УДК 556.535.5:551.583(470+570)
Максимальные заторные уровни воды северных рек России в условиях изменения климата и антропогенного воздействия на процесс заторообразования
В. А. Бузин*, Н. И. Горошкова*, А. В. Стриженок*
Рассматривается такое опасное ледовое явление при вскрытии северных рек, как заторы льда, приводящее к значительным наводнениям. Установлена существенная зависимость максимальных уровней воды на заторо-опасных участках рек Сухона, Томь и Лена от детерминированных вкладов факторов процесса заторообразования, изменяющихся с изменением климата, и осуществлением разного рода мероприятий, нарушающих естественный ледовый режим рек (выемка песчано-гравийной смеси из русла, сброс теплых промышленных вод, сооружение мостов и превентивные меры против заторов).
Холодные климатические условия России обусловливают образование на ее реках в зимний период ледяного покрова. Большинство процессов и явлений, сопровождающих его образование и разрушение, приводят к чрезвычайным ситуациям. Наиболее сложные ситуации чаще всего возникают весной при вскрытии рек и формировании заторов льда. Большая вод ность рек, те ку щих на се вер, не ред ко при водит к серь ез ным по следствиям и значительному экономическому ущербу.
Для конца XX в. и начала XXI в. характерно интенсивное потепление, которое в Северном полушарии составило около 1,5°С и сопровождалось уменьшением глубины промерзания почв, продолжительности существования промерзшего слоя и максимальной толщины ледяного покрова, увеличением зимой числа дней с оттепелью, зимнего стока рек и зашугован-ности речного русла. С 1960-х годов каждой весной на реках у больших населенных пунктов проводятся противозаторные мероприятия — ледяной покров взрывают, зачерняют, режут на блоки, разрушают ледоколами. Все это способствует уменьшению высоты максимальных уровней воды, вызван ных зато ра ми льда.
В данной статье приводятся результаты анализа многолетней изменчивости максимальных заторных уровней воды на четырех затороопасных участках рек с разным территориально-бассейновым расположением — узел рек Сухона — Юг — Малая Северная Двина, нижнее течение рек Томь и Лена у городов Ленск и Якутск. Оценка была выполнена по крите-
* Государственный гидрологический институт; e-mail: lrn@ggi.nw.ru.
Таблица 1
Значения критериев Стьюдента и Фишера и коэффициентов линейных уравнений трендов максимальных заторных уровней воды рек Сухона, Малая Северная Двина, Томь и Лена
Река — пункт Период, годы Критерий Стьюдента Критерий Фишера Коэффициенты уравнения тренда
среднее, см дисперсия, см Е а ъ
Сухона — 1882—1962 650 1,63 177 1,67 0,45 631
г. Великий Устюг 1963—2010 601 137 1,27 570
Малая Северная 1933—1956 552 3,30 82,2 0,67 1,01 539
Двина — г. Котлас 1957—2010 474 100 -1,84 524
Томь — г. Томск 1936—1972 641 2,54 168 2,15 -9,02 814
(68 км от устья) 1973—2010 460 123 -0,55 560
Лена — г. Ленск 1927—1982 1082 0,68 215 2,09 -1,66 1129
1983—2010 1038 311 9,74 896
Лена — г. Якутск 1941—1981 623 0,25 154 0,74 -4,36 715
1982—2010 613 178 7,75 497
риям Стьюдента (5?) и Фишера (Е). Она производилась по выборочным средним значениям и дисперсиям, рассчитанным по двум выборкам рядов наблюдений. Критические значения критериев и Е определяли при уровне значимости а = 5%. Статистический анализ рядов данных многолетних наблюдений за максимальными уровнями воды на затороопасных участках рек Сухона, Томь и Лена показал отсутствие статистически значимых (табл. 1) изменений уровня воды в период вскрытия рек на участках с естественным ледовым режимом (реки Сухона и Лена).
Повышение температуры воздуха зимой, с одной стороны, обусловливает многолетнюю тенденцию к уменьшению толщины ледяного покрова (рис. 1), что приводит к уменьшению расхода воды при вскрытии рек. С другой стороны, с увеличением температуры воздуха в начале зимы увеличиваются не только водность рек и теплозапас воды в период, предшествующий началу ледообразования, но и скорость течения воды, результатом чего является замерзание рек, которое сопровождается образованием зажоров льда, повышаю щих ве роят ность воз никно ве ния заторов весной. Установлено, что с начала 1970-х годов произошли изменения детер-ми ни ро ван ных вкладов отдельных факторов в формирование максимальных заторных уровней воды северных рек России, кото рые вы чис ляют ся по формуле
1950 1970 1990 2010
Рис. 1. Многолетние изменения (1, 2) и тренды (1', 2') максимальной толщины ледяного покрова р. Сухона у г. Великий Устюг (1, 1') и р. Томь у г. Томск (2, 2') в зимний период.
га а /а
ху: ух: X: у / 1 \
5 * = ^^ • (1)
где гух — коэффициент парной корреляции у и х;; а: — коэффициент уравнения регрессии; а х /а — отношение средних квадратических отклонений от нормы предиктора х: и у; Яу — полный коэффициент корреляции. Если в 1950—1970 гг. на высоту максимального заторного уровня воды в основном влияли условия вскрытия реки, то в последующие годы главным фактором, определяющим высоту максимального уровня воды, стала зашуго-ванность речного русла (табл. 2). Таким образом, в последние три десятилетия в развитии ледовых процессов на северных реках происходят разнонаправленные изменения, связанные с изменением климата. Поэтому они оказывают незначительное влияние на повторяемость и масштаб заторных наводнений, которые по-прежнему определяются естественной цикличностью природных явлений.
