Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы определения динамических характеристик снежных лавин 8
1.1. Анализ состояния вопроса 8
1.2. Ландшафтно-географический метод 10
1.3. Теоретическое моделирование движения лавинного потока 12
1.3.1. Графоаналитический метод СМ. Козика 13
1.3.2.МодельПерла-Ченга-МакКланга 15
1.3.3. Расчет динамических характеристик снежных лавин по ВСН 02 -73 15
1.3.4. Модель А. Вельми и дополненная модель Вельми-Зальма-Гублера 16
1.4. Современные программные средства моделирования снежных лавин 18
1.4.1. Программа RAMMS 19
1.5. Эмпирические методы расчета динамических характеристик снежных лавин 24
1.5.1. Объем 24
1.5.2. Дальность выброса 26
1.5.3. Высота лавинного потока и сила удара 28
1.6. Методы, использованные в работе 30
1.7. Выводы 30
Глава 2 Анализ факторов лавинообразования и обработка данных фактических наблюдений по лавинам с использованием ГИС 32
2.1. Районы исследования 32
2.2. Анализ факторов лавинообразования районов исследования 33
2.2.1. Рельеф 33
2.2.2. Климат 36
2.2.3. Растительность 40
2.4. Особенности лавинообразования 41
2.5. Ключевые лавиносборы 45
2.6. Обзор и приемы обработки многолетних данных фактических наблюдений по лавинам 49 2.6.1. Разработка структуры и создание ГИС «Снежные лавины» 50
2.7. Выводы 54
Глава 3. Влияние факторов лавинообразования на расчет динамических характеристик снежных лавин 57
3.1. Влияние рельефа 57
3.1.1. Выделение лавинных очагов и лавиносборов 59
3.1.2. Оценка морфометрических показателей рельефа 62
3.1.3. Создание пользовательского расширения ArcGIS 9.3 для автоматизированного выделения лавинных очагов и оценки морфометрических показателей рельефа 64
3.2. Влияние климата 75
3.2.1. Расчет толщины снежного покрова 75
3.3. Влияние растительности 76
3.4. Выводы 77
Глава 4. Оценка динамических характеристик снежных лавин 79
4.1. Нормативные документы, регламентирующие проведение снеголавинных расчетов 79
4.2. Методические аспекты выполнения расчетов 81
4.3. Расчет динамических характеристик снежных лавин 82
4.3.1. Хибины 82
4.3.2. Приэльбрусье 98
4.4. Обеспеченность значений динамических характеристик снежных лавин 105
4.4.1. Алгоритм оценки обеспеченности дальности выброса снежных лавин 106
4.5. Верификация программы RAMMS по данным многолетних наблюдений России 113
4.6. Выводы 127
Заключение 128
Список литературы 131
Приложения 143
- Программа RAMMS
- Ключевые лавиносборы
- Хибины
- Верификация программы RAMMS по данным многолетних наблюдений России
Введение к работе
Актуальность темы. Безопасность людей и экономическая эффективность хозяйственных объектов в горах во многом зависят от правильного решения вопросов, связанных с определением зон зарождения и оценкой динамических характеристик снежных лавин, таких как объем, скорость, дальность выброса, сила удара и высота лавинного потока. Признаки лавинной активности, выраженные в ландшафте, не всегда определяют границы возможных лавин и позволяют оценить значения их динамических характеристик. Были зарегистрированы случаи схода особо крупных лавин редкой обеспеченности по объему и дальности выброса, не имевшие аналогов в обозримом прошлом - Блейе (Норвегия), Флатеири (Исландия), Гальтюре (Австрия) [Селиверстов, 2005]. В связи с этим особенно актуальной является оценка вероятных динамических характеристик снежных лавин редкой повторяемости с использованием расчетных методов.
В настоящее время существует большое разнообразие методов определения зон зарождения и расчета динамических характеристик снежных лавин. Их применение в практических целях требует четко установленных правил (руководств) и оценки их точности на независимом материале, что до сих пор не было сделано. Традиционные методы оценки динамических характеристик снежных лавин не соответствуют все возрастающим требованиям к темпам проведения изыскательских работ, что отрицательно сказывается на их качестве. Актуальным направлением является использование геоинформационных систем (ГИС) и современных программ динамического моделирования снежных лавин для решения задач определения зон зарождения и оценки динамических характеристик снежных лавин.
Цель и задачи работы. Основная цель настоящей работы состоит в совершенствовании методических основ определения зон зарождения и оценки динамических характеристик снежных лавин.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Проанализировать и сравнить существующие методы определения зон зарождения и оценки динамических характеристик снежных лавин.
-
Разработать структуру и создать крупномасштабную ГИС «Снежные лавины», географически привязанная база данных которой должна включать параметры и условия схода снежных лавин.
-
Выполнить анализ влияния факторов лавинообразования на расчет динамических характеристик снежных лавин.
-
Разработать пользовательское расширение ArcGIS 9.3, позволяющее автоматизировать процесс выделения лавинных очагов на основе анализа рельефа.
-
Разработать методику оценки обеспеченности дальности выброса снежных лавин.
-
Выполнить расчет дальности выброса снежных лавин с использованием различных методов и оценить обеспеченность полученных результатов.
7. Выполнить верификацию двумерной модели движения лавин RAMMS в России.
Использованные материалы и личный вклад автора. При выполнении работы были использованы следующие материалы: многолетние ряды наблюдений за лавинами в районе г. Кировска Центра Лавинной Безопасности (ЦЛБ) ОАО «Апатит» (более 50 лет); материалы отчетов Швейцарского института снеголавинных исследований (SLF) за 1962-1998 гг. (36 лет); отчеты о работах НИЛ снежных лавин и селей географического факультета МГУ в Приэльбрусье в 70 - 80-е годы XX века; топографические карты районов исследования масштабов 1:5000 и 1:25000; фактические сведения о лавинной активности районов исследования, опубликованные в виде статей и карт; данные, собранные автором во время зимних и летних полевых работ; разновременные данные дистанционного зондирования Земли (ДДЗЗ).
