Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Дождевые наводнения и условия их формирования на дальнем востоке России 14
1.1. Понятие наводнения и проблема наводнений 14
1.1.1. Наводнения 14
1.1.2. Паводки и половодья как причины наводнений 21
1.1.3. Ущербы от наводнений, их регулирование и компенсация 26
1.1.4. Административные и технические средства защиты от наводнений 33
1.2. Физико-географические условия и гидрологический режим территории 39
1.2.1. Географическое положение 39
1.2.2. Рельеф и геологическое строение 40
1.2.3. Атмосферная циркуляция и климат 47
1.2.4. Ландшафтная характеристика 52
1.2.5. Общая характеристика гидрологического режима 55
1.3. Опыт ладшафтно-гидрологического районирования 57
1.3.1. Климатологический аспект - концепция географической зональности...57
1.3.2. Ландшафтный аспект - топологически уровень районирования 58
1.3.3. Структурный аспект - региональный уровень районирования 62
1.4. Формирование и интенсивность максимального стока 69
1.4.1. Географические закономерности генезиса максимального стока 69
1.4.2. Пространственное распределение расчётных дождевых максимумов 77
1.5. Выводы 82
ГЛАВА 2. Модель паводочного цикла малого речного бассейна 85
2.1. Проблемы моделирования стока малых рек с дождевым питанием 85
2.1.1. Постановка задачи 85
2.1.2. Специфика метода водного баланса при исследованиях стокоформирования 87
2.1.3. Объект исследования - малый речной бассейн 91
2.1.4. Иерархия моделей водного баланса в рамках малого речного бассейна..95
2.2. Структура и параметры паводочного цикла малого речного бассейна 98
2.2.1. Концепция паводочного цикла 98
2.2.2. Оценка динамических параметров паводочного цикла 102
2.2.3. Оценка ёмкостных параметров и анализ динамики водного баланса ПО
2.3. Региональная адаптация модели на Дальнем Востоке 114
2.3.1. Общая характеристика параметров модели для рек региона 114
2.3.2. Физико-географические закономерности параметров модели
и паводков поверхостного генезиса 118
2.4. Теория модели 125
2.5. Контррегулирование стока при экстремальных режимах стокоформирования 135
2.6. Выводы 141
ГЛАВА 3. Расчёты и прогнозы дождевого паводочного стока на основе модели паводочного цикла 144
3.1. Краткосрочные прогнозы стока рек 144
3.1.1. Испытания методик прогноза для малых рек 144
3.1.2. Общая схема прогноза в замыкающем створе крупного бассейна 149
3.1.3. Испытания «полного» алгоритма метода прогноза 153
3.1.4. Испытания «неполного» алгоритма метода погноза 160
3.2. Расчёты максимальных расходов малых рек методом Монте-Карло 164
3.2.1. Объекты и методика численного эксперимента 164
3.2.2. Результаты верификации модели 166
3.2.3. Оценка максимальных расходов 1%-й обеспеченности 172
3.3. Анализ антропогенных воздействий на режим максимального стока 176
3.3.1. Оценка влияния малого водохранилища на максимальные расходы 176
3.3.2. Анализ дождевых паводков в связи с рубками и пожарами 179
3.4. Выводы 185
ГЛАВА 4. Комплексная оценка и региональный анализ риска затопления и развития водно-эрозионных процессов при наводнениях в долинах рек 188
4.1. Принципы комплексной оценки риска, связанного с наводнениями 188
4.2. Региональный анализ руслоформирующей деятельности рек 196
4.2.1. Понятие руслофомирующего расхода воды 196
4.2.2. Связь Q(j)0p и форм руслового и пойменного рельефа в Приморье 201
4.2.3. Региональная типизация русловых процессов 205
4.3. Картографирование риска 215
4.3.1. Районирование территории по степени риска 215
4.3.2. Характеристика факторов риска 219
4.3.3. Содержание и использование карт риска 221
4.3.4. Оценка точности и надежности методики 226
4.4. Опыт решения прикладных задач на основе концепции гидрометеорологического риска 230
4.4.1. Оценка и прогноз антропогенной динамики русловых процесссов при хозяйственном освоении речных долин 230
4.4.2. Оценка эффективности страхования от наводнений с учётом пространственного фактора 238
4.5. Выводы 247
ГЛАВА 5. Вероятностный анализ пространственной структуры наводнений 250
5.1. Нелокальная обеспеченность как характеристика пространственно-распределённых гидрологических систем 250
5.1.1. Общие положения 250
5.1.2. Постановка задачи 252
5.1.3. Элементы теории многомерной обеспеченности 256
5.1.4. Принципы оценки вероятных ущербов по совокупности участков 261
5.2. Стохастическая модель многомерного потока
скоррелированных гидрологических событий 267
5.2.1. Теоретические основы и программная реализация модели 267
5.2.2. Анализ характеристик моделированных рядов 272
5.3. Выводы 279
Заключение 282
Литература
- Ущербы от наводнений, их регулирование и компенсация
- Специфика метода водного баланса при исследованиях стокоформирования
- Общая схема прогноза в замыкающем створе крупного бассейна
- Региональный анализ руслоформирующей деятельности рек
Введение к работе
Катастрофические наводнения на реках - возможно, наиболее значимое из опасных природных явлений. Это обусловлено не только размерами причиняемого ими ущерба, но и ожидаемым ростом частоты и интенсивности гидрологических экстремумов при будущих изменениях климата. За последнее десятилетие (начиная с 1993 г) в мире зафиксировано не менее 7 наводнений, разовый ущерб от которых превышал 10 миллиардов долларов - в США, Европе, Китае и Корее. Последнее из них произошло в Европе в 2002, когда опубликованные ущербы составили около 15 миллиардов евро в Германии и около 4 миллиардов евро в Австрии. Такие большие суммы ущербов казались раньше совершенно невероятными. Масштаб подобных катастроф в России в целом значительно меньше, однако и здесь последнее десятилетие отмечено серией исторических наводнений, суммы ущерба от которых достигали величин 5-15 миллиардов рублей (Якутия, Юг России и Северный Кавказ). Сейчас последствия изменений климата представляются более интенсивными и дорогостоящими, чем ожидалось ранее.
