Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Модели прогноза образования заторов льда на реках 12
1.1. Заторы льда и их классификация 12
1.2. Геоморфологические факторы заторообразования 18
1.3. Гидрометеорологические факторы заторообразования 24
1.4. Методы изучения и модели прогноза заторов льда на реках 28
1.5. Выводы и направления дальнейших исследований 35
Глава 2. Анализ влияния морфометрических особенностей речного русла на частоту заторных явлений 38
2.1. Анализ динамики заторных наводнений на Европейской и Азиатской частях Российской Федерации 38
2.2. Исходные данные для построения факторной модели 41
2.3. Модель множественной регрессии и статистические оценки ее качества 47
Выводы по Главе 2 52
Глава 3. Влияние подпора на частоту заторов льда в бассейне реки Северная Двина 54
3. 1. Особенности ледовых затруднений в бассейне реки Северная Двина 54
3.2. Статистический анализ дискриминантных переменных 57
3.3. Построение и кросс-проверка классификационных функций 68
Выводы по Главе 3 74
Глава 4. Вероятностный прогноз образования заторов на реке Кичменьга 76
4.1. Гидрологическое описание бассейна реки Кичменьга 76
4.2. Проверка стационарности многолетних рядов наблюдений за ледовыми явлениями 79
4.3. Качественная оценка вероятности образования затора на реке Кичменьга 88
4.4. Обобщенная оценка вероятности возникновения затора в створе с постоянной морфометрией 95
4.5. Разработка комплекса инженерно-технических мероприятий по борьбе с заторами на незарегулированных участках речных русел 100
Выводы по Главе 4 108
Заключение 111
Список условных обозначений 114
Список литературы 116
Приложения 131
- Геоморфологические факторы заторообразования
- Статистический анализ дискриминантных переменных
- Проверка стационарности многолетних рядов наблюдений за ледовыми явлениями
- Разработка комплекса инженерно-технических мероприятий по борьбе с заторами на незарегулированных участках речных русел
Геоморфологические факторы заторообразования
Влияние параметров речного русла на образование заторов отмечается еще в ранних исследованиях ледового режима рек и водоемов. Образование заторов на р. Енисей на отмелях и вблизи островов описано в 1869 году Г. Третьяковым и Е. В. Близняком в 1916 году в местах сужений, подводных препятствий и крутых поворотов [10]. В работах Ф.И. Быдина, датируемых 1933 годом, для рек Волхов и Свирь к числу факторов, влияющих на заторообразование, отнесены расположение реки в плане, строение и форма ее русла и берегов [19].
Л.Г. Шуляковский, анализируя условия образования заторов, выделяет участки с соответствующими морфологическими и гидродинамическими свойствами. Он отмечает, что естественные места уменьшения продольного уклона русла имеют морфологические особенности, способствующие заторообразованию: сужения русла, острова и крутые повороты [104]. На этих участках сила трения уменьшается, а сопротивление русла увеличивается. Участки общего уменьшения уклона реки являются относительно постоянными местами образования заторов. На участках русла с переходами от перекатов к плесам, также характерных для образования заторов, уклон уменьшается, а скорости течения увеличиваются. Тем не менее, места образования заторов на них обычно непостоянны. Это объясняется тем, что при общей однородности морфологии, влияние таких переменных факторов, как гидравлические и климатические условия делают равновероятным появление затора на ряде участков чередования перекатов и плесов. Другими словами, вероятность возникновения заторов в створе с перекатом обуславливается не только морфологией русла (постоянным фактором), но и его сочетанием с переменными гидрометеорологическими факторами.