Автором выполнены полевые стационарные и маршрутные исследования лавиносборов, снежного покрова и снежных лавин в Хибинах, Приэльбрусье и Швейцарских Альпах в период с 2007 по 2012 гг., которые включали регистрацию и описание снежных лавин, описание стратиграфии снежного покрова, снегомерные работы, а также исследования признаков лавинной активности с использованием ландшафтно-географического метода. В зимний сезон 2009 г. автор принимал участие в экспериментах по натурному моделированию снежных лавин на экспериментальной площадке Вайсфлуйох (Швейцария). В камеральных условиях выполнялось дешифрирование ДДЗЗ. Автор самостоятельно провел сбор, систематизацию и анализ многолетних данных фактических наблюдений за лавинами, картографических материалов, а также их географическую привязку, что позволило разработать структуру и создать ГИС «Снежные лавины». Разработано и апробировано пользовательское расширение ArcGIS для автоматизированного выделения лавинных очагов; выполнены расчеты динамических характеристик снежных лавин с использованием различных методов в Хибинах и Приэльбрусье, предложена новая методика оценки обеспеченности дальности выброса снежных лавин (на примере Хибин) при ограниченном ряде наблюдений; впервые в России выполнена верификация (по данным о лавинах Хибин и Приэльбрусья) двумерной модели движения снежных лавин RAMMS.
Методика исследования включала полевые работы и комплекс камеральных методов. В процессе работы широко применялись методы геоинформационного картографирования, моделирования, статистический анализ, дешифрирование ДДЗЗ. Обработка и анализ и итоговое представление данных выполнялись в пакете ArcGIS 9.3 (ESRI Inc., США). Моделирование лавин выполнялось с использованием программы RAMMS (SLF, Швейцария).
Научная новизна работы состоит в следующем: 1. Впервые в России создана географически привязанная электронная база данных сошедших снежных лавин в Хибинах и Приэльбрусье (более 50 лет наблюдений) в крупном масштабе (1: 5000), включающая параметры и условия их схода, представленная в виде раздела ГИС «Снежные лавины».
-
Разработано пользовательское расширение ArcGIS 9.3, позволяющее автоматизировать процесс выделения лавинных очагов, исходя из морфометрических характеристик склонов.
-
Предложена новая методика оценки обеспеченности дальности выброса снежных лавин при ограниченном ряде наблюдений.
-
Выполнена оценка обеспеченности дальностей выброса лавин, рассчитанных с использованием различных методов.
-
Впервые в России выполнена верификация двумерной модели движения снежных лавин RAMMS.
Защищаемые положения:
1. Оценка точности методов определения динамических характеристик
снежных лавин может быть выполнена с использованием разработанной
крупномасштабной ГИС «Снежные лавины».
-
Оценка обеспеченности дальности выброса лавин при ограниченном ряде наблюдений может быть основана на использовании аналитических кривых распределения коэффициента эффективного трения в схожих по морфометрии лавиносборах, выявленных с применением кластерного анализа.
-
При моделировании движения снежных лавин в Хибинах (абсолютные высоты менее 1200 над уровнем моря) с применением двумерной модели RAMMS, необходимо использование коэффициентов трения (ц (-) и С, (м/с2)), соответствующих в Швейцарских Альпах высотному диапазону выше 1500 м. При моделировании особо крупных лавин в Приэльбрусье, образующихся в различных диапазонах высот, должны использоваться значения коэффициентов, используемых в Швейцарских Альпах для лавин в аналогичных диапазонах.
4. Использование модели RAMMS позволяет реконструировать ранее
сошедшие лавины и определить их динамические характеристики, информация
о которых отсутствует.
Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы на практике при оценке лавинной активности, опасности и риска в различных горных районах, а также учтены при усовершенствовании нормативной документации, регламентирующей освоение лавиноопасных районов.
Апробация результатов исследований. Результаты исследований докладывались на Российских и Международных симпозиумах, конференциях и заседаниях: XIV Гляциологическом симпозиуме «Гляциология от Международного геофизического года до Международного полярного года» (Иркутск, 2008); научно-практических конференциях молодых специалистов «Инженерные изыскания в строительстве» (Москва, 2007, 2008, 2011); международной научной конференции «Гляциология в начале XXI века» (Москва, 2009); на Общероссийских конференциях изыскательских организаций "Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации" (Москва, 2009, 2010, 2011 и 2012); XV Международном гляциологическом симпозиуме «Лед и снег в климатической системе» (Казань, 2010); IV Международной конференции «Лавины и смежные
вопросы» (Кировск, 2011); XI Научно-практической конференция "Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций" (Москва, 2011 и 2012); заседании Европейского Геофизического Общества Генеральной Ассамблеи (Вена, 2012); XV Гляциологическом симпозиуме «Современная изменчивость криосферы Земли» (Архангельск, 2012). По теме диссертации опубликовано 18 научных работ.
Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, были использованы в отчетах проекта «Ведущий ученый» (Договор № 11.G.34.31.0007) по теме «Оценка природного риска в прибрежных зонах», а также в гранте Ученого совета географического факультета МГУ молодым исследователям 2010-2012 гг. по теме «Определение параметров лавин при проведении изысканий в горах».
Структура и объем работы. Работа включает 175 страниц машинописного текста и состоит из 4 глав, введения, заключения, списка литературы (190 наименований) и 14 приложений, включает 49 рисунков и 26 таблиц.