На протяжении веков и тысячелетий люди интуитивно оценивали риск наводнений - сопоставляли выгоды от освоения прибрежных территорий с потенциально возможными последствиями их затопления. Если риск был велик, человек или отказывался от использования пойменных земель, или пытался уменьшить опасность путем строительства простейших защитных сооружений. Рано или поздно этих защитных мер оказывалось недостаточно, и перед человеком вновь вставала необходимость выбора. В последние столетия освоение пойм рек приняло такие масштабы, что стало очень сложно создавать упреждающую систему защиты. Положение усугубляется экстенсивным развитием по принципу "максимального эффекта - с минимальными затратами", приведшего во многих случаях к разрушению геоэкосистем водосборов -естественных регуляторов речного стока.
В результате в век технического прогресса наводнения унесли более 9 миллионов человеческих жизней и причинили огромный материальный ущерб, который имеет тенденцию к росту. Обостряющаяся проблема наводнений сыграла немалую роль в решении ООН объявить 90-е годы десятилетием борьбы со стихийными бедствиями. Вопрос, является ли серия катастрофических наводнений в
последние годы исключительно неблагоприятным стечением обстоятельств или реальным направленным изменением режима максимального стока, становится жизненно важным для многих регионов мира.
Опасность наводнений, как и любые другие виды опасности в системе "человек-природа-общество", реализуется в чрезвычайную ситуацию по стохастическим законам, что определяет принципиальную возможность общества управлять процессом путем ограничений и ослаблением опасности. Эта возможность может быть реализована лишь в случае, если общество в целом и его субъекты научатся осознано оценивать риск наводнений - количественно сопоставлять выгоды от хозяйственной деятельности на пойменных территориях и водосборах, от осуществления мероприятий по защите от наводнений с возможными их отрицательными последствиями для безопасности природы, человека и общественных институтов.
Устойчивого развития паводкоопасных территорий можно достигнуть путем обеспечения приемлемого для общества уровня опасности наводнений. Одних технических мер для этого недостаточно, поскольку существует принципиальная (экономически обоснованная) возможность защиты от подавляющего большинства, но сравнительно небольших паводков. В то же время на катастрофические наводнения крайне редкой повторяемости приходится значительная доля ущерба. Поэтому в настоящее время при планировании и осуществлении противопаводковых мероприятий на первый план выходят задачи управления, направленные на создание комплексного механизма административного и экономического регулирования использования затапливаемых территорий. Если политика США в вопросах защиты от наводнений уже почти полвека характеризуется тезисом "задача регулирования паводков - регулирование ущерба от них", то в Российской Федерации осознание необходимости изменения стратегии защиты от наводнений происходит только сейчас.
Развитие новых моделей для исследования фазы максимального стока в гидрологическом режиме рек при меняющихся условиях является сейчас настоятельной необходимостью. Эти модели должны быть достаточно простыми и универсальными, чтобы применять их как действительно полезный гидрологический инструментарий в широкой инженерной практике. Независимо от того, достижима ли такая цель вполне в настоящее время, можно рассчитывать на серьёзные результаты, используя новые типы моделей с такими свойствами, как нестационарность, сильная нелинейность,
масштабная инвариантность, обусловленность структурой речных систем и т.д. Максимальный сток рек регионов с преобладанием дождевых паводков в режиме отличается особенной неустойчивостью, сложностью и мозаичностью условий формирования, что требует разработки специфических моделей и методов географического анализа. В нестационарных условиях перспективным является применение ланд-шафтно-гидрологического районирования, динамико-стохастических и комплексных стохастических моделей на основе развитых физических гипотез.
Актуальность исследования обусловлена необходимостью выработки целостного подхода к наводнениям как феномену, возникающему во взаимодействии природы и общества, и создания адекватного научного и инженерного инструментария для решения связанных с ними прикладных задач в современных экономических и природных условиях. Целью является создание новых методов для расчётов и прогнозов параметров наводнений, и управления связанным с ними риском, учитывающих специфику экстремальных процессов, их пространственную структуру и комплексный характер воздействия.
Основные задачи работы формулируются следующим образом:
Разработать и испытать модель паводочного цикла малого речного бассейна (ПЦ-модель МРБ) в качестве единой методической основы расчётов, краткосрочных и долгосрочных прогнозов, сценарного моделирования максимального стока, эффективной для рек с преобладанием дождевых паводков в режиме.
Разработать подход и методы оценки риска, связанного с речными наводнениями, учитывающие комплексный характер и сложную пространственную структуру происходящих процессов, для обоснования защитных мероприятий и контроля их экономических и экологических последствий.
Научная новизна полученных результатов по первой задаче определяется тем, что разрабатывается модель с сильной нелинейностью, демонстрирующая различные режимы функционирования в зависимости от интенсивности стокоформирования (включая структурные изменения). Теория ПЦ-модели строится на пяти простых гипотезах, хорошо обоснованных эмпирически. Уравнения включают в себя 7 основных и 3 вспомогательных параметра, которые являются интегральными характеристиками бассейна и при этом сохраняют ясный физический смысл. Основные параметры ПЦ-модели определяются на основе данных многолетних стан-
дартных наблюдений за осадками и стоком без применения процедур численной оптимизации, причем только 3 из них являются независимыми. Для неизученных бассейнов возможно надёжно оценивать параметры методами ландшафтной и структурной индикации.