В ранних работах Я.И. Марусенко делает вывод о том, что в естественном русле очагом образования затора служит плес, расположенный, как правило, на закруглении русла [65]. Естественными автор считает заторы льда, образующиеся под действием потока, без участия других факторов. Последовательность возникновения заторов следующая: в устьях рек, в начале проток, на плесах, закруглениях и на мелях. Автор выделяет устьевые заторы, заторы в протоках, боковые заторы и поперечные русловые заторы льда. Устьевые заторы – это возникающие за счет собственного льда или льда впадающей реки. Основная причина таких заторов – разница по времени между началом вскрытия рек. Заторы на протоках связаны с условиями их замерзания (оно более раннее) и сохранением до периода вскрытия реки. Наличие протоки подразумевает наличие острова. Главная особенность заторов в протоках заключается в возможности провоцирования образования русловых заторов весной. Боковые заторы образуются на вогнутых берегах плеса во время первой подвижки льда из-за различия в разрушении льда на плесе и перекате. Автором приводятся морфометрические характеристики заторного участка русла (ширина русла, ширина льда, средняя и наибольшая глубины воды) для створов, содержащих перекат, плес и крутой поворот. Поскольку морфометрические характеристики русла зависят от геоморфологии всего водосбора, В.Я. Марусенко обобщает сведения о местах возникновения заторов: крутые повороты, острова, сужения, мелкие перекаты, пороги, места изменения уклонов. В более поздних работах автор отмечает, что именно на этих участках, где невозможно прямолинейное движение ледяного покрова, вероятно образование катастрофических заторов [64]. Заторные явления на участках малых рек с указанной морфологией объясняются гидродинамическими условиями протекания потока: на крутом повороте или изгибе сказывается действие центростремительной силы, направленной к вогнутому берегу; на излучине реки происходит деление ассиметричных струй; при делении потока островами наблюдается различие скоростей в русле и протоке.
По данным В.А. Рымши заторные явления чаще всего наблюдаются в суженных участках русла, при резких поворотах реки, на перекатах и возле островов [89]. Морфологические особенности русла он считает постоянно действующими факторами заторообразования. К переменным факторам относятся метеорологические и гидрологические условия. В работах Б.П. Панова весенние заторы по времени возникновения относительно весеннего паводка подразделяются на: заторы, формирующиеся в начале подъема паводка; на ветви подъема паводка; на вершине паводка и заторы больших рек при закрытом нижнем плесе [78]. На участках с пониженной транзитной способностью потока при пропуске льда, к которым относятся створы при наличии крутых поворотов, островов, осередков, заторы образуются в начале подъема паводка или на ветви его подъема.
В работах И.Я. Лисера, посвященных исследованиям заторных явлений на Сибирских реках, отмечено, что образованию заторов подвержены створы речного русла, имеющие крутые повороты, сужения, острова. Наиболее универсальной характеристикой заторных створов предлагается считать переломы продольного профиля, к которым приурочены наиболее часто повторяющиеся заторы [59]. К сожалению, данные по местам изменения продольного профиля для конкретных речных створов имеются далеко не всегда. Места изменения продольного профиля русла, в которых большие уклоны предшествуют меньшим, тесно связаны с его морфометрией, анализ которой тоже может позволить оценить частоту возникновения заторов.
Изучение условий образования заторов на реках Канады и США также подтверждает влияние формы строения русла и речной долины на образование заторов. Порожистое извилистое русло реки Атабаска вблизи Форта Мак Мюррей (Канада), слияние ее с рекой Клируотер и наличие множества островов являются морфометрическими факторами, способствующими возникновению ледовых заторов [131]. Влияние геоморфологии реки Сандаски вблизи города Фьемонт (штат Огайо, США), а именно серии порогов, сложенных скальными породами, на возникновение ледовых заторов отмечено в работе [117].
Существенное различие в условиях образования и механизме развития заторов, в очаге которых сохраняется ледостав, и заторов, очаг которых образован крупными ледяными полями после их первоначального перемещения, отмечены М.Г. Софером [92]. Во втором случае поля льда, встречающие на пути движения сужения русла или острова, останавливаются и прочно задерживаются. При анализе ледового режима рек СССР Р.В. Донченко (1987 г.) отмечает, что образование заторов связано с местами задержки вскрытия реки ото льда, участками заклинивания русла ледяными полями в местах с характерной морфологией (острова, осередки, косы и т.д.) и местами с зажорными скоплениями. С этим связана классификация типов заторов: русловые заторы у кромки ледяного покрова или в местах стеснения русла, устьевые заторы, подпорные заторы на водохранилищах [33]. Устьевые и подпорные заторы привязаны к ограниченным участкам реки. Русловые заторы в местах перелома продольного профиля или особо значимых русловых препятствий также привязаны к определенным участкам. Прочие виды русловых заторов могут возникать в различных местах. Морфологические факторы, описываемые в работах более ранних авторов, у Р.В. Донченко названы геоморфологическими. Они связаны с «… особенностями строения русла в продольном, поперечном и плановом отношениях…» [33]. Одновременно Р.В. Донченко в одной из своих работ выполняет «… анализ данных, характеризующих морфологические особенности заторных участков…». Определяющую роль в процессе заторообразования здесь играют особенности изменения продольного профиля реки, особенно уменьшение ее продольного уклона более, чем в три раза.
