Гипотезы, дискуссии, предложения
Дамоклов меч над Крымском
О.Н. МЕЛЬНИКОВА,
доктор физико-математических наук
К.В. ПОКАЗЕЕВ,
доктор физико-математических наук
МГУ им. М.В. Ломоносова
А.Е. РОЖДЕСТВЕНСКИЙ,
кандидат физико-математических наук
Физико-техническая корпорация национальной резервной
системы
Авторы предлагают физическую модель, объясняющую возникновение передового фронтального пятиметрового вала воды. Он прошел через город Крымск 7 июля 2012 г. и привел к наводнению, повлекшему за со-
В последние годы наблюдаются экстремальные погодные явления, связанные с долговременными изменениями климата. Одно из них -наводнение в июле 2012 г. в Крымске. 4 июля начались сильные дожди, интенсивные ливни шли в течение ночи на 7 июля. Менее чем за двое суток количество осадков
90
бой катастрофические разрушения и жертвы. Возможной причиной образования вала послужил скачок расхода воды, обусловленный конструкцией нерегулируемого водосброса Неберджаевского водохранилища. Конструк-
превысило месячную норму в 3-5 раз. Максимальный расход воды ночью 7 июля по р. Ада-гум достиг 1500 м3/с и почти в два раза превысил исторический максимум 2002 г. Наводнение 2002 г. принесло значительные разрушения, но они не сопоставимы с ущербом, понесенным в 2012 г. Гибель людей (по
ция не была рассчитана на изменение климата, которое вызвало критическое увеличение объема дождевого стока. Авторы пришли к выводу, что скачок расхода воды связан с изменением режима стока через трубу водосброса.
разным оценкам, 164171 человек), животных и колоссальный материальный ущерб позволяют назвать это наводнение катастрофическим. С 1955 г. по 2012 г. четырежды отмечено выпадение осадков более 100 мм. Во всех случаях наблюдались метеорологические условия, характе-
© Мельникова О.Н., Показеев К.В., Рождественский А.Е.
Схема плотины и водослива Неберджаевского водохранилища: 1 - слив с поверхности, 2 - водослив шахтного типа, 3 - слив через "секретную"заслонку.
ризуемые определенным положением циклона.
В повседневной жизни мы не задумываемся о причинах происходящих вокруг нас явлений. После стихийного бедствия создаются комиссии по чрезвычайным ситуациям. Они изучают технические особенности и сопутствующие обстоятельства, фиксируют нарушения, ликвидируют последствия. Но физическая сторона процесса часто остается без внимания, а именно ее учет важен для предотвращения повторений природных катастроф. По такой схеме работала правительственная комиссия по изучению причин и ликвидации последствий наводнения в г. Крымске Краснодарского края.
В ночь на 7 июля 2012 г. суточные осадки составили в Новоросий-ске 275 мм, в Геленджике - 311 мм, их максимальная интенсивность фиксировалась с 10 ч вечера до 2 ч ночи. Масса воды с горных склонов собралась в предгорное русло и понеслась вниз через г. Крымск.
Комиссия по наводнению в Крымске изучила множество материалов, включая космические снимки, определила основные русла сброса воды, идущие с горных склонов в город, и места скопления воды, образованные завалами, насыпями дорог. Вывод комиссии состоял в том, что вода в местах пропуска в дамбах после критического накопления внезапно прорвала пробки
мусора и вал воды из этих плотин обрушился на ночной город. Этот довольно примитивный технический вывод не объясняет почему высота вала в городе доходила до 7-9 м (дамбы дорог не могли создать превышения уровня больше 4-5 м) и почему прорывы на двух дамбах в разных местах над городом были почти синхронными. Что же стало спусковым механизмом прорыва пробок мусора в дамбах? Почему временной интервал между максимумом осадков и максимумом уровня воды был мал?
Пострадавшие в наводнении жители Крым-ска обвинили власти в том, что они дали указание на спуск воды из Неберджаевского водохранилища, находящегося
Водосброс
Плотина Неберджаевского водохранилища. Указаны воронка поверхностного водосброса и место выхода воды из водосброса ниже плотины.
в горах над г. Крымском. Выпущенная масса воды стала решающим фактором прорыва дамб и образования вала воды с ударно-динамической силой воздействия. Иных причин его усиления нет.
Местные власти отвергли обвинение в умышленном спуске воды. Они утверждали: это невозможно, в первую очередь, потому, что Неберджаев-ское водохранилище не имело спусковых шлюзов. Тем не менее очевидно, что без залпового
сброса воды из водохранилища нельзя объяснить все обстоятельства наводнения с высоким валом воды. Отметим, Следственный Комитет РФ сообщал, что были сделаны пуски воды. Поэтому обсуждается версия, что на дне водохранилища есть невидимая "секретная крышка", закрывающая донный сливной тоннель, который и открыли по распоряжению администрации, чтобы предотвратить перелив воды через плотину.
