­ шилась опасность затопления городов Орск, Новотроицк, Оренбург.

Создание системы Москворецких водохранилищ (Можайское, Рузское, Озернинское, Истринское) избавило Москву от угрозы наводнений.

Сложная задача, насколько в каждом конкретном случае возможна и це­ лесообразна срезка максимума половодья или паводка с помощью водохра­ нилища, решается путем довольно трудоемких инженерных и экономических расчетов. Эффективность использования водохранилища в борьбе с наводне­ ниями во многом предопределяется заблаговременностью и точностью гид­ рологического прогноза.

Например, до постройки Волгоградского гидроузла Астрахань не спаса­ ли от высоких наводнений ни система земляных валов и дамб, со всех сто­ рон окружавших город, ни прорезающие его разгрузочные каналы.

На реках Амударья и Сырдарья проблема борьбы с наводнениями реше­ на с помощью строительства крупных водохранилищ многолетнего и сезон­ ного регулирования, отвода значительного количества вод в крупные ороси­ тельные каналы, путем обвалования.

II. Отвод в специальные водоемы-накопители (изобретен еще до н.э.). III. Обвалование берегов — строительство вдоль берегов насыпей, ва­

лов или дамб, не позволяющих затоплять пойму.

Варсенале технических средств защиты от наводнений находится давно известный и широко применяющийся способ — устройство ограждающих дамб. Дамбы обвалования имеются вдоль Амударьи, Сырдарьи, Терека, Ку­ бани, Куры, Аракса и многих других сотен больших и малых рек. Общая дли­ на защитных дамб в нашей стране достигает 12 тыс. км. Ими защищено от затопления 8 млн га сельскохозяйственных угодий.

Большое значение имеет выбор расстояния между дамбами. Чем ближе дамбы к реке, тем большая площадь защищается ими. Но при этом увеличи­ вается высота дамбы, поскольку расход воды, проходивший ранее по руслу и пойме, концентрируется теперь в междамбовом пространстве.

Сильное стеснение поперечного сечения реки дамбами вызывает: повышение максимального уровня воды в междамбовом пространстве; повышение уровня воды на некотором участке выше дамб;

383

Разде.1 И. Опасные природные процессы

увеличение скорости течения в реке, в результате может возникнуть саморазмыв русла и разрушение откосов дамбы.

Обычно в зависимости от особенностей рельефа применяют две схемы расположения дамб в плане: сплошную и поучастковую.

При сплошном обваловании строят одну дамбу. Такой способ применя­ ют, если зашишается небольшая территория.

К обвалованию по участкам прибегают, когда на защищаемой терри­ тории протекают довольно значительные водоемы.

Правила проектирования оградительных дамб:

дамбу строят по наивысшим точкам прирусловой полосы; в случае большой скорости течения валы отодвигаются от реки; овраги пересекают в самых >зких местах; высота валов достигает 3,0—3,5 м при ширине до 3 м.

При разрушении оградительных валов могут возникнуть высокие и вы­ дающиеся наводнения. Весной 1979 г. в бассейне рек Белой, Чусовой и Уфы половодье было высоким. Пострадали многие промышленные объекты на Среднем и Южном Урале. В частности, оказалась прорванной дамба, огра­ ждающая город Кунгур на реке Сылве.

В нашей стране создано 200 крупных систем обваловывания протяжен­ ностью дамб более 12 тыс. км, защищающих территорию 9 млн га (Терек, Кура, Риони, районы Хабаровска, Благовещенска, Комсомольска).

IV. Русловыправительные работы — углубление, спрямление, расшире­ ние русла, за счет чего увеличивается способность русел рек пропускать сток паводка.

Сущность способа спрямления реки состоит в том, что движение воды между верхним и нижним концами сильно извилистого участка реки со­ средоточивается на прямом, более коротком участке. Путем спрямления большого по длине участка реки удается понизить максимальный уровень не более чем 1,0—1.5 м.