Работа выполнена под руководством к.г.н. Т.Г. Глазовской, которой автор приносит искреннюю благодарность за участие, внимание и поддержку в ходе выполнения работы, развитие интереса к проведению научных исследований. Автор очень признателен научному консультанту Ю.Г. Селиверстову за содействие и всестороннюю помощь на протяжении всех этапов выполнения работы. Автор приносит благодарность П.А. Черноусу, М.А. Викулиной, В.П. Благовещенскому, Е.А. Золотареву, С.Х. Созаеву за предоставленные материалы. Автор признателен В.А. Светлосанову и С.А. Сократову за полезные консультации. Автор искренне благодарен П. Бартелту, М. Кристану и О. Бусеру за возможность пройти стажировки в Швейцарском институте снеголавинных исследований (SLF) и предоставление программы RAMMS для использования в рамках настоящей работы. Автор признателен А.Н. Божинскому, А.Л. Шныпаркову и Е.Г. Мокрову за конструктивные замечания. Автор искренне благодарен Е.С. Клименко, А.А. Алейникову и Е.Г. Харьковцу за помощь в освоении ГИС-программ и полезные консультации по вопросам работы с ДДЗЗ. Автор выражает благодарность сотрудникам Географического факультета МГУ, ЦЛБ, Института снеголавинных исследований SLF за всестороннюю помощь. Особую признательность хочу выразить И.В. Турчанинову за постоянную поддержку в ходе выполнения работы.
Программа RAMMS
RAMMS (Rapid Mass Movements) рассмотрим более подробно в связи с тем, что у автора появилась уникальная возможность использовать ее в работе. Программа была разработана в Швейцарском Институте снеголавинных исследований (SLF, Давос) и впервые представлена, как практический инструмент, в 2008 году. Она позволяет рассчитать такие параметры лавин из относительной плотной массы снега, как дальность выброса, скорость, высоту лавинного потока и силу удара. Импульсом для создания новой программы RAMMS послужила необходимость в расширении возможностей хорошо зарекомендовавшей себя в практической работе программы AVAL-ID.
Калибровка программы в настоящее время основана на результатах многочисленных экспериментов на специальных наклонных установках моделирования снежных лавин, результатах наблюдения за естественными лавинами на экспериментальных площадках Балле де ла Сьен, Дорфберг, а также анализе многочисленных фактических данных по лавинам в Швейцарии. В настоящее время RAMMS широко используется в Швейцарии для решения следующих задач: (1) картографирования лавинной опасности; (2) моделирования катастрофических лавин; (3) оценки лавинной опасности зданий и сооружений, дорог; (4) планирования и проектирования противолавинных мероприятий; (5) исследования динамики снежных лавин.
В основе программы лежит двумерная модель, которая позволяет моделировать движение лавинного потока в условиях трехмерного рельефа. В настоящее время в RAMMS возможно использование двух различных подходов моделирования:
1. В связи с тем, что программа широко применяется в Швейцарии для решения практических задач, она должна соответствовать нормативным документам. Поэтому в ее основу была положена общепризнанная модель Вельми-Зальма, рассмотренная выше. Она входит в состав Швейцарских нормативных документов для расчета дальности выброса снежных лавин. На практике модель Вельми-Зальма зарекомендовала себя своей простотой и точностью получаемых результатов [152].
2. Результаты измерений скорости лавин на экспериментальной площадке Вале де ла Сьен (Vallee de la Sionne, Швейцария) показали, что модель Вельми-Зальма позволяет достаточно точно рассчитывать максимальную высоту потока и скорость фронта (в результате и дальность выброса), но она не позволяет моделировать процесс изменения скоростей по всей длине лавины [139]. Так как градиенты скорости контролируют распределение массы в пределах тела лавины, модель Вельми-Зальма плохо работает с учетом вовлечения снежного покрова, который определяет рост самой лавины и ее размеры. Поэтому программа RAMMS была дополнена моделью движения, основанной на производстве, распределении и затухании кинетической энергии произвольного движения частиц снега - моделью произвольной кинетической энергии (the random kinetic energy (RKE) model). Концентрация произвольной энергии соотнесена с параметрами модели Вельми-Зальма, которые больше не являются постоянными, а изменяются от головной части потока (высокая плотность энергии) к его хвостовой части (низкая плотность). Модель RKE позволяет проследить изменение скоростей лавины и поэтому более реалистично моделирует вовлечение и отложение снега по ходу ее движения.
Модель Вельми-Зальма в RAMMS. Координаты х, у и z определяют поверхность движения лавины. Вектор гравитационного ускорения - g = {j3x,8y.Qz)- Лавинный поток характеризуется неустановившимся и неоднородным движением с изменяющейся высотой H(x,y,t) и средней скоростью движения U(x,y,t) = (Ux(x,y,t),Uy(x,y,t))T. Значение и направление скорости потока У = Щ + Щ, единичный вектор па — тт-гг(/,.,Uy)r.
Предполагается, что основная часть лавинного потока - четко определенная поверхность с плотностью, отличной от плотности окружающего воздуха. Лавины из относительно плотной массы снега состоят из быстро текущих снежно-ледяных частиц, которые моделируются как несжимаемая сплошная среда средней постоянной плотности р. Частицы могут выходить за пределы основной части лавинного потока и образовывать слой с меньшей плотностью. Пылевое облако в модели игнорируется.
Как известно, подход Вельми-Зальма разделяет трение на независимое от скорости сухое (кулоновское) трение, пропорциональное давлению (коэффициент ц) и зависимое от скорости вязкое (турбулентное) трение (коэффициент Q. Разделение суммарного трения на две составляющие, одна из которых не зависит от скорости, позволяет моделировать поведение лавины, когда она движется с большой скоростью в зоне ускорения и с малой скоростью в зоне остановки.