Изучение влияния морфологии русла на пропускную способность приведено в работах Е.С. Субботиной [95].
В работах В.А. Бузина (2004 г.) морфометрическими факторами заторообразования названы сужения и разветвления русла, участки с перекатами и мелями, на которых глубина воды сопоставима с толщиной льда. В.А. Бузин считает, что особенно способствует заторообразованию сочетание нескольких видов русловых препятствий: крутого поворота с сужением русла, падение уклона с островами и т.д. [15]. Место образования затора на однородном по морфометрическим параметрам участке распределено равновероятно по его длине. В каждом конкретном году оно определяется влиянием гидрометеорологических условий. Ранее подобное предположение было высказано и Л.Г. Шуляковским. Морфометрические факторы В.А. Бузин относит к постоянным, а гидрометеорологические – к переменным факторам заторообразования. Морфометрические факторы определяют вероятность образования затора на конкретном участке реки, а гидрометеорологические – мощность ледового затора.
В исследованиях заторообразования на реке Томь, выполненных С.А. Агафоновой и Н.Н. Фроловой, формирование заторов льда обусловлено сложным сочетанием географических, гидрологических, метеорологических и геоморфологических факторов [3]. Морфологическими условиями заторообразования являются снижение уклона, сужение русла, разветвления, крутые излучины и места слияния реки и ее притоков. К антропогенным морфологическим факторам, характерным для данной реки, отнесены мостовые переходы, дамбы обвалования, глубокие русловые карьеры при их комбинации с мелководными перекатами.
Терминология общего обозначения факторов, влияющих на образование ледовых заторов, и относящихся к особенностям строения русла и поймы реки (острова, плесы, перекаты, крутые повороты и т.д.), более чем за вековую историю исследований ледового режима рек, несколько отличалась у разных авторов. В одних работах их называют морфологическими, в других геоморфологическими, в третьих морфометрическими. Тем не менее, это одни и те же факторы, относящиеся к постоянным факторам заторообразования и определяющие вероятность (частоту) образования заторов льда на конкретном участке реки.
Статистический анализ дискриминантных переменных
Исходным материалом для исследований стали гидрологические данные по реке Северной Двине и 29-ти рекам, формирующим ее бассейн. По 82-м участкам, в пределах которых наблюдались ледовые затруднения, сформирована электронная база данных, позволяющая быстро производить сортировку и группировку параметров:
- морфометрические характеристики русла;
- число лет наблюдений;
- повторяемость заторов и/или зажоров;
- частота возникновения подпоров от нижерасположенных участков;
- высшие заторные и/или зажорные уровни и их средние значения;
- наибольшие заторные и/или зажорные подъемы уровней воды и их средние значения;
- высшие незаторные и незажорные уровни воды и их средние значения;
- средняя толщина льда в период вскрытия.
Для половины участков рек бассейна Северной Двины характерно образование только заторов, возникающих в период вскрытия ото льда. Зажорные явления, возникающие в период замерзания рек, здесь практически не наблюдались.
Во время прохождения ледохода наиболее опасны те участки речного русла, на которых ледостав проходил с образованием зажоров, а последующее вскрытие ото льда с образованием заторов. В бассейне Северной Двины таких участков около 50%. Наблюдения показывают, что именно в пределах этих участков могут возникнуть наводнения с достаточно большим и интенсивным ростом глубин, приводящим к затоплению прилегающих территорий. К одним из факторов, осложняющих ледовую обстановку на потенциально опасном с точки зрения заторообразования речном участке, относится влияние подпора от нижележащих участков, еще стесненных ледовой массой.
Основным принципом отбора исходных данных из Каталога [41] стало наличие статистических данных как минимум за 10 лет по повторяемости заторов и зажоров, наивысшим заторным подъемам уровня воды над меженью, наивысшим незаторным и незажорным уровням над меженью, толщине льда перед вскрытием реки. По измеряемым данным анализировались средние многолетние значения, приведенные в Приложении 4.
Максимальный подъем уровня воды при заторе над уровнем, который мог быть при его отсутствии, в исходных данных был определен двумя способами: графической срезкой уровней и последующей интерполяцией на дату максимума; срезкой уровней с учетом данных о стоке (по кривой связи расходов и уровней для открытого русла определялся уровень, соответствующий среднесуточному расходу) [41]. В расчетах эта величина указывается как максимальный заторный подъем.