К оригинальным теоретическим результатам можно отнести следующие: развитие принципов системного подхода в воднобалансовых исследованиях и определение обобщенной структуры модели приповерхностного влагооборота на суше в виде иерархии специфических циклов; авторское определение малого речного бассейна как стокообразующего объекта; концептуальную разработку модели паводоч-ного цикла и определение ряда её ключевых параметров для большого числа речных бассейнов на Дальнем Востоке; выявление феномена контррегулирования стока в виде закономерности, присущей процессу формирования дождевого стока при определённых условиях; аналитическое описание и физическая интерпретация эффектов сильной нелинейности при формировании экстремальных паводков.
В методическом плане получено следующее: методика статистического анализа выборок максимальных паводочных расходов для определения динамических параметров ПЦ-модели; методика определения емкостных параметров ПЦ-модели способом построения псевдофазовой диаграммы МРБ; методика посуточной увязки 8-членного водного баланса МРБ для анализа динамики его элементов по стандартным данным; установлены тесные зависимости ряда параметров ПЦ-модели от физико-географических и структурно-информационных характеристик бассейнов и устойчивый региональный характер некоторых из них.
Прикладные результаты работы по первой задаче следующие (везде - реализация в виде универсальных программных модулей): создан автоматизированный архив гидрометеорологической информации, включающий данные по 140 гидрологическим и 200 осадкомерным постам на территории юга Дальневосточного региона России (отдельные станции КНР, США и зарубежной Европы); методы краткосрочного прогноза гидрографов дождевых паводков малых (до 2000 км2) и средних (до 100 000 км) рек заблаговременностью 1-6 суток; метод построения кривых распределения вероятности максимальных расходов дождевых паводков по схеме динамико-стохастического моделирования; опробованы методики и выполнены
оценки изменения режима максимального стока под влиянием массовых рубок, лесных пожаров и малых водохранилищ.
По второй задаче исследований работа сконцентрирована на разработке достаточно полной и универсальной методологии комплексного оценивания и картографирования риска, связанного с наводнениями в долинах рек горных стран муссонной зоны. При этом внимание уделялось природе, сложному характеру и закономерностям пространственно-временной структуры риска, отражаемых в вероятностных и качественных моделях (классификациях), а также увязке основных действующих факторов наводнения - затопления и водно-эрозионых процессов.
Основные теоретические результаты по данному направлению следующие: концепция гидрометеорологического риска; региональная генетическая классификация и вероятностная модель русловых процессов; обоснование и анализ понятия «нелокальной» (многомерной) обеспеченности, как вероятностной характеристики пространственно-распределённых гидрологических систем.
В методическом аспекте получено следующее: метод комплексной оценки и картографирования риска, связанного с наводнениями; методические основы оценки нарушенности естественного характера русловых процессов за счёт наиболее массовых видов хозяйственной деятельности в долинах рек; модель многомерного потока скоррелированных гидрологических событий для пространственного анализа формирования наводнений.
Прикладные результаты работы по второй задаче следующие: серия карт риска, связанного с наводнениями, в масштабе от 1:2000 до 1:1 000 000; 6 проектов региональных нормативно-методических документов по вопросам оптимизации хозяйственной деятельности в долинах и на водосборах рек, специализированного страхования от наводнений, учету русловых процессов при строительном проектировании и прогнозу их антропогенной динамики при хозяйственном освоении речных долин; опыт анализа антропогенной динамики русловых процессов с использованием картографических материалов различных лет съемки, координатно привязанных в среде ГИС; программный комплекс группового моделирования коррелированных гидрологических рядов; опыт моделирования динамики ущербов от наводнений с учетом его пространственного распределения на основе реальных гидрометеорологических данных и экспертных экономических оценок.
Таким образом, результаты исследований представляют собой группу методических разработок, различных по поставленным задачам, уровню инновации и степени завершённости. Некоторые из них доведены до внедрения или до готовности к внедрению, другие находятся на стадии апробации, есть и такие, которые не развиты далее принципиального обоснования подхода и формулировки упрощённой модели, с анализом условных сценариев. В работе использованы различные методы моделирования - динамического, стохастического и качественного (классификации), - а также общепринятые методики статистического и географического анализа.
Единство представляемого исследования обеспечивается, во-первых, единством предметной области. Все частные задачи исследований, как традиционные, так и вновь формулируемые, относятся к различным аспектам проблемы наводнений. Объектом исследований являются малые и средние реки юга Дальневосточного региона России, в режиме которых преобладает дождевой паводочный сток. С другой стороны, принципиальной позицией автора является ориентация на наиболее массовые, реально доступные массивы исходных данных - это стандартные данные стационарных наблюдений гидрометеорологической сети, а также данные, получаемые с топографических карт крупного и среднего масштаба (1:25 000 - 1:200 000) и с широко доступных специальных карт, характеризующих ландшафты и отдельные их компоненты. Лишь при такой ориентации исследований возможно получить методы, которые могут стать действительно полезным инженерным инструментарием для решения широкого круга прикладных задач.