Модель произвольной кинетической энергии (RKE). Скорость в модели определяется как осредненная по толщине средняя скорость лавины параллельная склону. В связи с тем, что непылевые лавины состоят из снежных частиц и разного рода обломков (деревьев, камней и др.), возможны колебания скорости в направлениях - параллельном и непараллельном склону. Суммарная скорость лавины может быть представлена как средние скорости (Ux,Uy,Uz) и скорости колебания (щ, иу, uz) в направлениях х, у, z соответственно
Вовлечение снега. Для более точного определения высоты лавинного потока и его объема необходимым является моделирование вовлечения снега и разнообразного обломочного материала по ходу его движения. В RAMMS применяется подход, который позволяет регулировать захват нового снега, а также время, необходимое для ускорения захваченной массы снега до скорости самой лавины. Предполагается, что во время воздействия лавины на снежный покров, он первоначально дробится. Вовлечения снега определяется безразмерным коэффициентом вовлечения к, который зависит от скорости лавины. Обычно, когда к 1, наблюдается мгновенное вовлечение снега и его уплотнение. При к 0,5, снежный покров вовлекается в тело лавины гораздо медленнее. Различные значения коэффициента к соответствуют различным механизмам вовлечения снега. При фронтальном захвате снега лавиной было выявлено, что к 0,5, а при захвате снежных масс у основания лавины к 0,5. При фронтальном захвате растет высота лавинного потока в его головной части. Предложенная в RAMMS методика может быть использована для моделирования вовлечения обломков деревьев при определении соответствующей им плотности. На данный момент блок вовлечения снега не доступен для коммерческого использования в RAMMS, так как находится в стадии разработки.
Входящие параметры. Для того чтобы начать моделирование необходимо задать три основных группы входящих параметров: (1) цифровую модель рельефа (ЦМР), (2) зону зарождения и высоту снежного покрова в ней, (3) коэффициенты трения.
Разрешение ЦМР должно быть как можно более высоким. Тем не менее, разрешение более 5 м автоматически не улучшает результатов моделирования в связи с тем, что снежный покров, как правило, сглаживает небольшие неровности рельефа. При этом заметно увеличивается расчетное время. В настоящее время 5-ти метровое разрешение ЦМР является оптимальным для выполнения расчетов.
Зоны зарождения лавин можно выделить непосредственно в программе RAMMS с использованием инструментария ГИС. Программа также позволяет анализировать исследуемую территории: строить карты углов наклона, кривизны поверхности, что во многом облегчает процедуру выделения лавинных очагов непосредственно в RAMMS. Также можно загрузить уже готовый шейпфайл, содержащий всю необходимую информацию. После выделения зон зарождения, необходимо задать толщину снега для каждой зоны зарождения.
Коэффициенты трения и (сухое трение) и (, (турбулентное или вязкое трение) зависят от свойств снега, растительного покрова на пути лавины, особенностей рельефа и др. Они могут быть заданы вручную, а также с использованием автоматизированной процедуры их расчета в среде ГИС в RAMMS. Автоматизированная процедура основана на анализе исследуемой территории, по результатам которого поверхность делится на категории в зависимости от перечисленных выше особенностей. Для каждой категории задаются свои значения коэффициентов трения в соответствии с нормативами, разработанными специально для программы RAMMS по данным наблюдений в Швейцарии. Значения коэффициентов трения зависят от периода повторяемости моделируемых лавин, который может быть задан как 300, 100, 30 и 10 лет. В результате с помощью ГИС моделируются две карты, иллюстрирующие значения ц и на исследуемую территорию, которые в дальнейшем используются при расчетах. Конечно, значения коэффициентов трения могут быть заданы постоянными для всей анализируемой территории. Это рекомендовано для проведения первоначальных расчетов [142].
Ключевые лавиносборы
Рассмотрим более подробно лавиносборы, на примере которых была выполнена работа.
В Хибинах в качестве ключевых лавиносборов были выбраны лавиносборы № 2, №13, № 14, №16, №17, №22, №43 (по нумерации ЦЛБ), представленные разными морфологическими типами. Все они расположены в окрестностях города Кировска и находятся в зоне регулярных снеголавинных наблюдений ЦЛБ ОАО «Апатит».
Лавиносбор №2 (рис.2.1) расположен на юго-западном склоне горы Айкуайвенчорр. По морфологической классификации Г.К. Тушинского [125] лавиносбор представляет собой разрушенный кар (ЛЛ-3). Растительность в нем практически отсутствует, склоны покрыты средне- и крупнообломочным материалом, лишь в нижней части склонов произрастают кустарники. В пределах лавиносбора расположен городской горнолыжный комплекс «Коласпортланд». В настоящее время для защиты отдыхающих и спортсменов от лавин применяются профилактические противолавинные мероприятия [102].
Лавиносборы №13, №14 и №16 расположены на юго-западном склоне горы Юкспор и представляют собой денудационные воронки (ЛЛ-2). Зоны зарождения лавин покрыты средне- и гис.2.1. Лавиносбор №2. Первая фотография крупнообломочным материалом, в снежной лавины с горы Айкуайвенчорр, 1932 г.
Фото: ЦЛБ зонах транзита и на конусах выноса произрастает березовое криволесье. Лавины из рассматриваемых лавиносборов угрожают железной дороге (Юкспориок - Нефелин), автомобильной дороге, соединяющей районы «23 км» и «25 км» и гаражу ОАО «Апатит». Для защиты железнодорожного пути и гаража на конусе выноса лавиносбора № 13 в 1970-1972 гг. был построен решетчатый железобетонный забор. В апреле 1975г. лавина объемом 10 тыс.м3 частично перескочила через забор и засыпала железнодорожный путь. В 1977 году было произведено террасирование конуса выноса лавиносбора № 13 тремя полками. В апреле 1978г. лавина объемом Ютыс.м3 полностью задержана на террасах и перед забором.