V. Проведение на пойме земляных работ, способных уменьшить пло­ щадь затопления. К ним относятся: повышение отметок местности подсып­ кой грунта, дренирование затопленных территорий, укрепление берегов. Способ подсыпки применим лишь для вновь застраиваемой территории при сравнительно небольшой средней высоте подсыпки (до 2,0—2,5 м). Большие работы по подсыпке территорий выполнены в Киеве. В Ленинграде насыпа­ но 12—15 млн мч грунта для поднятия низких территорий на северном и южном берегах Финского залива.

VI. Создание в городах систем ливневой канализации и искусственных емкостей для накопления и последующего отвода максимального стока.

VII. Искусственное регулирование ледовых явлений. Разрушение ледо­ вого покрова на реках ледоколами или взрывными работами.

VIII. Строительство заградительных дамб, перегораживающих реки в их устьях и эстуариях и предназначенных для предотвращения морских на­ гонных наводнений.

384

Гшва 10. Гидрологические и гидрогеологические опасные природные процессы

Проектируется схема зашиты Санкт-Петербурга от наводнений. В Фин­ ском заливе планируется постройка каменно-земляной плотины длиной 25,4 км. Она должна перекрыть Финский залив в створе Ломоносов — Кронштадт — Горская. Здесь проектируется соорудить два судопропускных сооружения, 70 водосбросов, стальные откатные ворота. При получении предупреждения о приближении нагонного наводнения они будут перекры­ вать залив за 30 мин. Высота дамбы — 8 м. Однако постройка этой дамбы может вызвать ухудшение экологической обстановки в отгороженной части залива.

Следует отметить, что стоимость инженерных сооружений чрезмерно высока. Практика показывает, что в глобальном масштабе одни инженерные мероприятия не могут обеспечить полной защиты от наводнений. И это свя­ зано не только с ошибками в противопаводковом строительстве. Данный во­ прос интересно рассмотреть с чисто психологической точки зрения. Очень часто после сооружения тех или иных гидротехнических сооружений у на­ селения защищенной территории возникает уверенность в том, что воз­ можность затопления исключена. Хозяйственная деятельность активизиру­ ется: под сельхозугодья осваиваются новые земли, строятся жилые здания и промышленные предприятия, воздвигаются мосты и прокладываются до­ роги. При исключительно высоком половодье или паводке, когда защитные сооружения оказываются неспособными выполнять свои функции, ущерб от затоплений многократно увеличивается. Люди платят дань за свою само­ уверенность. Поэтому сейчас встает вопрос о более рациональном хозяйст­ вовании на затопляемых поймах рек, что наряду с проведением инженер­ но-технических мероприятий позволит значительно сократить ущерб от на­ воднений.

С начала 60-х годов началось широкое применение неинженерных ме­ роприятий, хотя о них знали и раньше.

Приспособление к природным условиям должно осуществляться с целью:

1)снижения возможного ущерба;

2)уменьшения максимального стока.

Политика регулируемого землепользования заключается в следующем:

Такое использование подверженных наводнению территорий, при кото­ ром ущерб от наводнений был бы минимальным. Так, решением городских властей города Рапид в Южной Дакоте после наводнения 1982 г. вся постра­ давшая зона была отдана под парки, из нее были выведены все жилые и коммерческие постройки;

максимальная эффективность инженерных мероприятий при минималь­ ном нарушении природной среды;

запрещение таких видов хозяйственной деятельности, при которых уси­ ливаются наводнения;

размещение населенных пунктов и объектов народного хозяйства на участках, где риск от наводнений минимален;

385

Раздел //. Опасные природные процессы

10.2

Ледовые опасные явления

10.2.1

Зажоры, заторы. Морские и горные льды.

Прибрежные льды и оледенение

Заж орно-заторны е наводнения. Большой ущерб хо­

зяйству стран Северного полушария приносят зимние наводнения на ре­ ках, обусловленные зажорами и заторами льда. Причина зажоров: образо­ вание в руслах рек значительных скоплений шуги и донного льда в пери­ од резкого похолодания поздней осенью и в начале зимы.