Другим, не столь очевидным, но не менее важным обстоятельством, обеспечивающим единство работы, является общеметодологические позиции автора, обуславливающие направление, характер и, так сказать, стиль исследования в каждом частном случае. Это единство раскрывается в конкретных материалах каждой главы диссертации и общее его изложение выходит за рамки целей данной работы, поскольку относится уже к области скорее философии науки. Однако в целом - это позиция системного подхода, необходимого в гидрологии, исследующей наиболее сложные и динамичные процессы абиотической составляющей географической оболочки. Учитывая недостаточно чёткое и отчасти дискуссионное содержание этого понятия в науках о Земле, подчеркнём, что нами принимается системная методология, развиваемая определённым направлением гидрологии (географо-, ландшафтно- или геосистемно-
гидрологический подход). Основные методологические положения этого направления, изложенные, например, в (Ландшафтно-гидрологический анализ.., 1992), восходят к концепциям В.Г.Глушкова и В.Б.Сочавы и развивались в трудах Г.П.Калинина, А.И.Субботина, Н.И.Коронкевича, И.Н.Гарцмана, Л.М.Корытного, А.Н.Антипова и др., а в русловедении - школой Н.И.Маккавеева и Р.С.Чалова. По результатам работы на защиту выносится 4 положения:
Динамика воднобалансовых соотношений малого, речного бассейна вблизи состояния полной влагоёмкости в тёплый период адекватно описывается точечной нелинейной моделью паводочного цикла. Модель характеризуется хорошим эмпирическим обоснованием постулатов, ясным физическим смыслом и надёжной оценкой параметров, использованием алгоритма переменной структуры, что позволяет предсказывать явления, слабо- или нефиксируемые наблюдениями.
Модель паводочного цикла позволяет решать большинство инженерных задач расчётов и прогнозов стока рек с паводочным режимом в условиях меняющегося климата и ландшафтов на единой методической основе, с использованием схемы динамико-стохастического моделирования и стандартных данных гидрометеорологических наблюдений.
Комплексная оценка риска, связанного с наводнениями, основана на вероятностном учёте взаимосвязи процессов затопления и русловых (пойменных) деформаций. Высокая эффективность типа русловых процессов в качестве индикатора риска позволяет выполнять его региональный анализ и картографирование, решать прикладные задачи мониторинга и прогноза риска.
Вероятностная характеристика событий в пространственно-распределённых гидрологических системах требует обобщения понятия обеспеченности на многомерный случай. Смысловое содержание многомерной обеспеченности зависит от задачи исследования, её оценка в общем случае может быть выполнена методом численного вероятностного эксперимента.
Представляемая диссертация содержит 5 глав, введение и заключение. Она состоит из 301 страницы текста, включает 47 таблиц и 44 рисунка по тексту, 183 ссылки на литературные источники, одно приложение на двух листах. На различных этапах работа выполнялась в рамках плановой, инициативной и хоздоговорной тематики ТИГ ДВО РАН и ДВНИГМИ, а также была поддержана грантами: губер-
натора Приморского края (1996), РФФИ (1998, 2001 и 2004), Фонда Макартуров (2000), Организации научных исследований Нидерландов (2001) и ДВО РАН (2002 и 2003). Результаты, вошедшие в диссертацию, отражены в 61 публикации, из которых 32 - статьи и доклады; в 5-ти отчётах по НИР государственной тематики; в 6-ти проектах региональных нормативных документов, из которых один опубликован.
Результаты представлялись, лично и через публикации, на 30 научных конференциях различного уровня, в том числе: «Стохастические модели гидрологических процессов в приложении к проблемам охраны окружающей среды" (Москва, 1998); «Headwater Control IV: Hydrology, Water Resources and Ecology in Headwaters» (Мерано, 1998); «Early Warning Systems for the Reduction of Natural Disasters - EWC98» (Потсдам, 1998); XXII General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics (Бирмингем, 1999); Extremes-2000 (Рейкьявик, 2000); "Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже 3-го тысячелетия" (Томск, 2000); «River Runoff: Minima & Maxima» (Санкт-Петербург, 2001); «Экстремальные гидрологические события: теория, моделирование и прогнозирование» (Москва, 2003); «Изучение и моделирование дождевых наводнений на реках Евразии в условиях изменения климата» (Иркутск, 2003), VI Всероссийский гидрологический съезд (Санкт-Петербург, 2004), Third International Symposium on Flood Defence and International Symposium on Stochastic Hydraulics (Нимейген, 2005). Прикладные разработки, программные продукты и карты, внедрены в 6 территориальных управлениях Росгидромета и 4 ведущих научно-исследовательских и проектно-изыскательских организациях Дальневосточного региона.
Часть исследований проводилась автором в сотрудничестве с коллегами, что отражено в ряде совместных публикаций, и эти материалы использованы при подготовке диссертации. В первую очередь и с особой благодарностью необходимо отметить многолетнюю совместную работу с дгн М.С.Карасёвым, в процессе которой выполнены все исследования по комплексной оценке и картографированию риска, связанного с наводнениями. В изложении автор пытался придерживаться взвешенной позиции, представляя преимущественно собственные результаты, но без потери целостности исследования.
Искренняя признательность за помощь и сотрудничество в исследованиях выражается кгн В.В.Шамову, кгн М.В.Степановой, кгн Н.В.Кичигиной, кгн Т.С.Губа-
ревой, М.А.Макагоновой, А.Н.Бугайцу, Н.В.Солопову, а также сотрудникам сектора гидрологических исследований ДВНИГМИ и отделов гидрологии Приморского и ДВ УГМС - за активное содействие при сборе исходных данных. В совместных исследованиях автор выполнял постановку задач, разработку математических моделей, руководил созданием архивов данных и алгоритмов их обработки, анализом и интерпретацией результатов.
Кроме того, считаю своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность за советы, моральную поддержку, вдохновляющие обсуждения и полезные дискуссии дгн Ю.Б.Виноградову, проф. Р.С.Чалову, дгн Л.М.Корытному, дтн М.В.Болгову, дгн А.С.Федоровскому, дгн А.В.Шаликовскому, кгн А.В.Бабкину. Особенную благодарность хочется высказать в адрес дгн А.К.Черкашина, критическое суждение которого на протяжении 10 лет поддерживало творческий потенциал автора при работе над моделью паводочного цикла. В современных условиях уместно выразить и живейшую признательность научным фондами и организациям, без чьих грантов работа, вероятно, не была бы выполнена. Это Российский фонд фундаментальных исследований, Фонд Джона Д. и Кэтрин Т. Макартуров, Организация научных исследований Нидерландов.