Анализ показал, что противозаторные мероприятия, осуществляемые в большом объеме в течение многих лет на р. Сухона у г. Великий Устюг и р. Лена у городов Ленск и Якутск, не приводят к существенному уменьшению высоты максимальных уровней воды на затороопасных участках рек. Река Сухона в нижнем течении известна мощными заторами льда [2], которые создают серьезные проблемы на участке реки у г. Великий Устюг. В результате заторных наводнений город в прибрежной его части периодически затапливается. Одно из наиболее крупных наводнений произошло весной 1998 г. Несмотря на незначительную глубину воды на пойме (0,3 м), экономический ущерб из-за большой площади затопления превысил 200 млн. руб.
На реках Сухона и Малая Северная Двина у г. Великий Устюг широко применяют предупредительные меры борьбы с заторами. Образование затора предотвращают, предварительно ослабляя ледяной покров путем разрезания его на блоки ледорезной машиной и подрыва. Объемы работ по борьбе с заторами год от года увеличиваются: если в 2000 г. ледорезные и
Таблица 2
Детерминированные вклады гидрометеорологических факторов в формирование максимальных заторных уровней воды
Река — пункт Период наблюдений, по которому установлена зависимость, годы Факторы, характеризующие
осень — зиму весну
ледоставный уровень воды максимальная толщина ледяного покрова расход (уровень) воды при вскрытии реки температура воздуха при вскрытии реки
Сухона — 1950—1972 0,13 0,07 0,80 0
г. Великий Устюг 1973—2010 0,87 0 0,13 0
Северная Двина — 1950—1972 0,03 0 0,93 0,04
д. Медведки 1973—2001 0,53 0,05 0,41 0,01
Томь — г. Томск 1964—1987 0,08 0,09 0,68 0,15
(74 км от устья) 1988—2010 0,24 0,03 0,57 0,16
Лена — г. Якутск 1951—1974 0,01 0,03 0,71 0,25
1975—2010 0,11 0,07 0,52 0,30
взрыв ные ра боты про води лись на реч ных учас тках дли ной со от ве тствен но 20 и 1,5 км, то в 2012 г. — на участках длиной 90 и 30 км.
Заторы льда на р. Томь у г. Томск наблюдались всегда [5]. Их формирование на рассматриваемом участке р. Томь обусловлено направлением течения (с юга на север) и вскрытием реки (сверху вниз по течению); значительными зашугованностью русла и толщиной ледяного покрова при вскрытии реки (до 1 м); существенным ограничением льдопропускной способности русла, связанным с наличием крутого поворота, двух мостов и островов.
До 1959 г. повторяемость заторов льда на р. Томь у г. Томск составляла 83%; максимальный заторный уровень воды на 1,9 м превышал уровень, соответствующий максимальному расходу воды в весеннее половодье в условиях открытого русла; пойма реки затапливалась водой слоем до 2 м. С 1959 г. в связи с образованием в зимнее время устойчивой полыньи из-за проводимых взрывных работ и выемки гравия из русла реки наблюдается ослабление заторов льда и уменьшение их повторяемости до 58%.
После наводнения 1947 г., вызванного затором льда, с целью беспрепятственного прохождения ледохода на р. Томь у г. Томск с заторами начали бороться путем проведения ледовзрывных работ в черте города и его пригорода Северска. Взрывами прежде всего разрушаются ледовые переправы. С 2005 г. в районе Северска производят распиловку ледяного покрова. Эта методика, позаимствованная у специалистов г. Ленск, состоит в следующем. Сначала лед необходимо очистить от снега и нанести на него разметку в виде больших ромбов. Потом специальными пилами (барами) пропилить лед на 80% толщины. Предполагалось, что когда начнется ледоход, лед будет ломаться значительно легче, не вызывая заторов. В 2010 г. на участке р. Томь возле старого коммунального моста во льду был пропилен канал протяженностью 600 м и шириной 16 м, который должен был разгрузить реку ото льда. Однако это не исключило затор, и левобережная пойма была затоплена на высоту до отметки начала затопления 77,7 м БС. Максимальный уровень воды был близок к отметкам гребня дамбы, защищающей город (80,2—81,0 м БС).
На р. Томь ежегодно возрастает и объем взрывных работ. В 2010 г. было произведено 125 взрывов (25 серий по 5 взрывов каждая), что в 2— 2,5 раза больше, чем обычно. В общей сложности было израсходовано более 9,8 т взрывчатки.
Форми ро ва ние ис ключи тель но мощ ных зато ров льда в про цес се вскрытия явля ет ся отли чи тель ной чертой гид роло ги чес ко го ре жи ма од ной из крупнейших рек — р. Лена [3, 4]. Мощные заторы льда на всем ее протяжении образуются из-за толстого ледяного покрова, достигающего 150— 200 см, большой скорости течения воды в период вскрытия реки, состав-ля ющей при друж ной вес не и ин тен сив ном раз ви тии вол ны поло водья в среднем 1—2 м/с, а также из-за вскрытия реки, происходящего со скоростью 100 км/сут и более. Под угрозой заторны
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.