Заж ор льда есть составная часть процесса замерзания реки. Представь­ те себе зимний, морозный день. Над незамерзшей рекой клубится туман. Спокойно плывут комья шути и льдины. Ничто, казалось бы, не предвещает изменений в природе. Но вот ледоход сгущается, начинается подъем уровня воды. Вскоре поверхность реки оказывается сплошь заполненной плавучим льдом. Видно, как отдельные льдины наползают на неподвижный ледяной покров, другие льдины опрокидываются, ломаются и уносятся в глубь пото­ ка; третьи останавливаются у кромки, смерзаются, благодаря чему кромка перемещается вверх по реке. Уровень воды все время повышается, она зали­ вает прибрежную территорию. В момент подхода кромки к наблюдательно­ му посту уровень на нем достигает максимума. Подобная картина хорошо знакома жителям городов и сел, расположенных по берегам крупных и сред­ них рек с быстрым течением, таких, например, как Амударья, Сырдарья, Нова, Нарва, Ангара. Поскольку зажорные наводнения случаются поздней осенью, в начале, а иногда и в середине зимы, их продолжительность может достигать от нескольких дней до всей зимы, но чаше 1—1,5 мес Разливша­ яся вода замерзает, и потом лед приходится выкалывать и вывозить из до­ мов, сараев и пр.

Зажор возникает осенью за счет шуги — рыхлых кусков внутриводного льда и мокрого снега, которые образовались в верхних участках реки. Важной особенностью является образование внутриводного льда во время ледостава. При большой скорости течения и низкой температуре вода ох­ лаждается по всей глубине. При снижении температуры чуть ниже 0°С об­ разуется внутриводный лед, который, всплывая, образует рыхлые скопле­

388

Гiiaea 10. Гидрологические и гидрогеологические опасные природные процессы

ния — шугу. Низ течения замерзает, наносимая сверху шуга задерживается и нарастает под ледяным покровом, особенно у кромки и за полыньей. Воз­ никает некая «пасть», захватывающая всю снежно-ледовую массу — зажор. Образованию зажоров способствуют различные русловые препятствия (ост­ рова, отмели, валуны, крутые повороты, сужения русла). В итоге образуется плотина, и вода начинает заливать все прилегающие участки, которые затем замерзают, образуя наледь.

Затор — ледяная плотина на реке. Обычно затор возникает во время ве­ сеннего ледохода. Лед при встрече с препятствием загромождает русло реки.

Заторы связаны в первую очередь с разным временем вскрытия рек в конце зимы, имеющих большую длину и протекающих с юга на север. Воды вскрывшихся более южных участков рек в своем течении подпруживаются скоплениями льда в северных участках, что нередко вызывает значительное повышение уровня воды в реке. Такого типа наводнения наблюдаются на реках, впадающих в Северный Ледовитый океан: Оби, Енисее, Лене. На них таяние начинается раньше в верховьях, так как истоки расположены в уме­ ренных широтах, а устья — за Полярным кругом, где весна начинается зна­ чительно позже.

В строении затора выделяют три характерных участка:

замок затора, представляющий собой покрытый трещинами ледяной покров или перемычку из ледяных полей, заклинивших русло;

собственно затор, или голова затора, — это многослойное скопление ха­ отически расположенных льдин, подвергшихся интенсивному торошению; хвост затора — примыкающее к затору однослойное скопление льдин

в зоне подпора.

Льдина головной части затора обычно превышает ширину реки в 3—5 раз. На этом участке скопление льда имеет максимальную толщину. Длина хво­ ста затора на крупных реках может достигать нескольких десятков километ­ ров. Основными характеристиками заторов и зажоров являются максималь­ ные подъемы уровня воды. Другими важными характеристиками являются длительность и повторяемость затора и зажора.