Ущербы от наводнений, их регулирование и компенсация
В XX веке в мероприятия по защите от наводнений во всем мире вкладывались огромные финансовые средства. Казалось, еще немного и проблема наводнений, по крайней мере в развитых странах, будет решена. Однако этого не произошло, более того - ущербы от наводнений повсеместно продолжают расти. Уже очевидно, что одних инженерных противопаводковых мероприятий недостаточно для решения проблемы наводнений. Для организации эффективной системы защиты необходим глубокий анализ не только причин затопления местности, но и причин роста ущерба, которые можно разделить на две группы: экологические и социально-экономические.
К экологическим следует относить причины, обусловленные глобальным или локальным антропогенным воздействием на окружающую среду, и вызывающие рост параметров затопления местности вследствие роста расходов паводков и половодий, прохождения максимальных расходов при более высоких уровнях воды либо интенсификации русловых процессов. Антропогенное воздействие на водосбор чаще всего приводит к снижению его паводкорегулирующей способности. Наибольшее неблагоприятное воздействие оказывает сведение лесов, переуплотнение почв при сельскохозяйственном использовании, урбанизация территорий, отдельные виды осушительных мелиорации и т.д. Повышение уровней воды по сравнению с естественными наблюдается при стеснении речных русел оградительными дамбами, насыпями дорог и мостами, засыпке проток, увеличении шероховатости русел и пойм.
Антропогенное воздействие на речные системы приводит и к интенсификации русловых процессов, которые могут в значительной мере усугублять последствия наводнений в результате разрушения объектов на поймах и необходимости дополнительных затрат на берегоукрепление. В наибольшей мере на русловые процессы оказывают влияние активные русловые гидротехнические сооружения, изменяющие режим жидкого и/или твёрдого стока реки (мосты, плотины, карьеры, русловыправительные сооружения). Значительную потенциальную опасность представляет процесс глобального потепления в результате "парникового эффекта". Несмотря на дискуссионность вопроса, к этой возможной причине роста паводковых расходов следует относиться с повышенным вниманием, поскольку она может приводить не только к количественным, но и к качественным изменениям режима максимального стока в некоторых регионах.
К социально-экономическим причинам роста ущерба от наводнений относятся факторы, провоцирующие этот рост в результате действий населения и хозяйствующих субъектов, реакции общества на политическую и экономическую ситуацию. Главной причиной роста ущерба от наводнений является все более широкое вовлечение в хозяйственный оборот пойменных, периодически затапливаемых территорий. Интенсификация использования речных долин обусловлена меньшими начальными капиталовложениями в освоение таких территорий в связи с удобством создания транспортных и инженерных коммуникаций, легким составом грунтов, а развитие сельскохозяйственного производства - более высоким плодородием пойменных земель.
В последнее же столетие прослеживается тенденция ускоренного роста стоимости недвижимости и имущества на паводкоопасных территориях. Данный негативный процесс обусловлен как утратой интуитивной способности населения оценивать риск, так и следующими предпосылками: широкому вовлечению пойменных земель в хозяйственное использование способствовала сложившаяся практика предоставления государственной помощи (в настоящий момент - отсутствие каких-либо конкретных правил); рост использования земель, подверженных периодическому затоплению, во многом был спровоцирован обязательным государственным страхованием урожая сельхозяйственных культур, условия которого не учитывали вероятностных характеристик наводнений. Статистика свидетельствует о более высокой повторяемости "катастрофических наводнений" в регионах позднего освоения. В Сибири и на Дальнем Востоке ущерб причиняют даже паводки 20-30%-ой обеспеченности. Это вызвано отсутствием многовекового опыта приспособления населения к режиму рек (Шаликовский, 2003). Инженерные противопаводковые мероприятия, осуществляемые без должного эколого-экономического обоснования, могут вызывать как рост экономического ущерба от наводнений, так и экологический ущерб. Рост ущерба от наводнений после строительства сооружений инженерной защиты обусловлен несколькими причинами.
Инженерные сооружения (особенно дамбы) создают у собственников иллюзию надежной защиты и провоцируют быстрый рост стоимости объектов собственности. В то же время защитные сооружения всегда имеют лишь определенный уровень надежности и поэтому затопление местности всё-таки происходит при катастрофических паводках. Ущерб в таких случаях оказывается значительно выше, чем до строительства сооружений инженерной защиты.
Отсечение пойменных массивов дамбами обвалования приводит к росту максимальных уровней, а, следовательно, - и площади затопления на других участках (выше по течению - в результате образования подпора, ниже - за счет исключения емкости поймы из регулирования максимального стока).
Повышение пропускной способности речных русел за счет их расчистки и регулирования вызывает рост максимальных расходов на нижележащих участках.
В нижнем течении, а также на участках перелома продольного профиля русла в междамбовом пространстве аккумулируются значительные объемы наносов, что ведет к подъему русла над прилегающей территорией и к возрастанию площадей, подверженных угрозе затопления при прорыве дамб.
Ущерб окружающей природной среде от инженерных мероприятий обусловлен воздействием противопаводковых сооружений на речные и пойменные экосистемы.
После защиты пойм от затопления может наблюдаться деградация земель, вызванная изменением почвенных процессов в результате отсутствия естественной влагозарядки и прекращения поступления питательных веществ с наилком;
В результате уменьшения площадей затопления поймы в половодье происходит сокращение нерестовых площадей и ухудшаются условия нагула рыб, что отрицательно сказывается на рыбопродуктивности рек.
Регулирование русел, сопровождающееся понижением уровня грунтовых вод сказывается на условиях существования и продуктивности фитоценозов и может приводить к осуходоливанию пойм.