Лавиносбор №17 также расположен на юго-западном склоне горы Юкспор, он представляет собой эрозионный врез (ЛЛ-1). Зона зарождения покрыта средне- и крупнообломочным материалом, в зоне транзита и на конусе выноса произрастает березовое криволесье. Лавины из лавиносбора №17 угрожают железной и автомобильной дорогам.
Лавиносбор №22 расположен на северо-западном склоне горы Юкспор и представляет собой денудационную воронку (ЛЛ-2). Зона зарождения покрыта средне- и крупнообломочным материалом, в зоне транзита и на конусе выноса произрастает березовое криволесье. В 1935 году разрушительные снежные лавины из лавиносбора №22 обрушились на жилые дома в поселке Кукисвумчорр, что привело к катастрофическим последствиям. Это катастрофическое событие стало импульсом для начала систематизированных научных исследований лавин в нашей стране. Для защиты хозяйственных объектов от воздействия лавин из лавиносбора №22 были построены каменно-набросные дамбы.
Лавиносбор № 43 расположен на юго-восточном склоне горы Кукис (рис.2.2) и представляет собой денудационную воронку (ЛЛ-2).
Для всех рассмотренных лавиносборов были проанализированы паспорта с качественным описанием зарегистрированных лавин и получены следующие статистические данные (табл. №2.2). Для лавиносборов горы Юкспор также был проанализирован кадастр ЦЛБ, содержащий сведения обо всех лавинах, зарегистрированных, начиная с 1933-1936 гг. по 2000 г. Кадастр ЦЛБ содержит в себе следующие сведения: дату схода лавины (начиная с 1930-х годов); время; объем и тип лавины. Результаты анализа представлены в сводной таблице (табл. №2.3).
В Приэльбрусье в качестве ключевых лавиносборов были выбраны лавиносборы № 1 -19, расположенные на северном склоне горы Чегет от поляны Азау до поселка Терскол (рис.2.3) на участке детальных снеголавинных наблюдений Географического факультета МГУ. Рельеф верховий реки Баксан представлен характерными гляциальными формами с островершинными гребнями и пиками, крутыми стенками каров и цирков, с эрозионными врезами, по которым сходят лавины. Среди лавинных очагов наиболее характерны ледниковые кары, сложные денудационные воронки со скалистой поверхностью и наклоном более 35 [125]. Участок долины от поляны Азау до Чегетскои поляны характеризуется самой высокой степенью лавинной активности. В связи с этим он представляет особый интерес для верификации методик расчета динамических характеристик снежных лавин.
Лавиносборы № 1-19, расположенные на северном количеством скальных склоне горы Чегет от поляны Азау до поселка Терскол в Приэлъбрусье. Фото: Селиверстова ЮГ. выступов. На конусах выноса произрастает преимущественно березовое криволесье. В лавиносборах на пути лавин встречаются участки отвесных стен, которые нередко приводят к свободному падению снежных масс и образованию прыгающих лавин (ПЛ-1). Лавины из лавиносборов №1 - 3, как правило, ударяют в дно долины, а затем в моренный вал высотой более 30 м, который служит естественной противолавинной дамбой для защиты поляны Азау.
Лавиносборы №9-10 представляют собой огромные деформированные кары (ЛЛ-3) и являются наиболее крупными на рассматриваемом участке. Боковая граница между двумя лавиносборами носит условный характер, так как нередко сходят особо крупные лавины, затапливающие весь склон. Зоны зарождения лавин покрыты средне- и крупнообломочным материалом, многочисленными скальными выступами, в верховьях лежат небольшие ледники. На конусах выноса произрастает березовое криволесье, на дне долины сосновый лес. Лавины из лавиносборов № 9 - 10 могут полностью перекрывать долину реки, уничтожая лес на своем пути, воздушная волна может доходить до поселка Терскол.
Лавиносборы № 11-14 также представляют собой деформированные кары (ЛЛ-3). Боковые границы зон зарождения носят условный характер. Зоны зарождения лавиносборов покрыты средне- и крупнообломочным материалом, многочисленными скальными выступами, на конусах выноса произрастает березовое криволесье, ниже на дне долины сосновый лес.
Лавиносбор № 15 представляет собой эрозионный врез (ЛЛ-1), а лавиносборы № 16-19 -денудационные воронки (ЛЛ-2). Зоны зарождения лавин преимущественно покрыты луговой растительностью, встречаются скальные выступы. Конуса выноса лавиносборов покрыты березовым криволесьем, ниже по склону сосновым лесом.
В Приэльбрусье особо крупные лавины из каров сходили в 1932/33, 1943/44, 1954/55, 1973/74, 1975/76, 1986/87, 2001/02, 2005/06 гг. Для всех лавиносборов были проанализированы данные фактических наблюдений, опубликованные в виде отчетов и карт НИЛ снежных лавин и селей Географического факультета МГУ. К сожалению, проанализировать вообще весь накопленный материал по данному району в рамках настоящей работы не представлялось возможным по причине его колоссального объема.
Хибины
На примере Хибин будут рассмотрены методические особенности использования различных методов расчета на практике с применением ГИС технологий.
