УДК 556. 043
Оперативная оценка участков образования заторов льда и их параметров
© 2010 г. Н.Г. Василенко, Л.С. Банщикова
Государственный гидрологический институт, Санкт-Петербург vasilenko79@gmail.com
Статья поступила в редакцию 25 августа 2009г.
Весеннее половодье, гидрометрический створ, затор льда, заторное наводнение. Hydrometrie section, ice dam, ice dam inundation, spring flood.
Предложена методика определения мест формирования ледовых заторов в руслах рек и динамики изменения заторов льда по данным наблюдений за уровнем воды в постоянных и временных пунктах наблюдений. Методика позволяет оценить риск затопления прибрежных территорий при заторных наводнениях на участках рек, не охваченных гидрологическими наблюдениями.
Распространение заторов на реках России
Для рек России заторы льда в руслах рек в период вскрытия ледяного покрова — явление весьма распространённое. На европейской части страны заторы наблюдаются на 35 % рек, в Сибири и на Дальнем Востоке — на 45—50 %. Заторные наводнения последних лет произвели впечатление небывалых и неожиданных, потому что в предшествующие 25 лет из-за относительно тёплых зим и невысоких половодьев явлений такого масштаба не возникало.
Анализ многолетних данных показывает, что наблюдаемые в последние годы заторные наводнения нельзя считать уникальными для рек России, хотя повторяемость их достаточно редка. Причины возникновения заторов — неодновременность вскрытия по длине реки и затруднения в транспортировке ледяного материала. К значимым условиям, определяющим формирование заторов, относится сочетание ряда факторов, среди которых можно отметить такие: наличие ниже по течению мощного ледяного покрова; прочность и количество льда, перемещающегося вниз по течению; интенсивность притока воды в русло; скорость течения воды; мор-фометрические характеристики русла и др. Ледовые заторы образуются на участках рек со сложными морфологическими условиями, главные из которых — значительные уклоны русла, его сужения, наличие островов и крутых поворотов русел, места слияния рек. Число заторов, как правило, по длине реки уменьшается, но их размеры могут возрастать в 5—10 раз, достигая в низовьях рек протяжённости 100-150 км.
В результате интенсивного развития половодной волны под влиянием дружной весны при почти одновременном вскрытии главной реки и её притоков наиболее благоприятные условия для формирования заторов весной наблюдаются на р. Лена. По
данным наблюдений, здесь одновременно вскрываются участки протяжённостью 200-300 км. Продвижение фронта вскрытия — до 100 км/сут [6]. В местах формирования заторов вскрытие реки задерживается на 2—6 суток. Часто заторы формируются на притоках Лены — реках Алдане, Витиме, Вилюе, Олёкме. Так, заторные подъёмы уровня воды на Олёкме могут составлять 9,8 м [4, 5].
Вскрытие рек бассейна р. Енисей менее интенсивно. Скорость фронта волны половодья на основном русле и притоках Енисея достигает 70 км/сут [4, 5]. На Енисее наиболее мощные скопления льда, как правило, образуются в районах пос. Туруханск, городов Игарка и Дудинка.
На реках Восточной Сибири (Колыма, Тимптон, Яна) половодье также весьма интенсивно, чему способствуют дружный характер весны и наличие многолетней мерзлоты на водосборах. Повторяемость заторов на этих реках — 75—85 %, но мощность заторных подъёмов уровня ниже, чем на реках бассейна Лены и Енисея.
Реки бассейна Оби отличаются затяжным характером вскрытия. Здесь отмечается значительное снижение прочности ледяного покрова, уменьшающего вероятность образования заторов в руслах. Крупные заторы с повторяемостью 60—80 % и заторными подъёмами уровня на 3—5 м наблюдаются главным образом в верховьях Оби — на реках Иртыш и Томь.
Интенсивным образованием заторов сопровождается вскрытие Амура. В верхнем течении в результате стеснения русла льдом подъёмы уровня составляют 8—9 м. На Среднем Амуре заторы не так велики и устойчивы, да и повторяемость их небольшая. Относительно масштабные заторы в бассейне р. Амур формируются на притоках рек Зеи, Буреи, Амгуни и Уссури.
В пределах Европейской части России заторы наиболее характерны для рек, текущих на север, —
Печоры, Северной Двины, Мезени [5]. На реках Кольского полуострова и северо-западного региона России заторы возникают прежде всего в приустьевых участках рек. Протяженность заторных участков на этих реках небольшая — от 3 до 10 км. Заторные подъёмы уровней в среднем составляют 2—З м, хотя могут достигать и 5 м. Повторяемость заторов на реках этого региона колеблется в пределах 20—40 %. Реки центральных и восточных районов Европейской части России вскрываются при высоких уровнях. Заторные подъёмы уровней обычно не превышают 2—3 м, а их повторяемость составляет 20—30 % [7].