Специфика метода водного баланса при исследованиях стокоформирования
Смысл термина "водный баланс" настолько очевиден, что глубокий анализ его сущности, содержания и объема кажется совершенно излишним. Основное место почти в любой работе по ВБ занимает изложение и обобщение эмпирического материала и методы определения составляющих, теоретическая часть очень невелика или отсутствует; исключения редки (Коронкевич, 1986). Между тем, как многие основополагающие и очевидные понятия, ВБ обнаруживает глубину и сложность принципиально неразрешенной и жизненно важной проблемы. Несомненно, понятие ВБ нуждается в специальной теоретической разработке, которая должна ответить на ряд вопросов. Первый среди них: что такое ВБ - самостоятельный принцип и метод гидрологии, имеющей собственные специфические объекты исследования, или просто способ применения фундаментального физического закона к решению практических задач?
Для анализа возьмем достаточно типичную цитату, содержащую основные варианты определений ВБ (Булавко, 1971, с. 11): "В самом общем смысле под ВБ пони мают совместное рассмотрение и сопоставление количественных характеристик прихода, расхода и изменения запасов влаги в пределах какого либо ограниченного пространства за определенный промежуток времени.
ВБ речного водосбора отражает процессы круговорота воды в природе и состоит из ряда элементов, которыеь в соответствии с самим понятием "баланс" делят на приходные, расходные и, если можно так выразится, на результирующие (сальдовые)...
Таким образом, ВБ речного водосбора формируется в результате сложного взаимодействия вертикального влагообмена (атмосферные осадки-испарение), обусловленного термодинамическими факторами, с горизонтальным влагообменом (склоновый, подземный и речной сток), определяемым гидромеханическими факторами. Совокупность его элементов представляет собой пространственно-временной комплекс, изучение которого возможно в двух аспектах - пространственном и временном. В первом случае рассматриваются особенности распределения и изменчивость количественных характеристик составляющих ВБ по территории (страны, области, речного водосбора). Во втором случае исследуются изменения этих характеристик во времени (многолетние, год, сезон, фаза водного режима, месяц, декада, сутки)...".
В данном отрывке, как и в большинстве подобных определений, прослеживаются две тенденции. С одной стороны - чёткое понимание того, что ВБ отражает различные уровни сложного природного комплекса процессов водообмена и, следовательно, различные уравнения ВБ соответствуют различным природным системам, имеющим относительно чёткие морфологические и функциональные признаки, а также пространственно-временные границы. С другой стороны, непременным атрибутом любого ВБ-анализа является абстрактное (физическое) утверждение о том, что по закону сохранения вещества ВБ замыкается для произвольно ограниченного объёма за любой промежуток времени.
Это утверждение, будучи верным по физическому смыслу, не имеет практической значимости для географических объектов. Как известно, строго оставаясь в рамках ВБ-практики, сам принцип сохранения нельзя считать доказанным - любой реальный баланс всегда содержит невязку. Безусловное применение физического определения, вместе с простотой и очевидностью общей формы ВБ-уравнения, в значительной мере мистифицирует исследователей, затушёвывая сложный системный характер природного явления.
Также обычным в изложении теории ВБ является разделение членов уравнения на приходные, расходные и результирующие "в соответствии с самим понятием "баланс" (там же, стр.П). Очевидно, что специфика метода ВБ отражается совсем другим разделением составляющих - на "группу осадков", "группу стока" и "группу испарения", - в соответствии с формами организации и движения водных масс. Это разделение вытекает из общего положения: "Для полного описания круговорота воды на суше принцип баланса водных масс должен быть дополнен равным ему по рангу принципом баланса форм организации этих масс. Если первый характеризует уровень насыщения среды влагой, то второй отражает внутреннюю неоднородность и анизотропность среды, определяющих дифференциацию масс воды на объекты. Единство обоих принципов лишь отражает единство зонального и азонального в формировании географической оболочки Земли и её компонента - гидросферы." (И.Н.Гарцман, 1976, стр.36).
Кроме упомянутых, существует ещё одна, совершенно особенная, группа членов ВБ уравнений - результирующие или аккумулятивные члены. Особенность этой группы, во-первых в том, что они отражают не движение, а накопление водных масс, во-вторых, включают в себя объёмы различно организованных водных объектов и погрешности определения всех остальных составляющих. Можно сказать, что эти члены ВБ уравнений не отражают особых целостных природных процессов и имеют характер относительный и в определённой степени фиктивный. Разумеется, что в ВБ уравнениях содержатся и переходные по своему характеру члены, включение которых в ту или иную группу достаточно субъективно. Таковы, например, "сток по стволам", "подрусловой сток", "горизонтальные осадки" и др. Проблемы, связанные с неопределённостью формы организации и выделения ВБ объектов, решаются при выработке ответа на следующий вопрос: какова структура пространства-времени в области применения метода ВБ?
Проблема собственного пространства-времени биосферы была поставлена и активно разрабатывалась В.И.Вернадским. В своих работах (1965, 1975) он развивал понятие биологического (и вообще - конкретного) пространства- времени, в противовес физическим абстрактным концепциям пространства-времени Ньютона и Эйн штейна. В работах современных последователей Вернадского (Круть, 1978) учение о конкретном пространстве-времени, опосредованное методологией системного подхода, доведено до признания индивидуального, собственного пространства-времени любого природного объекта-системы и их интеграции в иерархические уровни. Однако, несмотря на значительное проникновение подобных представлений в идеологию современного естествознания, конкретное пространство-время отдельных систем и их классов остаётся до сих пор достоянием высокой теории, практически не задевая сферы прикладных научных и, тем более, инженерных разработок.
