УДК 556.535.5(470.1/.25)
Факторы образования и прогноз заторов льда на реках севера европейской территории России
В. А. Бузин*
Рассматриваются региональные особенности процесса образования заторов льда на больших реках севера европейской территории России. Излагаются методология и методики прогнозов заторных наводнений на зато-роопасных участках Северной Двины, Сухоны, Ваги, Печоры и Мезени. Предлагается метод прогнозирования ранее не прогнозируемой характеристики наводнений при заторах льда — продолжительности стояния высоких уровней воды. Показана возможность планирования противозаторных мероприятий на базе гидрологического прогноза.
Одной из важнейших проблем социальной и экономической стабильности любого государства является готовность его структур противостоять опасным природным явлениям. Из всех видов стихийных бедствий первое место по суммарному среднегодовому ущербу занимают наводнения. Во всем мире включая Россию наблюдается тенденция значительного увеличения ущерба от наводнений. В связи с этим усовершенствование методологии прогнозов наводнений различного генезиса является одной из важнейших проблем современной гидрологии.
Холодные климатические условия России определяют повсеместно на ее реках наличие зимой ледяного покрова и сопровождающие его образование и разрушение процессы и явления, многие из которых обусловливают чрезвычайные ситуации. Наиболее сложные ситуации возникают чаще всего весной, когда при большой водности рек в них формируются скопления льдин. Хотя заторы являются неразрывной частью весеннего половодья, заторные наводнения имеют природу, совершенно отличную от природы наводнений, связанных с прохождением по руслу волны паводка. Они — результат резкого уменьшения водопропускной способности русла из-за стеснения его льдом, что приводит к быстрому повышению уровня воды выше очага затора [1, 11].
Заторные явления — неотъемлемая составная часть процесса вскрытия рек севера европейской территории России [4, 7]. Значительный объем льда в речных руслах, направление течения и развития волны весеннего половодья, большие скорости течения воды (0,6 м/с и более), множество русловых препятствий для движения льдин в виде излучин, перекатов, островов — все это создает достаточные условия для образования мощных скоплений льда при вскрытии северных рек. Почти на всех крупных и средних реках севера европейской территории России, как правило, наивысшим уровнем является уровень, наблюдавшийся при заторе [7].
* Государственный гидрологический институт; e-mail: ggi@ hotmail.ru.
Заторы льда на северных реках образуются ежегодно, нередко обусловливая катастрофические наводнения, приносящие значительный материальный ущерб. Северная Двина известна мощными заторами в районе дельты. В 1961 г. от мощного затора льда было затоплено около половины г. Архангельск. В 1966 г. вследствие образования мощных заторов на Печоре был частично подтоплен Нарьян-Мар. Серьезные проблемы заторы льда создают на р. Сухона у г. Великий Устюг. Большое последнее наводнение в городе случилось весной 1998 г.
Несмотря на широкое распространение и опасный характер заторных явлений на реках севера, методики прогнозов максимальных заторных уровней воды в настоящее время имеются только для отдельных участков рек Северная Двина, Сухона и Печора [2, 5, 6, 9, 10]. Эти методики характеризуются большим разнообразием аргументов прогностических зависимостей, что связано не только с разным набором основных факторов процесса заторообразования на тех или иных участках северных реках, но и с выбором авторами методик разных количественных показателей одного и того же фактора.
На заторных участках северных рек их вскрытие происходит сверху вниз по течению, что связано с преимущественным направлением течения с юга на север. В ходе вскрытия кромка ледяного покрова перемещается вниз по течению рывками. На участках с уменьшением уклона и резкого изменения планового очертания русла, как правило, происходит задержка вскрытия. У кромки ненарушенного ледяного покрова аккумулируется плывущий сверху материал. При поверхностной скорости течения воды более 0,6 м/с происходит торошение льдин, сопровождающееся время от времени подвижками. В местах торошения и подвижек русло наиболее стеснено льдом. Подъем уровня воды наблюдается выше места стеснения.
Наиболее интенсивный подъем уровня воды на реках севера наблюдается в начале образования затора. Он может составлять более 3—5 м в течение нескольких часов. В отдельные годы наблюдается непрерывный подъем уровня до максимального значения и прорыва затора. В другие годы в результате подвижек и уплотнения льда в скоплении или похолодания происходит прекращение начавшегося подъема или даже понижение уровня воды. При похолоданиях длительность затора достигает 10—12 сут.
Разрушение (прорыв) затора льда происходит вследствие увеличения расхода воды (при этом ледяные массы отрываются от берега и всплывают) и воздействия солнечной радиации, температуры воздуха и воды (при этом края льдин округляются, и сила сцепления между льдинами ослабевает). Прежде всего в движение приходит масса льда посередине реки, где наибольшая скорость течения воды. Скорость движения льдин при прорыве затора 2—3 м/с и более. Битый лед останавливается в очаге затора, расположенном ниже по течению.