На самом деле в конструкции плотины есть два шлюза и нет секретного тоннеля. Проще размышлять о невидимых шлюзах, о секретных крышках, о прорыве мусорных запруд на дамбах у Крымска, чем подумать о природе происходящего события. Авторы полагают, что "залповый" выброс воды из Небер-джаевкого водохранилища был, и для его осуществления не обязательно иметь конструкцию из открывающихся шлюзов.
В данном случае этот залповый выброс воды был обеспечен самой конструкцией сливного устройства, через которую "лишняя" вода переливается в обходной спускной канал.
Прежде чем перейти к физике залпового выброса воды при наводнении в г. Крымске, сообщим о некоторых технических параметрах Неберджа-евского водохранилища, ибо именно конструкция этого гидротехнического сооружения ответственна за мощнейший залповый выброс воды.
Отметки нормального уровня воды - 182,0 м, форсированного - 183,5 м,
высота гребня - 185,0 м, площадь зеркала при нормальном уровне -0,75 км2, полный объем водохранилища - 8,1 млн м3. Эти количественные данные важны для понимания явления экстремального водосброса.
Что же произошло в ночь на 7 июля 2012 г. с точки зрения физики? В водосбор водохранилища площадью 36 км2 попало 300 мм воды на каждый квадратный метр водосбора. При наполнении водохранилища масса воды уходит в слив, переливаясь через край воронки, расположенной на поверхности. При расчетном уровне
поверхности воды над краем сливной воронки в 1 м (режим перелива через край) расход воды в сливном канале составляет не более 130 м3/с. При интенсивном дожде скорость поступления воды в водохранилище составляла 400-600 м3/с, и уровень воды начал резко повышаться. Режим подъема уровня воды в водохранилище продолжался до тех пор, пока вода не затопила воронку и сливной канал практически без воздушных промежутков. Уровень воды превысил край воронки на 2,5 м и более. До перелива через край
Участок Неберджаевского водохранилища с плотиной и воронкой поверхностного слива (в кружке). Воронка (во врезке) окружена металлической сеткой, защищающей железобетонный туннель от мусора.
плотины еще оставалось 0,5-0,6 м.
При этом режим напорного слива включился автоматически, дополнительная масса воды ринулась вниз в предгорные русла и почти одновременно прорвала многие образовавшиеся ранее запруды и засоры в руслах на пути прочих водных потоков. Смена режимов слива воды из водохранилища произошла ночью при максимальных дождевых стоках. Почти одновременный прорыв засоров и запруд стал усилителем водяного вала и потока. Эти потоки воды обрушились на Крымск, образовав водяной вал высотой до 4-5 м с заплесками до 7 м. Напорный режим
слива в водохранилище быстро прекратился после снижения в нем уровня воды и снова стал безнапорным, при котором вода переливается через край воронки. Ночью никто не заметил перехода режима слива от штатного (безнапорного) в "катастрофический" напорный и обратно.
Отметим, что проектировщики аналогичного сооружения в Англии (водохранилище Ледибауэр в Девоншире), учитывая возможность скачкообразного роста слива, увеличили сечение сливного канала, а диаметр воронки слива увеличили до 18 м для предотвращения слива в экстремальном напорном режиме.
Водосливное устройство на водохранилище в Англии.
Чтобы выяснить, могло ли заполнение резервуара водохранилища до максимальной отметки привести к скачку расхода воды через водосброс более чем на порядок, надо оценить зависимость ее расхода от уровня воды над входным створом водослива. Такую математическую модель разработали на кафедре физики моря и вод суши физического факультета МГУ. Проверка результатов математического моделирования была проведена в серии
9,8 см
9 см
1 см
ш
1
1 а
1 1 1 1 > - / / / / / / / / . / > /
/
1 8 см
0,5 м
1,6 см
Схема экспериментальной установки, созданной на кафедре физики моря и вод суши физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.
модельных экспериментов в прямоугольном резервуаре из прозрачного органического стекла в лаборатории кафедры. В опытах обеспечивалось гидродинамическое подобие слива воды в лотке и в Неберджаев-ском водохранилище. Сопоставление лабораторных данных с результатами аналитических расчетов показало их хорошее соответствие, что позволило использовать полученное решение для оценки расхода воды в Неберджаевском водохранилище при его заполнении до критической отметки. Оказалось, что расход воды через трубу
радиусом 5,3 м достигает 900 м3/с. Независимая оценка пикового расхода воды в р. Неберджай ниже плотины составляет около 800 м3/с , что хорошо согласуется с нашими оценками.
По мнению авторов, именно скачок расхода воды в сливной системе Неберджаевского водохранилища до 900 м3/с привел к формированию разрушающего вала воды, прошедшего по руслу реки через Крымск.
Результаты, полученные на основе предложенной гидрологической модели, показывают, что повторение трагедии в Крымске неизбежно при
выпадении такого же количества осадков в короткие сроки.
Можно ли исключить ее в ближайшее время?
Да! Для этого необходимо:
- при наблюдении метеорологических условий, подобным тем, которые приводят к максимальным суточным выпадениям осадков, объявлять предштормовое предупреждение и приводить гидрометеорологическую службу в особый режим готовности;
- оборудовать автоматической станцией (измерение уровня воды и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.