Графоаналитический метод СМ. Козика был использован для расчетов дальности выброса (пути) и скорости движения лавин во всех ключевых лавиносборах Хибин (рис.4.1). Метод является очень простым в использовании. Для проведения расчетов необходима лишь крупномасштабная топографическая карта, чтобы построить продольный профиль предполагаемого пути движения лавины. Точность вычисления скорости и дальности выброса зависит от принятого значения коэффициента трения {гт и точности построения продольного профиля. СМ. Козиком было предложено значение rmj„ 0,3 для расчета предельных характеристик возможных лавин, которому соответствует угол трения движения акр=16,7 [63]. Результаты расчетов дальности выброса для всех ключевых лавиносборов оказались завышены по отношению к фактическим значениям. Из общих представлений можно предположить, что скорости движения лавин также завышены. В связи с тем, что предельные по дальности выброса лавины удается наблюдать крайне редко, а измерения скоростей движения особо крупных лавин практически отсутствуют, мы не можем отрицать, что рассчитанные по методике СМ. Козика динамические характеристики не будут достигнуты при стечении благоприятных условий лавинообразования. В связи с этим метод может быть рекомендован для ориентировочных расчетов характеристик лавин на начальных этапах исследования.
Методика ВСН 02-73 была использована для расчетов дальности выброса, скорости движения и силы удара лавин во всех ключевых лавиносборах в Хибинах (без учета противолавинных сооружений — дамб и террас для ряда лавиносборов). Метод является относительно простым, однако его применение на практике требует достаточно много времени. В связи с тем, что в основе метода лежит одномерная модель, все расчеты проводились по продольному профилю, который наносился на карту вручную по тальвегам лавиносборов с использованием вспомогательного инструмента «Create Steepest Path» в панели «3-D Analyst» в ArcGIS, что упростило работу. Для того чтобы, по возможности, учесть форму склона всего лавиносбора, а не отдельного его продольного профиля, для каждого лавиносбора строилась серия продольных профилей. Их количество определялось сложностью и конфигурацией склона, но в среднем составляло от трех до пяти (максимум десять) для лавиносбора. Каждый продольный профиль разбивался на отдельные отрезки с постоянными углами наклона в ArcGIS вручную по карте углов наклона с использованием инструмента «Split Tool» в панели «Editor». Всем отрезкам присваивался номер в порядке возрастания от предполагаемой точки отрыва в направлении конуса выноса. Далее для каждого отрезка с использованием карты углов наклона и ЦМР рассчитывались средний угол наклона и его длина с учетом рельефа. Средний угол наклона отрезка рассчитывался автоматически с использованием дополнительно установленной панели «HawthsTools», инструмента «Line Raster Intersection Statistics». Длина отрезка с учетом рельефа рассчитывалась автоматически с использованием панели «3D Analyst», инструмента «Surface Length». Таким образом, были получены все необходимые для проведения расчетов входящие показатели (табл. 4.2).
Полученные таблицы с морфометрическими характеристиками в формате .dbf сохранялись в формате .xls для удобства вычислений. Скорость лавины на каждом последующем отрезке рассчитывалась в зависимости от конечной скорости на предыдущем отрезке, что выполнялось автоматически в выбранной программе. Рассмотренный алгоритм с использованием ГИС-технологий и программы Excel позволяет выполнять расчеты по методике ВСН 02-73 в полуавтоматическом режиме, что в значительной степени их упрощает и увеличивает производительность специалиста. В рамках настоящей работы не стояло такой задачи, но в дальнейшем может быть разработан скрипт на языке программирования Python, который позволит выполнять все расчеты по ВСН 02-73 в автоматическом режиме.
В рамках предложенного метода ускорение лавины рассчитывается в зависимости от угла наклона склона и значения коэффициента ф трения. Точность вычисления скорости и дальности выброса непылевидных лавин зависит от принятого значения коэффициента трения и точности определения морфометрических характеристик отрезков продольного профиля. Для начала нами были использованы значения, предложенные в нормативном документе ВСН 02-73 (0,25 для скальных, снежноледяных и травяных гладких поверхностей и 0,3 для всех остальных поверхностей).
В Хибинах результаты расчетов дальности выброса непылевидных лавин с использованием предложенных в ВСН 02-73 значений коэффициентов трения оказались занижены по отношению к фактическим многолетним значениям для нескольких ключевых лавиносборов (табл. 4.3.).
Как известно, в Хибинах сходят пылевидные лавины. К примеру, в лавиносборах №22 и №23 лавины (22 лавиносбор: лавина сошла 08.12.1981 г. в результате минометного обстрела; 23 лавиносбор: лавина сошла 17.01.1984 г. в результате минометного обстрела) с наибольшей зарегистрированной дальностью выброса (с 1981 г.) были пылевидными. В таком случае вполне естественно, что их дальность выброса превышена по отношению к расчетной дальности по ВСН 02-73 для непылевых лавин. Лавина с максимальный дальностью выброса за многолетний период из лавиносбора №43 сошла 17.01.1997 г. Согласно паспорту, лавина отнесена к метелевому типу, в то же время нет сведений о том, что она была пылевидной. Лавина с максимальной дальностью выброса за многолетний период из лавиносбора №2 сошла 22.05.2000 г. и, согласно паспорту, была мокрой и непылевидной. Таким образом, мы можем утверждать, что методика расчета дальности выброса, предложенная в ВСН 02-73 с рекомендованным коэффициентом трения, может занижать дальности выброса непылевидных лавин в Хибинах и не может быть рекомендована для решения практических задач в этом районе. Для расчета дальности выброса лавины из лавиносбора №2, сошедшей 22.05.2000 г. по методике ВСН 02-73 возможно использование коэффициента трения, равного 0,22.
За дальность пути пылевидной лавины по дну долины принимается длина участка основного склона, на котором возможен захват снега лавиной (без расчлененных участков) [29]. К сожалению, нам не удалось найти четкого обоснования предложенного метода. Расчет данной характеристики в рамках работы в Хибинах не представлялся возможным, так как граница расчетной дальности выброса выходила за пределы доступных карт. Ни одна из зарегистрированных лавин за многолетний период (начиная с 1960 годов) не вышла за пределы доступных карт.