Незаторный и незажорный уровни воды в исходных данных соответствовали наивысшим уровням, зарегистрированным на посту при свободном течении или ледовых образованиях без существенного подпора. Обычно незаторные и незажорные уровни принимались равными срочным максимальным расходам снегового, дождевого или смешанного происхождения.
При отсчете незаторного и незажорного уровней над меженью, меженный уровень в исходных данных определялся как среднее значение уровня за летнее-осенний период (при отсутствии паводков или при их срезке).
Из всех участков бассейна на первом этапе были отобраны только участки, замерзающие по зажорному типу и характеризуемые возникновением заторов в период вскрытия реки ото льда (Таблица 3.1). Таких участков оказалось 41. Среди них подпор от нижерасположенных створов был зафиксирован на 24 участках, причем частота возникновения подпора не была ниже 4..5%. Остальные 17 участков не испытывали подпора от нижерасположенных створов.
Заранее заданные группы заторно-зажорных участков (те, в которых сказывалось влияние подпора в период весеннего вскрытия, и те, в которых подпора от нижележащих участков не возникало) были сопоставлены по следующим факторам:
- повторяемость заторов;
- средне многолетние значения высших заторных уровней воды;
- средне многолетние значения высших зажорных уровней воды;
- средние многолетние значения высших незаторных/незажорных уровней воды;
- средне многолетние значения наибольших заторных подъемов уровней воды.
Выбор дискриминантных переменных производился на основании общепринятых положений о параметрах, характеризующих вскрытие речного русла ото льда и возникновении заторно-зажорных явлений. Переменные были независимыми, дискриминирующая сила каждой на начальном этапе включения в модель не учитывалась.
В качестве дискриминантных переменных были приняты:
х1 - повторяемость заторов (%);
х2 - среднее многолетнее значение наибольшего заторного подъема уровней воды, м;
х3 - отношение средних многолетних значений высших незаторного уровня над меженью к заторному уровню над меженью;
х4 - отношение средних многолетних значений высших зажорного уровня над меженью к незажорному уровню над меженью.
Повторяемость заторов на всех участках с заторно-зажорными явлениями, по которым имелись данные многолетних наблюдений (граничные значения переменной х 1) лежала в пределах от 0,23 до 0,8. Среднее многолетнее значение наибольшего заторного подъема уровней воды (граничные значения переменной х2) изменялось от 0,8 до 3,6 метров. Отношение среднего многолетнего высшего незаторного уровня к заторному (граничные значения переменной х3) лежало в пределах от 0,7 до 1,69. Отношение средних многолетних значений высших зажорного уровня над меженью к незажорному уровню над меженью (граничные значения переменной х4) изменялись от 0,17 до 0,46.
Влияние на процесс заторообразования переменных гидрометеорологических факторов объясняет полученные отношения максимального уровня воды в свободном ото льда русле к заторному уровню. Эта особенность была отмечена еще в работах А.В. Бузина. Включение зажорных уровней в расчет обусловлено выделением его как основного фактора, влияющего на величину заторного подъема в ряде предыдущих исследований.
Основное ограничение применения дискриминантного анализа заключается в выполнении требования к нормальности распределения переменных, включенных в анализ [8]. В нашем случае это переменные х1..х4. Кроме того, при наличии корреляции между признаками она должна быть линейной, а ковариационные матрицы групп должны быть примерно равны [97].
Нормально распределенной считается случайная величина, которая получена суммированием большого числа независимых случайных величин. При этом, влияние каждой из случайных величин по отдельности мало по сравнению с влиянием всех остальных. Плотность вероятности нормального распределения определяется по формуле [22]:
Логарифмически нормальное распределение преобразовывается в нормальное распределение, поэтому к выборкам, имеющим логарифмически нормальное распределение применимы методы параметрической статистики.
Известно, что большинство гидрологических характеристик ассиметричны и коррелированны по времени. Асимметрия гидрологических характеристик, как правило, положительна, это связано с тем, что речной сток принимает только положительные значения [40]. В настоящее время для моделирования гидрологических характеристик стока используется целый ряд аналитических распределений непрерывных случайных величин. Логарифмически нормальное распределение используется при определении максимального паводочного стока. Максимальные расходы дождевых паводков описываются распределением Гумбеля [85]. В качестве стандартной кривой для гидрологических расчетов в России нормативными документами рекомендована кривая Крицкого-Менкеля (трехпараметрическое гамма-распределение). К особенностям этой кривой относятся положительная асимметрия, нулевое значение в качестве нижнего правого предела и отсутствие ограничений по верхнему пределу случайной величины [91]. В руководстве Совета водных ресурсов США частота наводнений определяется лог-распределением Пирсона типа III [121].