Затор льда — неотъемлемая составная часть процесса вскрытия реки. Картина бурного весеннего ледохода всегда впечатляет. Вот как описывает ледоход на реке Чусовой писатель Д.Н. Мамин-Сибиряк: «Нахлынувший вал поднял лед, как яичную скорлупу: громадные льдины с треском и шумом ло­ мались на каждом шагу, громоздились одна на другую, образуя заторы, и, как живые, лезли на всякий мысок и отлогость, куда их прибивало сильной во­ дяной струей. Недавно мертвая и неподвижная, река теперь шевелилась на всем протяжении, как громадная змея, с шипением и свистом собирая свои ледяные кольца».

В ночь с 30 апреля на 1 мая 1941 г. в Красноярске енисейская вода за­ лила первые этажи домов и подвалы. Как потом выяснилось, причиной на­ воднения был мощный затор льда, голова которого находилась на крутых по­

389

Раздел //. Опасные природные процессы

воротах реки в 15—20 км ниже города. Высокий уровень продержался 4,5 дня. При прорыве затора громадные массы льда неслись со скоростью до 2,5 м/с. По берегам остались горы льда. На острове Отдыха, который находится у пра­ вого берега, нагромождения льда достигали верхушек телеграфных столбов. В 1943 г. в 60 км выше города Туруханска возник мощный затор льда. Под­ нявшаяся вода проникла в устье речки Сухой Тунгуски, где отстаивались су­ да. За 20—30 мин погибла треть енисейского флота. Весной 1955 г. на Лене образовался мощный затор в 40 км ниже Якутска, вода поднялась на 10 м.

В20-х числах мая 2001 г. в Якутии около 10 дней температура в вер­ ховьях Лены была на 10° выше обычной. Началось бурное снеготаяние, была большая масса льда, в результате возникло наводнение. В Ленске уровень во­ ды превысил критический на 18,84 м, 400 домов унесло, разрушено 11120 до­ мов, 490 км дорог, 590 км линий электропередач, эвакуировано 27 тыс. чело­ век. Ущерб составил 3,9 млрд руб. Кроме того, из нефтехранилища в Ленске вылилось в Лену 13 тыс. солярки и бензина. Якутск удалось спасти благодаря дамбам и разрушению заторов с помощью авиации (бомбометание с самоле­ тов Су-27).

Заторы длятся не более 1—2 недель. Лед создает плотину, и идет затон поймы. У всех северных рек часто возникают наледи, когда вода накатыва­ ет на монолитный затор, замерзает, образуя огромную плотину. Эти ледяные дамбы тают медленно, а весенний паводок в разгаре, поэтому идет затопле­ ние поймы.

Заторные наводнения вызываются также определенными геоморфологи­ ческими и гидродинамическими условиями. Заторы могут превращаться в наледи — сплошные ледяные дамбы, образующиеся при замерзании воды в зоне ее контакта с не освободившимся ото льда участком русла. Заторные наводнения сопровождаются скоплением огромных масс льда по берегам, что также наносит большой урон хозяйству пойм.

Взимнее время льдами покрываются предгорные и равнинные участ­ ки рек. К ним относится большинство рек Евразии и Северной Америки се­ вернее 35° с.ш. Обычно здесь возникают зажорно-заторные наводнения. Толщина зажорных скоплений на Ангаре, Амударье достигает 10—15 м, дли­ на — 25 км, сокращение площади сечения русла — на 80%. Заторы характер­ ны для всех рек, текущих на север. В низовьях Лены длина заторов достигает 50—100 км, продолжительность — 12—15 дней. Заторный подъем составляет от 4—6 до Юм.

Наледи. Большая неравномерность замерзания и вскрытия, обусловлен­ ная значительной протяженностью больших рек меридионального направле­ ния, особенно в условиях раннего ледостава в низовьях реки, приводит к об­ разованию монолитных водяных заторов — наледей. Вода, поступая с еще не замерзших осенью или уже освободившихся ото льда весной верховий (в Северном полушарии), сталкивается с промерзшими до дна участками ни­ зовий. Она накатывается на них и в условиях отрицательных температур за­

390