После того, как фронт вскрытия переместится ниже по течению, в боковых протоках остается значительное количество ледяного материала. Если такой остаточный лед сохраняется в протоках еще 5—10 сут, то это уменьшает вероятность формирования мощного затора ниже по течению, так как часть ледяного материала изымается из процесса ледохода.
Из краткого описания процесса заторообразования на северных реках следует, что максимальная высота подъема уровня воды, обусловленного
затором, на том или ином речном участке зависит в основном от следующих факторов:
- количества и физико-механических свойств льда в заторе;
— водности реки в период формирования затора, определяющей силы, развиваемые водным потоком в зоне торошения льда;
— плановых и поперечных характеристик русла.
Количество льда в заторе Жл равно сумме объема льда, поступившего на речной участок за период весеннего ледохода, и льда, находящегося на месте затора до вскрытия:
Жл = блТл + ^БЬ, (1)
где Qл — расход льда в верхнем створе речного участка (м3/сут); тл — длительность ледохода (сут); ?л — толщина на участке реки к моменту вскрытия (м); В — ширина реки (м); Ь — длина участка (м).
Первое слагаемое определяется в основном расходом воды в период вскрытия, поскольку последний определяет скорость перемещения льдин. Оно мало зависит от густоты и периода ледохода, так как их значения имеют небольшой диапазон изменения.
Второе слагаемое зависит от степени зашугованности русла при замерзании реки. Реки севера европейской территории России характеризуются значительной шугоносностью в период их замерзания. Обилие шуги обусловлено относительно большой осенней водностью этих рек и следовательно большими скоростями течения во время ледообразования, наличием порожистых, длительное время не замерзающих речных участков, а также благоприятным для образования шуги и ее скоплений температурным режимом, характеризуемым частой сменой холода и тепла. Шуга образуется при отрицательной температуре воздуха до -160С и поверхностной скорости течения более 0,6 м/с. На речных участках, где формируются зажоры льда, толщина скопления шуги и раздробленного льда может достигать 2—4 м. Затем она плавно уменьшается к дате вскрытия реки, что связано с размывом шуги водным потоком и таянием ее под воздействием теплового потока от дна. Интенсивность этого процесса зависит от удельного расхода воды подо льдом и суровости зимы и достигает 5—10 см/сут. Чаще всего ко дню вскрытия в руслах рек севера сохраняется значительное количество шуги. Весной у верхней границы зажоров образуются заторы. Мощные заторы льда характерны преимущественно для тех же участков северных рек, где наблюдаются и мощные зажоры: участок д. Орлецы — д. Абрамково Северной Двины, нижнее течение Сухоны, Юга, Ваги, Пинеги и Мезени, среднее течение Печоры. На всех перечисленных участках при прогнозе максимальных заторных уровней воды, очевидно, необходимо учитывать ту или иную характеристику мощности зажоров, образовавшихся в начале зимы.
Мощность скопления шуги в русле может быть охарактеризована максимальным уровнем в начале ледостава (Нлс). Весной этот уровень еще характеризует площадь промоин и закраин. При наличии большого количества открытых площадей чистой воды сплав льда вниз по реке облегчается. В табл. 1 приведены коэффициенты корреляции между максимальными заторными уровнями воды Нз и уровнями воды при ледоставе Нлс. Эти уровни достаточно хорошо коррелируют для многих речных участков се-
Таблица 1
Коэффициенты корреляции между максимальными заторными уровнями воды и максимальными уровнями в начале ледостава рек севера европейской территории России
Река Пункт Коэффициент корреляции
Северная Двина д. Медведки 0,36
г. Котлас 0,35
д. Усть-Курье 0,63
д. Абрамково 0,62
с. Нижняя Тойма 0,55
д. Сидоровская 0,51
д. Звоз 0,58
Сухона с. Каликино 0,65
г. Великий Устюг 0,56
Юг д. Гаврино 0,48
Вычегда г. Сыктывкар 0,30
Вага г. Шенкурск 0,35
с. Усть-Сюма 0,42
Юг д. Пермас 0,20
с. Кичменский Городок 0,30
р. п. Подосиновец 0,42
Мезень с. Дорогорское 0,33
д. Малонисогорская 0,52
Печора с. Ермицы 0,52
с. Усть-Кожва 0,38
с. Усть-Уса 0,41
с. Усть-Цильма 0,31
вера (табл. 1). На некоторых реках (Сухона, Печора) наблюдаются настолько тесные связи между Нз и Нлс, что они могут использоваться для долгосрочного прогноза заторного максимума уровня.
Еще одной характеристикой объема льда в русле накануне вскрытия является толщина ледяного покрова, образовавшегося путем постепенного намерзания льда снизу при теплопотоке от воды к атмосфере (¿л). Как правило, коэффициенты корреляции между Нз и tл небольшие и редко достигают значения 0,45.
Из-за недостатка ледяного материала для своего формирования заторы льда на малых реках, как правил
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.