Несмотря на то, что случайная величина, подчиняющаяся нормальному закону, имеет область определения на интервале (–оо, +оо), нормальное распределение также используется в гидрологической практике. Основная особенность нормального распределения - ему подчиняются случайные величины, представляющие собой сумму независимых или слабозависимых случайных величин с дисперсиями, меньшими, чем дисперсия результата [93]. Нормальное распределение удобно применять в тех случаях, когда истинный закон распределения исследуемой величины известен, но вычисления по нему затруднительны, в то время как аппроксимация параметра нормальным распределением не приведет к большим ошибкам.
Особенностью возникновения заторов и зажоров на реках является многофакторность исследуемого процесса, что равнозначно влиянию на гидрологическую характеристику, как случайную величину, множества других случайных величин, которые были перечислены выше как факторы заторообразования. Вполне возможно, что перечисленные дискриминантные переменные, характеризующие заторно-зажорные явления, могут иметь нормальный или логарифмически нормальный закон распределения. Это предположение будет проверено ниже.
Проверка стационарности многолетних рядов наблюдений за ледовыми явлениями
Изучение изменений ледового режима рек и водоемов впервые были начаты в Государственном гидрологическом институте в 1990-е года прошлого века. Начало 1980-х годов характеризовалось в ряде работ изменением продолжительности ледостава и максимальной толщины льда. Так, например, максимальная толщина льда на реке Северная Двина у г. Котлас имела статистически значимый тренд к снижению [26]. Изменчивость сроков ледовых явлений отмечена также в исследованиях ряда авторов [27, 61].
Для выполнения многолетнего анализа возможной нестационарности ледовых явлений на реке Кичменьга использованы следующие источники:
- С 1937 по 1977 гг. - гидрологические ежегодники;
- С 1978 по 2015 гг. - Государственный водный кадастр (ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши).
Исследование произведено для следующих гидрологических характеристик:
- Дата начала осенних ледовых явлений
- Длительность осеннего шугохода
- Длительность осеннего ледохода и шугохода
- Дата начала ледостава
- Максимальная толщина льда
- Дата начала весенних ледовых явлений
- Длительность весеннего ледохода
- Дата окончания весенних ледовых явлений
Для статистически достоверных выводов о возможной нестационарности ледовых явлений на р. Кичменьга (д. Захарово) за период наблюдений 77 лет необходима проверка гидрологической однородности исследуемых показателей. Проверка проводилась согласно действующим методическим указаниям Государственного гидрологического института [68]. Использован метод оценки значимости линейных уравнений регрессии по времени. Если тренд значимо отличался от нуля, то гидрологическая характеристика являлась неоднородной по времени.
Оценка значимости тренда производилась путем сравнения коэффициента корреляции г линейного уравнения регрессии со случайной средней квадратической ошибкой, вычисляемой по формуле: (4.2) где г - коэффициент корреляции; п - число лет наблюдений.
При 5% уровне значимости должно выполняться условие , при 1% уровне значимости .
Дата начала осенних ледовых явлений (согласно пояснениям, приведенным в Государственном водном кадастре за 2007 год) соответствовала первой из дат дате появления устойчивых заберегов, ледохода, шугохода, ледостава. Следует учесть, что кратковременные ледовые явления (от 1 до 3-х дней), отделенные от последующих ледовых явлений периодом 10 дней и более, не учитывались. В Таблице 4.2 приведены характеристики линейных трендов дат ледовых явлений по исходному периоду.
За весь период наблюдений 1939-2016 гг. коэффициент корреляции г больше удвоенной среднеквадратической ошибки 2аг. Имеет место статистически значимый положительный тренд с уровнем значимости 5%. При уровне значимости 1% коэффициент корреляции меньше утроенной среднеквадратической ошибки, тренд статистически не значим и наблюдения однородны. Однозначный вывод о наличии тренда сделать невозможно.
В 1959 году гидрометрического поста у д. Глебово был перенесен на 3 км ниже по течению р. Кичменьга к деревне Захарово. Уровни воды были увязаны. Факторное поле дат начала ледовых явлений приведено на рисунке 4.2. Общий тренд начала дат ледовых явлений мог измениться после 1960 года. Для проверки было рассмотрено 2 периода: данные по д. Глебово (1939-1959 гг.) и данные по д. Захарово (1960-2016 гг.).