Полный анализ пространственно-временной структуры ВБ объектов не входит в задачу данной работы. Детальный анализ такой структуры для рассматриваемой задачи изложен ниже, здесь же ограничимся примером. Рассмотрим взаимосвязь естественного ритма ВБ объекта с величиной аккумуляции влаги на примере обычного уравнения ВБ для речного бассейна и специальной единицы времени - гидрологического года. Обоснованию границ гидрологического года уделяется внимание многими исследователями, в частности А.М.Горчаковым (1983). С учётом специфики водного режима изучаемой территории он подробно обосновал два положения: первое - по условию минимума бассейнового влагозапаса и начала его накопления граница гидрологического года по стоку совпадает с началом весеннего половодья, при этом влаго-запас снега считаются не поступившим на бассейн до снеготаяния; второе - по условию генетической связанности элементов ВБ наступление гидрологического года по осадкам сдвинуто на начало снегонакопления, т.е. на 4 месяца.
Совершенно аналогичный подход реализован и в работах (Игнатов, Федоров, Захаров, 1998; Kwadijk 1993). Он основан на представлении о происходящих в природе комплексах взаимодействий влагообмена, которые через некоторые периоды почти прекращаются, затухают, что отражается в минимальной величине и динамичности соответствующих влагозапасов. ВБ как бы замыкается естественным образом. Уравнение ВБ, составленное для такого "периода замыкания", содержит качественно определённые и генетически связанные величины естественных процессов. Неопределённость такого уравнения, выражаемая аккумулятивным членом, минимальна и обычно не превышает погрешности измерений.
Общая схема прогноза в замыкающем створе крупного бассейна
Цель исследования, во-первых, должна состоять в построении системы (в точном смысле) моделей, каждая из которых должна быть системной. Во-вторых, системное моделирование должно заключаться не в заимствовании наиболее разработанных, либо популярных, методов математической физики, а в поиске и синтезе собственных оснований полномасштабной теории ( логика-топология-метрика -И.Н.Гарцман, 1977) специфической формы движения материи - приповерхностного влагооборота на суше. Необходимой основой для построения такой системы моделей для гидрологического объекта является инвариантно-генетическая последовательность (ИГП) форм организации водных масс, как наиболее общая для рассматриваемой области "фигура логики". Рассмотрим некоторые результаты построения системы воднобалансовых моделей (ВБ-моделей) для малого речного бассейна.
ИГП состояний (форм организации) водных масс (ИГП-G) предложена в результате обобщённого анализа процесса насыщения влагой условной среды. "В первом приближении ИГП гидросферы может быть представлена последовательностью девяти относительно устойчивых состояний элементов из G, перечисленных в нулевом столбце Мв (табл. 2.1 - авт.). Каждое из gi состояний здесь выступает как потенциальная возможность, которая обусловлена собственными свойствами воды и специфически реализуется в определённых условиях вмещающей среды. Конкретизировать ИГ-последовательность можно, определив характеристики вмещающей среды. В Мв это сделано путем подстановки вместо U (среда - авт.) таких объектов как "Тропосфера" (Т), "Кора выветривания" (К) и двухфазная среда Т-К... Строки матрицы представляют собой перечисление ситуаций в системах В-Т, В-К и В-Т-К (в табл. 2.1 соответствующие столбцы опущены - авт.), гомоморфных по морфопроцессу" (И.Н.Гарцман, 1976, с.32).
В результате подстановки в качестве среды объекта "Малый речной бассейн" получена последовательность состояний, представленная в табл. 2.1 в виде дополнения матрицы Мв. Она может быть описана как последовательность типовых
ВБ-объектов (= состояний ВБ-объекта), ранжированных по возрастанию интенсивности процессов влагооборота вплоть до стокоформирующих объектов. Существенно, что последовательность 9-ти состояний группируется в три "ступени" (рода), которые характеризуют: grg3 - динамику ВБ-объекта вблизи максимальной гигроскопичности (МГ), g4-ge - динамику ВБ-объекта вблизи наименьшей влагоёмкости (НВ), g7-g9 - динамику ВБ-объекта вблизи полной влагоёмкости (ПВ). Термины МГ, НВ и ПВ, используемые в гидрофизике почв применительно к почвенному телу, нами используются условно; применительно к МРБ содержание этих понятий будет раскрыто ниже. В самом общем смысле имеется в виду, что МГ фиксирует предельный объём форм прочносвязанной влаги; НВ и ПВ - предельные объёмы форм капиллярной и гравитационной влаги, соответственно, в пределах любого ВБ-объекта.
Важнейшей для гидролога характеристикой состояний ВБ-объекта первого рода является отсутствие стока, обусловленное полным отсутствием гравитационных форм влаги. Ведущим процессом на данной стадии развития влагооборота является внутренний паро-капельный обмен. Испарение происходит в условиях избытка тепла, интерпретируемого в рамках принятой идеологии как избыток "атмосферной ёмкости", и контролируется влагонасыщенностью ВБ-объекта. Фазовые переходы воды происходят внутриобъёмно в результате локального переувлажнения на паро-капель-ном уровне. Влагообмен через поверхность объекта с атмосферой, интерпретируемый как элемент водного баланса - испарение, физически существенно отличается от транспирации и испарения с капиллярной каймы. Замыкание баланса при доминировании таких процессов происходит на малых площадях и за малые промежутки времени. Динамика ВБ-объекта при состояниях первого рода может быть адекватно описана ВБ-моделью почвенного монолита, в которой остаточным (результирующим) членом ВБ-уравнения является испарение. Испарение с территории представляет собой простую сумму испарений множества составляющих данную территорию условных почвенных монолитов. Полученный вывод коррелирует с практическим заключением о том, что почвенные испарители могут быть "хорошими" датчиками испарения только в условиях, когда горизонтальным влагообменом можно пренебречь, т.е. при сухой почве.