Заторные наводнения
Превышение заторного максимального уровня над отметкой выхода воды на пойму на участках рек с узкой поймой варьирует от 2 до 6,5 м, а на участках с широкой поймой — от 0,5 до 2,0 м. На величину заторного уровня определяющее влияние оказывает мощность затора. Большие глубины затопления пойм при заторных наводнениях наблюдаются преимущественно на реках Европейской части России и бассейна р. Лена. Заторные наводнения по территории России определяются уменьшением интенсивности процессов образования заторов к северу и востоку. Наводнения от заторов льда в речных руслах характерны для больших и средних рек при наличии большого ледосборного участка выше головы затора, низкой поймы и резком снижении уклона водной поверхности по длине реки.
По данным многолетних наблюдений на гидрологических створах заторных рек России выполнен анализ распределения частоты затопления пойменных участков в ходе заторных наводнений. Установлено, что в процессе заторных подъёмов уровня воды на 36 % постов превышение 1 %-го уровня над прибрежной территорией составляет не более 1 м, на 32 % глубина затопления колеблется в пределах 1—2 м, в 6 % случаев превышение 1 %-го заторного уровня воды над бровкой — 3—4 м, в 3 % — 4—5м, в 4 % общего числа постов — более 5 м.
По сравнению с наводнениями другого генезиса заторные наводнения более опасны с точки зрения природного и экономического риска, поскольку они протекают в относительно холодный период, достаточно скоротечны, плохо прогнозируются, а меры, принимаемые для борьбы с ними, как правило, малоэффективны. Непосредственное измерение параметров затора и определение его местоположения — задача трудная и опасная. Именно поэтому при изучении заторов важная роль принадлежит косвенным приёмам оценки условий их формирования и развития.
Теоретическую основу предлагаемого метода составляет решение системы уравнений Сен-Венана
в условиях незначительного изменения скорости водного потока по длине речного участка и во времени [2]. Расчёт неустановившегося движения воды в русле по уравнениям Сен-Венана сводится к нахождению отметки свободной поверхности воды Н и расхода воды Q в виде зависимости Q(H) = Дх,т). Для линии следования постоянной отметки поверхности воды dН = 0 уравнение изменения уровня воды по длине реки L за время t имеет вид:
(1)
ЪН__ЪН (1Ь Ы ~ ЪЬсИ
где — скорость изменения уровня воды во времени; ^т- — изменение уровня воды по длине реки; сИ
— скорость продвижения постоянной отметки
водной поверхности Н вверх—вниз по течению.
Скорость продвижения изолинии водной поверхности СН с постоянной отметкой Н1 после некоторых преобразований составляет:
С =йЬ = ЛЯ н~ Л ~ Л
н
<И йН'
(2)
Зависимости, описанные уравнениями (1) и (2), целесообразно представить графически, т.е. в виде графика соотношений уровней, длины реки и времени, за которое происходят изменения: Н = f(L, 0 [1]. Рассмотрим построение этих зависимостей по данным наблюдений и возможности их использования для анализа изменения уровня воды в руслах.
При формировании заторов в руслах рек возникают местные искажения профиля водной поверхности, проявляющиеся на графиках Н = f(L, 0 в виде схождения—расхождения изолиний уровня воды, построенных по данным наблюдений за уровнями воды на водомерных постах. Совместное рассмотрение данных наблюдений за уровнями воды по цепи постов на реке в период формирования заторов позволяет установить природу изменения уровней воды на отдельных участках. При свободном ото льда русле изменения уровня однонаправленные и соответствуют колебаниям расхода воды. При развитии ледовых процессов в руслах рек, в частности формировании заторов, характер хода уровней в отдельных пунктах наблюдений отражает развитие заторов по длине реки, поскольку при образовании затора уровни воды выше по течению поднимаются, а ниже затора — падают. С некоторым приближением заторы можно рассматривать как слабофильтрую-щие плотины. Взаимодействие заторов и водного потока для узких участков русла идентично воздействию на поток высоконапорных плотин, для широ-
ких, с поймой, — обтекаемых низконапорных плотин с водосбросом через пойму.
Характер изменения и распределения уровней выше и ниже затора подобен распределению уровней в верхнем и нижнем бьефах плотины. Общепринятый анализ данных наблюдений за уровнями воды на гидрометрических постах по длине реки, как правило, заключается в построении совмещённых хронологических графиков колебания уровня воды Н = ДО. Эти графики строятся по двум переменным — уровню и времени. Даже при наличии сведений о ледовых явлениях в русле эти графики малоинформативны с точки зрения процессов, происходящих в руслах на участках между гидрометрическими створами.
Анализ изменения уровня воды по длине реки по изолиниям отметок уровня воды значительно расширяет возможности использования полученной информации об уровнях воды в период образования заторов в руслах рек. Графики содержат информацию об изменении уровней воды в любом створе реки и в любое время, об уклонах водной поверхности, о периодах ледостава и ледохода, местах образования затора льда, продолжительности затопления прибрежных территорий и поймы, если известна их отметка, длине подпорного участка и т.д. На предлагаемых графиках по оси L (х) можно отмечать места впадения притоков, расположения пойм, на
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.