Статистически достоверно на 5% и 1% уровне значимости ряд дат начала ледовых явлений за 1939-2016 гг. неоднороден и не может быть моделирован на всем периоде наблюдений. На интервале 1960-2016 гг. ряд является однородным как на 5%, так и на 1% уровне значимости. Это позволяет придти к выводу о том, что начиная с 1960 года даты начала ледовых явлений на р. Кичменьга у д.Захарово не претерпели изменений в связи с возможным потеплением климата. Средняя дата начала ледовых явлений 26 октября, наиболее ранняя дата 10 октября, наиболее поздняя дата 20 ноября.
Осенний ледоход на реках севера европейской части России начинается в октябре. Так как площадь водосбора р. Кичменьга меньше 5000 км2, ледоход на ней встречается не часто. За 77 лет осенний ледоход наблюдался 26 раз (из них 9 раз в ноябре и 1 раз в декабре).
Река Кичменьга замерзает по 3-му типу. Практически ежегодно на ней наблюдается шугоход. Обработка данных за 1937-2016 годы показала, что из 77 лет шугоход (включая непродолжительный 1-3 дня) наблюдался при осеннем замерзании в 70 случаях. Длительность шугохода для рассматриваемого створа определялась непосредственным подсчетом числа дней с шугоходом за 1960-2016 годы. Факторное поле приведено на рисунке 4.3. Проверка ряда на однородность приведена в Таблице 4.3.
Ряд длительности осеннего шугохода по данным наблюдений за 56 лет имел тренд к росту на 5% и 1% уровне значимости и не являлся статистически однородным. При разделении ряда на два интервала 1960-1985 гг. и 1986-2016 гг. первый ряд имеет статистически значимый тренд на уровне 5% значимости, второй ряд статистически однороден. До 1985 года длительность шугохода на р. Кичменьга у д.Захарово имела тренд к увеличению. После 1985 года длительность шугохода можно считать в среднем равной 5,6 дням, максимальная длительность шугохода 26 дней, минимальная 0 дней (в 1993 году).
Разработка комплекса инженерно-технических мероприятий по борьбе с заторами на незарегулированных участках речных русел
Для борьбы с образованием ледовых заторов в речных руслах и вызываемых ими заторных наводнений нормативными документами предусмотрен комплекс мероприятий, включающий прогнозирование и мониторинг заторов, проведение превентивных мер и ликвидационных мероприятий [48, 81].
В период ледостава и, в особенности, в предпаводковый период, необходим постоянный мониторинг ледовой обстановки и ее прогнозирование (рисунок 4.16). На этапе обследования происходит сбор и анализ гидрометеорологической информации, результатов визуальных и инструментальных наблюдений, позволяющие выполнить прогноз паводковой обстановки на участке речного русла, определить сроки вскрытия реки и ее притоков, выполнить прогноз температуры и атмосферных осадков на соответствующие даты и т.п. Это позволит оценить временной интервал, в пределах которого возможно образование заторов льда, так как для каждого конкретного русла образование затора либо генетически связано с этапами прохождения паводка (в начале подъема паводка; на ветви подъема паводка; на вершине паводка), либо это заторы на больших реках при «закрытом» нижнем плесе.
Параллельно необходимы натурные наблюдения за ледовой обстановкой: авианаблюдения и инженерная разведка. На их основании выполняется прогноз ледовой обстановки и определяются потенциально опасные участки реки, в пределах которых могут возникнуть заторы. В пределах участка может быть расположено одно или несколько русловых препятствий, снижающих льдопропускную способность русла. Если присутствуют несколько типов русловых препятствий (сужение русла, изменение русла в плане или изменение глубин речного потока) можно выполнить их ранжирование по вероятности возникновения затора льда вблизи каждой из морфометрических особенностей русла, используя результаты исследований, приведенные в Главе 2 диссертации.