Максимальная расчетная скорость непылевидной лавины по ВСН 02-73 ( =0,25) для лавиносбора №22 составила — 29 м/с. График расчетной скорости непылевидной лавины представлен на рисунке 4.2. Скорость пылевидных лавин по ВСН 02-73 зависит только от среднего угла наклона лавиноопасного склона. Максимальная расчетная скорость пылевидной лавины из лавиносбора №22 (средний угол наклона склона - 28) составила 136 м/с. Скорости 1000 лавин по данным сравнительно небольшого числа наблюдений в разных районах лежат в диапазоне от 10 до 63 м/с, однако в литературе имеются упоминания о скоростях пылевых лавин порядка 80-100 м/с [15]. К этим значениям следует относиться с осторожностью, пока не будут проведены соответствующие измерения в районах исследования. Для лавиносбора №22 в Хибинах были получены реальные значения скоростей движения крупных лавин на всем протяжении их пути, при этом максимальная измеренная скорость оказались близкой к 40 м/с. Лавины, для которых были измерены скорости в лавиносборе №22, можно отнести к пылевидным. Исходя из фактов, описанных выше, можно предположить, что расчетная скорость пылевидной лавины по ВСН 02-73 завышена.
Можно прийти к выводу, что для использования методики расчета скорости и дальности выброса непылевидных лавин, предложенной в ВСН 02-73, необходим поиск значений коэффициента трения, которые будут соответствовать условиям лавинообразования в рассматриваемом районе.
Также по ВСН 02-73 был произведен расчет давления непылевидной лавины на препятствие (силы удара), угол между направлением движения лавины и поверхностью элемента сооружения был принят равным 90. Максимальное расчетное давление непылевидной лавины на препятствие из лавиносбора №22 составило 38 т/м2, график распределения расчетных значений силы удара по ходу движения лавины представлен на рисунке 4.3.
Верификация программы RAMMS по данным многолетних наблюдений России
Благодаря собранным и обработанным данным по лавинам, которые были представлены в виде ГИС «Снежные лавины» и продемонстрированы швейцарским коллегам, в работе появилась уникальная возможность применения программы динамического моделирования лавин RAMMS (SLF, Швейцария). Подробное описание программы и моделей, лежащих в ее основе, приведено первой главе. На основании результатов моделирования лавин в двух лавиносборах Хибин бьии сделаны следующие выводы. Программа RAMMS работает в Хибинах, однако выполненные расчеты показывают, что далеко не всегда расчетные значения близки к фактическим. В рамках настоящего исследования была предпринята верификация программы по данным фактических наблюдений в Хибинах с использованием, как традиционной модели Вельми-Зальма, так и с применением новой модели произвольной кинетической энергии (RKE). Для верификации привлечен весь массив данных по лавинам, начиная с 1960-х годов. В связи с тем, что в настоящей работе была создана детальная объективно географически привязанная база данных сошедших лавин, включающая параметры и условия их схода, стало возможным моделирование предшествующих событий и дальнейшее сравнение результатов моделирования с параметрами фактических лавин более чем за 50 лет наблюдений.
Рассмотрим алгоритм моделирования в RAMMS. Для начала в программу загружаются данные о рельефе (ЦМР, в формате ascii), что позволяет представить лавиносборы, как в двухмерном, так и в трехмерном пространстве. Разрешение растрового набора данных о рельефе для всех лавиносборов соответствует рекомендованному разработчиками программы разрешению (5 м). Так как планы с границами всех лавин в ходе составления ГИС были последовательно географически привязаны и оцифрованы, не составило труда выделить и представить в векторном виде зоны зарождения фактических снежных лавин. Эти данные были экспортированы в RAMMS из ArcGIS, что позволило максимально оперативно задать необходимую информацию. В качестве сведений о толщине отрыва в зонах зарождения лавин были использованы, как правило, фактические значения для каждой конкретной лавины. Получается, что все необходимые для проведения моделирования исходные параметры заданы по фактическим данным, за исключением коэффициентов трения ц (сухое трение, безразмерный коэффициент) и С, (турбулентное или вязкое трение, м/с2). В зависимости от условий лавинообразования в Швейцарии, специально для программы RAMMS была составлена таблица [169] с рекомендованными значениями коэффициентов (ц и Q, которые зависят от целого ряда показателей, таких как: объем лавины, период повторяемости, абсолютная высота над уровнем моря, морфологии лавиносбора. К примеру, для Швейцарских Альп различные значения коэффициентов трения задаются для трех высотных уровней (ниже 1000 м над у.м.; 1000 - 1500 м над у.м.; выше 1500 м над у.м.). Это связано с тем, что в зависимости от высоты меняются свойства снега, определяющие значения ц и С,. Учитывая существенные отличия лавинообразующих факторов Хибин и Швейцарских Альп, показанные в главе №2, по мнению автора, необоснованно использовать коэффициенты трения, предложенные для Швейцарии в условиях Хибин.
В Хибинах последовательно, анализируя предложенные для Швейцарии таблицы ц и , с использованием сразу двух моделей выполняется моделирование практически всех лавин в ключевых лавиносборах (№2, №13-14, №16-17; №22 и №43, по нумерации ЦЛБ), которые вошли в состав ГИС «Снежные лавины». Уникальность настоящей работы определяется тем, что производится моделирование лавин самого разного объема от 1000 м3 и до 120 000 м3 (в Хибинах), что представляет интерес, как с точки зрения верификации программы в условиях Хибин, так и вообще оценки точности программы для моделирования лавин небольших объемов. Процесс моделирования каждой конкретной лавины для подбора оптимальных коэффициентов трения весьма длителен в связи с тем, что требуется детальный анализ условий и факторов ее образования в условиях конкретного лавиносбора и их влияния на динамику лавины. К настоящему моменту в Хибинах выполнено моделирование 28 лавин, зарегистрированных в лавиносборе №43; 5 лавин - в лавиносборе №13,5 лавин - в лавиносборе №14; 2 лавины - в лавиносборе №2; 3 лавины - в лавиносборе №22. В общей сложности получены результаты по 43 лавинам.
