ЖДАНОВ ВИТАЛИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

УДК 551.311.21:627.141.1                                                         На правах рукописи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЖДАНОВ ВИТАЛИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

 

 

 

Прогноз водоледяных селей и пути их предотвращения

 

 

 

 

05.26.02 – Безопасность в чрезвычайных ситуациях

 

 

 

 

 

 

Автореферат

 

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

 

 

Республика Казахстан

Алматы, 2010


Работа выполнена в ДГП «Центр гидрометеорологического мониторинга г. Алматы» РГП «Казгидромет» Министерства охраны окружающей среды Республики Казахстан

 

Научный руководитель:                     

доктор технических наук

Р.К. Яфязова

 

 

 

 

Официальные оппоненты:               

доктор технических наук

А.К. Муканов

 

 

 

кандидат технических наук

Д.С. Ким

 

 

 

 

Ведущая организация:                       

Институт горного дела им. Д.А. Кунаева

 

Защита диссертации состоится «18» июня 2010 года в 14.30 часов на заседании диссертационного совета Д 14.61.25 при Казахском национальном техническом университете им. К.И. Сатпаева по адресу: 050013, г. Алматы, ул. К.И. Сатпаева, 22 в конференц-зале НК (1 этаж)

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского национального технического университета им. К.И. Сатпаева

 

Автореферат разослан  «17»  мая 2010 года

 

 

 

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор                                              М.Т. Жараспаев


ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В последние годы участились случаи прохождения катастрофических водоледяных потоков на горных реках Алматинской области. Природа этого явления, приводящего к значительному материальному ущербу и человеческим жертвам, до последнего времени не была известна и это явление не прогнозировалось.

Так, в 2006 г. при прохождении водоледяного селя на р. Узынкаргалы на территории поселка Фабричный погибли люди. Этим селем была нарушена работа водозабора водопровода, питающего поселки Фабричный и Каргалы, разрушено несколько гидротехнических сооружений, пешеходные мосты. Водоледяной сель 1987 г., образовавшийся на р. Киши Алматы, лишь по счастливой случайности не привел к жертвам на автодороге Алматы–Каменское плато. В различные годы водоледяные сели формировались и на реках Аксай, Каскелен (хр. Илейский Алатау), Байынкол (хр. Сарыжаз) и реках Казахстанского Алтая. Все это свидетельствует об актуальности прогнозирования этого природного явления, которое невозможно без понимания его природы и изучения условий формирования. Выявление механизма образования водоледяных селей позволит предотвращать или уменьшать ущерб, наносимый ими. Вышесказанное свидетельствует об актуальности научных исследований, результаты которых позволили разработать метод прогноза катастрофических водоледяных селей для использования его в оперативной работе Казгидромета.

Объект исследования – катастрофические водоледяные потоки на горных реках Алматинской области.

Предмет исследованияводоледяные сели, обеспечение безопасности.

Цель работы – разработать метод прогноза катастрофических водоледяных селей и дать рекомендации по предотвращению или уменьшению ущерба, наносимого этим явлением.

В соответствии с целью работы поставлены следующие задачи:

         выявить синоптические условия экстремальных похолоданий на юго-востоке Казахстана;

         выявить механизм формирования водоледяных образований, разрушение которых может приводить к формированию водоледяных селей; 

         разработать математические модели, описывающие изменение некоторых характеристик водоледяного селя по мере его движения;

         разработать метод краткосрочного прогноза катастрофических водоледяных селей;

         разработать предложения по предотвращению или уменьшению ущерб, наносимого этим природным явлением.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

         водоледяные сели – явление, отличающееся от зажоров и заторов;

         водоледяные сели формируются при резких понижениях температуры воздуха при отсутствии на горных реках существенного ледяного покрова;

         методологии прогноза и предотвращения водоледяных селей

Научная новизна работы заключается в следующем:

         описаны физико-географические условия формирования водоледяных селей;

         выявлены основные закономерности формирования и разрушения водоледяных образований, приводящих к формированию катастрофических водоледяных селей;

         разработаны математические модели водоледяного селя, позволяющие оценить его скорость движения, изменение объема по мере его движения и высоту фронта волны;

         разработан метод прогноза катастрофических водоледяных селей;

         предложены методы предотвращения или уменьшения ущерба, наносимого этим явлением.

Научная значимость работы определяется выявлением природы водоледяных селей, что позволило разработать метод прогноза катастрофических водоледяных селей и методы предотвращения или уменьшения ущерба, наносимого этим явлением.