Состояния ВБ-объекта второго рода характеризуются появлением эпизодического или переменного стока, обусловленного локальным появлением гравитационной влаги. Здесь ведущим (основным) процессом выступает транспирация и её абиотические аналоги, которые формируются как сложный саморегулирующийся процесс в условиях переменного соотношения тепла и влаги. Сток в данном случае является результирующим (остаточным) членом уравнения ВБ. Примером состояния g6 является суточный ход стока в период летней межени. Замыкание ВБ процессов данного рода происходит в рамках гидрологического склона (ГС), пространственные масштабы которого измеряются сотнями метров, а временной масштаб равен суткам (цикл испарения).
Региональный анализ руслоформирующей деятельности рек
Для описания процессов руслового добегания в пределах средних и крупных бассейнов (до 100-200 тыс. км2) наиболее целесообразно, с учетом наличия данных, использование т.н. свертки или интеграла Дюамеля. Практически он используется в дискретном виде конечной суммы т ах а= Е/ ж - +1) (зл) где q - посуточные величины притока в русловую сеть, Q - посуточные расходы в замыкающем створе, / - текущая расчетный шаг (момент времени), р - ординаты функции влияния, t и tmax - текущая и максимальная величины предыстории, с которой учитывается приток для вычисления стока, к - коэффициент размерности. В качестве притока в русловую сеть крупного бассейна используются фактические и прогнозные расходы воды малых речных бассейнов, которые, таким образом, выступают как бассейны-индикаторы, являющиеся репрезентативными для отдельных частей водосбора. В качестве функции влияния используется хорошо зарекомендовавшая себя кривая Калинина-Милюкова, теоретически выведенная для описания трансформации гидрографа серией одинаковых линейных водохранилищ. P(0 = -jf re (3.2) г (и-1)! Здесь t - время, г - константа руслового добегания, п - количество условных водохранилищ. Практически в расчетах функция влияния используется в виде диск ретной конечной последовательности весовых коэффициентов, сумма которых должна быть равна единице. Это условие нарушается, во-первых, ограничением длины последовательности величиной tmax. Во-вторых, для обеспечения заблаговременности прогноза на величину d суток за счет учета добегания необходимо обнулить соответствующее количество начальных ординат функции влияния. В усеченные таким образом ординаты вводится затем поправки, приводящие их сумму к единице, для выполнения требований закона сохранения вещества при расчетах. Предельной величина заблаговременности и предельная величина учета предыстории процесса при прогнозе за счет добегания определяются, таким образом, количеством начальных ординат и номером конечной ординаты функции влияния, которые возможно обнулить без существенного искажения её формы.
Недостаток исходных данных и погрешности «огрубления» природных процессов приводят к тому, что, особенно в задаче краткосрочного прогнозирования, результаты моделирования почти никогда не могут быть использованы непосредственно из-за значительных ошибок. Поэтому результаты модельных расчетов рассматриваются как некий «индекс», более или менее связанный с конечной прогнозируемой величиной. На завершающем этапе прогнозирования используются эмпирические методы коррекции ошибок. Самый простой вариант - введение текущей поправки прогноза, основанной на предыстории, глубина которой равна заблаговременности.
Возможности такой коррекции обусловлены степенью инерционности ошибки прогноза, величина которой, в общем, сопоставима со временем добегания. Использовался и более сложный метод коррекции, основанный на применении многомерной регрессии вида Qfor,i+crAQmod,i+d Qmod.b Qobs.i) (3-3) где Qfor, Qm0d, Qobs - расход прогнозный, моделированный и наблюденный соответственно, / и d - текущий момент и заблаговременность прогноза. Как показали эксперименты, такая комбинация предикторов позволяет достаточно точно учесть как систематическую, так и случайную погрешности моделирования.
Таким образом, общая схема прогноза включает в себя три этапа (рис. 3.2). На первом для каждого расчётного шага происходит настройка ПЦ-модели МРБ по каждому бассейну-индикатору, с использованием ежедневных расходов воды за период учитываемой предыстории и суточных сумм осадков одного или нескольких осадко мерных пунктов. Если осадкомерных пунктов, «тяготеющих» к бассейну-индикатору, несколько, то их данные осредняются. После достижения наилучшей настройки ПЦ-модели выполняется расчёт на три шага (дня) вперёд, с использованием прогноза осадков по градациям. Параметры ПЦ-модели для каждого бассейна-индикатора рассчитываются или оптимизируются заблаговременно на основании многолетних данных по осадкам и стоку на этом бассейне, в процессе настройки оптимизируются только краевые условия, как это описано в разделе 3.1.1.
На втором этапе последовательность измеренных и моделированных расходов каждого бассейна-индикатора длиной tmax+3, т.е. фактическая предыстория и прогноз, подвергается трансформации по формуле (3.1), с использованием частной функции влияния, скорректированной на заблаговременность 0-3 дня. В результате получаем прогноз стока с частного водосбора, тяготеющего к бассейну-индикатору, в замыкающем створе с заблаговременностью 1-6 суток, 3 из которых обеспечиваются прогнозом осадков и 3 - русловым добеганием. В замыкающем створе гидрографы стока с частных площадей водосбора суммируются с соответствующими весами. Параметры частных кривых добегания и весовые коэффициенты суммирования определяются предварительно путем оптимизации с использованием измеренных расходов воды бассейнов-индикаторов и замыкающего створа за многолетний период. На третьем этапе происходит корректировка полученных модельных расходов с использованием формул типа (3.3), параметры которых оцениваются путем эксперимента на зависимой выборке. Испытания схемы прогноза проведены на примере бассейна р.Хор в Хабаровском крае, площадь которого составляет около 25 тыс. км .