Рассмотрим результаты работы на примере 43 лавиносбора. В лавиносборе №43 в программе RAMMS нам удалось воссоздать дальность выброса и границы распространения большинства из зарегистрированных лавин, а также получить представления о скорости и силе их удара. К сожалению, фактических данных по измерению скоростей и силы удара для лавиносбора №43 найти не удалось. Рассмотрим полученные результаты на конкретных примерах.
Лавина № 19 (здесь и далее - нумерация по данным ЦЛБ) сошла в ноябре 2010 года, объем ее лавинных отложений по результатам измерений составил 16 тыс. м3. Горизонтальная проекция пути движения по оси лавины составила 800 м при превышении в 341 м. Средняя толщина отрыва лавины - 0,5 м. Для того, чтобы воссоздать границы лавины с использованием модели Вельми-Зальма были использованы значения коэффициентов трения р.=0,26 и =2000. Контур смоделированной лавины оказался шире, чем контур фактической лавины. При моделировании лавины учитывалось вовлечение снега по ходу ее движения. Интересно отметить, что в таком случае удалось практически безошибочно воссоздать объем зарегистрированной лавины с учетом того, что контур зоны зарождения лавины был задан автором. С пространственно представленными результатами моделирования можно ознакомиться в приложении (Приложение №7).
Лавина №146 сошла в начале апреля 1985 года. Ее объем составил 26 тыс.м . Горизонтальная проекция пути движения по оси лавины составила 875 м при превышении в 360 м. Средняя толщина отрыва лавины - 0,7 м. Для воссоздания дальности выброса лавины и ее контура в RAMMS были использованы значения коэффициентов трения ц=0,26 и = 2000. На конусе выноса лавина №146 устремилась в орографически правый лоток. Однако смоделированная лавина на конусе выноса устремилась и в левый лоток, где произошло ее растекание (Приложение №10).
Лавина №124 (рис.4.17) сошла в середине марта 1977 года. Ее объем превысил объемы всех остальных лавин из рассматриваемого лавиносбора (начиная с 1966 г.) и составил 57 тыс. м3. Длина горизонтальной проекции пути составила 820 м при превышении в 360 м. К сожалению, данные о толщине отрыва в паспорте лавины отсутствовали. Мы предположили, что толщина отрыва равна - 1,5 м. Для того, чтобы воссоздать границы лавины с использованием модели Вельми-Зальма были использованы значения коэффициентов трения и=0,3 и 5= 1350. В таком случае нам удалось воссоздать контур лавины практически полностью. С пространственно представленными результатами моделирования можно ознакомиться в приложении (Приложение №11).
Результаты расчетов скорости, высоты потока и силы удара для всех рассмотренных выше лавин с учетом принятых коэффициентов трения представлены в табл.4.17. Максимальные расчетные скорости лавин могут быть занижены по отношению к фактическим. К примеру, максимальная фактическая скорость лавины из лавиносбора №22 в Хибинах (при объеме в 30 тыс.м3) оказалась близкой к 40 м/с.
К примеру, лавина №16 имела меньший объем по сравнению с лавиной №124, однако ушла ниже по склону. Дальность ее пути в горизонтальной проекции оказалась на 130 м длиннее. Так как обе лавины сошли в пределах одного лавиносбора по одинаковой поверхности движения (снег), а зоны их зарождения практически совпадают по конуру, в данном случае можно исключить влияние рельефа. В таком случае можно предположить, что состояние снежного покрова определило дальность выброса рассматриваемых лавин. Можно заметить, что для того, чтобы воссоздать фактические дальности выброса лавин №19, №16 и №146 -были использованы значения коэффициентов трения, рекомендованные для Швейцарских Альп, но для лавиносборов, расположенных на абсолютной высоте более 1500 метров. При этом для лавин №19 и №146 - они соответствуют периоду повторяемости один раз в 10 лет, а для лавины №16 - один раз в 30 лет, что близко к действительности. На рис.4.28 показана эмпирическая кривая обеспеченности 1/г для лавиносбора №43 (с учетом только минимальных годовых значений 1/г - в таком случае мы можем говорить о периоде повторяемости, лет), стрелочками выделены эмпирические точки, которым соответствуют рассматриваемые лавины. Если в Хибинах, использовать коэффициенты, предложенные для Швейцарских Альп, только из другого высотного интервала (выше 1500 м. над у.м.), то можно получить близкие к действительности границы дальности выброса лавин. Это подтверждается результатами моделирования и в других лавиносборах.
Анализ, выполненный в главе №2, наглядно продемонстрировал, что факторы лавинообразования в Хибинах и Швейцарских Альпах имеют отличия. Однако, к примеру, средняя температура воздуха самого холодного месяца на высоте расположения лавинных очагов в рассматриваемых районах близка (около -13С). В Хибинах и Швейцарских Альпах преобладают лавины из снежных досок. Поскольку в формировании таких лавин решающую роль играют рыхлые прослойки [21,22], в лавинообразовании, как правило, участвует верхний слой (до 150-200 см) независимо от общей толщины снежного покрова. Таким образом, в Хибинах мы можем вполне обоснованно рекомендовать использование коэффициентов трения, предложенных для Швейцарских Альп из интервала значений абсолютных высот более 1500 м. над у.м.