После того, как места возможного образования заторов определены, необходимо оценить возможную мощность затора. Мощность затора можно охарактеризовать максимальной заторной глубиной или максимальным заторным подъемом уровня воды. Для крупных и средних рек России, на которых известны участки практически ежегодного образования заторов, существуют прогнозные зависимости, связывающие эти величины с гидрометеорологическими факторами. Если, например, рассматриваемый участок незарегулированного русла принадлежит бассейну реки Северная Двина, и при прохождении паводка ожидается образование подпора воды со стороны нижележащих створов, следует учесть, что наивысший заторный подъем может быть выше среднего в 1,9 раза (см. Главу 3 диссертации). Для речных участков, в пределах которых заторы льда образуются периодически, оценивается только вероятность факта их образования при наличии соответствующих зависимостей прогноза (в диссертационной работе такой прогноз получен для р. Кичменьга). Возможный подъем уровня воды принимается экспертно на основании данных многолетних наблюдений.
Границы и зоны возможных затоплений достаточно просто определяются с помощью ГИС-технологий при известном значении заторного подъема. А на основании них могут быть выявлены объекты, попадающие в потенциально опасную зону затопления (подтопления), и разработаны сценарии и масштабы наиболее вероятных чрезвычайных ситуаций.
Превентивные мероприятия, предотвращающие образование заторных наводнений, проводят, как правило, при неблагоприятных прогнозах или частых заторных наводнениях в прошлом (рисунок 4.17). В период ледостава и предпаводковый период необходимо регулирование стока льда активным воздействием на процесс вскрытия реки. Регулирование стока реки и выполнение инженерно-строительных мероприятий в руслах, поймах и в целом в бассейнах рек проводят, как правило, заблаговременно в удобный для проведения строительных работ период.
Активное регулирование стока льда перед вскрытием реки включает в себя ряд мероприятий. Предварительное ослабление ледяного покрова возможно зачернением поверхности льда (сажей, шлаком и т.п.), внесением в лед химических реагентов (химикалиев), теплоизоляцией ледяного покрова для замедления его роста, удалением снега с поверхности льда, бороздованием льда ледорезными машинами и стругами. Механическое ослабление льда производится разрезанием (или разрушением) ледяного покрова (ледоколами, судами на воздушной подушке, ледорезными машинами и стругами), взрывами (подрывом снарядов, артиллерийским обстрелом, авиационным бомбометанием, дистанционной вертолетной системой), импульсной подачей под лед сжатого воздуха или смеси газов.
Ледотехническое регулирование подразумевает смещение места очага ледового затора путем искусственного образования скопления льда в заданном месте. Как правило, ледовый материал аккумулируется в виде искусственного затора выше по течению в основном русле или на притоках. Для этого используют усиление ледяного покрова намораживанием льда или создание препятствий, обеспечивающих остановку или задержку льда.
К мероприятиям по регулированию стока реки относится создание водообводных и водоотводных каналов, туннелей или траншей для отвода и сброса воды.
Инженерно-строительные мероприятия в руслах, поймах и бассейнах рек включают в себя русловыправительные (спрямление русел), дноуглубительные и днорасчистительные (по очистке русел рек земснарядами) работы на затороопасных участках. Для проведения мероприятий, направленных на расчистку русел рек от заторов льда, необходима подготовка таких документов, как: акта обследования состояния реки, ведомости объема предполагаемых работ, сметно-финансового расчета на проведение работ. В пределах пойм проводят подготовку, ремонт и реконструкцию насыпей, дамб, обвалований, берегозащитных сооружений, подсыпку пониженных участков территорий, ограничение или запрещение строительства в зонах возможных затоплений.
В общем случае уже возникшие в русле заторы льда ликвидировать нельзя, возможно лишь несколько ослабить их или переместить в другое место. Ликвидационные мероприятия зависят от особенностей затороопасных участков, места образования затора, его типа и структуры ледовой плотины, а также от финансового обеспечения и возможностей, которыми обладают соответствующие муниципальные и федеральные службы, в том числе МЧС России, Минприроды России т.п. (рисунок 4.18).
Состав исходной информации для подготовки предложений по противозаторным мероприятиям включает в себя:
- данные Государственного водного реестра, общегеографические карты, данные по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, каталог заторных участков рек;
- статистические данные о частоте и периодичности заторных наводнений;
- данные многолетних наблюдений за температурным и ветровым режимами в пределах речного участка, режимом осадков, последовательностью прохождения половодья на реке и ее притоках, динамике толщины и прочности ледяного покрова;
- сведения о затороопасных участках, местах образования заторов льда и их распространения вверх по течению за предыдущие годы;
- величины фактического ущерба от ранее наблюдавшихся заторных наводнений;
- данные расчета возможных ущербов от заторного наводнения.