Практическая значимость работы. Выявление природы и условий формирования водоледяных селей позволило разработать метод прогноза катастрофических водоледяных селей, угрожающих жизни и здоровью людей, наносящих ущерб хозяйственной деятельности человека. Предложенные методы предотвращения катастрофических водоледяных селей позволят значительно уменьшить ущерб, наносимый этим явлением.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях научной секции научно-технического совета РГП «Казгидромет» Министерства охраны окружающей среды Республики Казахстан, на Второй конференции молодых ученых национальных гидрометслужб государств-участников СНГ «Новые методы и технологии в гидрометеорологии» (г. Москва, 2006 г.), на Девятой международной научно-технической конференции «Новое в безопасности жизнедеятельности» (г. Алматы, 2007 г.), на Десятой международной научно-технической конференции «Новое в безопасности жизнедеятельности» (г. Алматы, 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 публикации в трудах международных конференций, 6 – в изданиях, рекомендованных Комитетом по контролю в сфере образования и науки МОН РК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованных источников из 105 наименований. Объем диссертационной работы составляет 104 страницы, включая 50 рисунков и 5 таблиц.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Во введении дана краткая оценка состоянию решаемой проблемы, обоснована актуальность работы, сформулированы цель, задачи и новизна исследования, а также научная и практическая значимость полученных результатов.

В первом разделе диссертационной работы рассматриваются природные условия формирования водоледяных селей. Активизация водоледяных селей связана с климатическими изменениями. В Казахстане за последние 110 лет температура воздуха повысилась на 1,5 °С. Потепление климата приводит к изменению ледового режима  рек. Ледовые явления многочисленны. Их разнообразие зависит от погодных и климатических условий, а также от гидравлических и морфологических особенностей рек.

Прочность и структура льда  связаны с температурным режимом в период его образования.  Интенсивность ледообразования и его характер определяются условиями теплообмена воды с атмосферой и горными породами, вмещающими русло водотока, притоком тепла с грунтовыми водами, морфометрическими характеристиками русла и особенностями течения воды в различных точках сечения потока, физико-механическими характеристиками льда, формирующего водоледяные образования и т.д. Ледовый режим рек характеризуется сменой ледовых явлений, в том числе формированием зажоров и заторов.  

Водоледяные потоки – «…один из видов селевых потоков, в селевой массе которых твердая составляющая представлена обломками льда с участием снега и обломков горных пород» (Гляциологический словарь, 1984). Водоледяные сели бывают ледникового и речного генезиса. Ледниковые сели образуются в результате срыва ледяных масс, насыщенных трещинными водами. Водоледяные сели речного генезиса «…образуются в период зимних оттепелей вследствие срыва ледяных порогов из донного льда или прорывов снежных завалов, созданных лавинами. Твердая составляющая потока формируется, помимо тел ледяных порогов и снежных завалов, за счет снежно-ледяного покрова, наледей, шуги, русловых отложений». Водоледяные образования, приводящие к формированию водоледяных селей на горных реках Илейского Алатау, возникают при среднесуточной температуре воздуха ниже -10 ºС в ходе образования льда как в поверхностном слое водного потока, так и по всей его глубине. Условия, благоприятствующие этим процессам, создаются при резком понижении температуры воздуха, когда ледяной покров на реках еще практически не начал формироваться: теплообмен воды с воздушными массами происходит на относительно больших площадях при малой глубине водного потока и интенсивном его перемешивании.

Отмостка русел горных рек, определяющая характер перемешивания, образуется водными потоками, транспортирующими большое количество наносов в конечной фазе селевых процессов. Это приводит к тому, что русло в продольном направлении приобретает ступенеобразный характер.

Если процесс образования ледяного покрова происходит в результате резкого перепада температуры воздуха от положительных значений к отрицательным, ледообразование происходит во всей массе воды. Переохлаждение водных масс сопровождается образованием шуги, движением ее вниз по течению. Формирование ледяного покрова в местах малой водопропускной способности происходит путем образования перемычек между заберегами и венками, образующимися вокруг камней, выступающих над поверхностью потока. В результате остановки, сплочения и замерзания шуги на участках с малой водопропускной способностью, водопропускная способность еще больше уменьшается. Это приводит к увеличению уровня воды с образованием заводей, на поверхности которых, из-за малых скоростей течения, образуется лед. В результате увеличения гидравлического сопротивления и глубины потока скорость течения уменьшается. Это приводит к дальнейшему увеличению уровня воды. Из-за увеличения глубины потока скорость течения и, как следствие, интенсивность перемешивания, уменьшаются. Тем самым, условия образования шуги  ухудшаются. В большинстве ситуаций происходит выход воды на поверхность льда. Путь, проходимый водой по поверхности льда до замерзания ее фронтальной части, зависит от толщины слоя воды и ее температуры, а также теплообмена между водой, льдом и атмосферой. Движение этого слоя воды сопровождается намерзанием льда на ледяной поверхности, по которой течет вода, а также образованием тонкого ледяного покрова на поверхности воды.

Остановка движения слоя воды, в результате замерзания его фронтальной зоны, приводит к дальнейшему увеличению уровня воды в реке и выходу ее на вновь образованный ледяной покров и т.д. При этом образуется «слоеный пирог», состоящий из тонких прослоев воды и льда. В результате русло и, в значительной мере, пойма реки заполняются водоледяными образованиями, объем которых, может более чем на порядок превышать объем воды  при прохождении катастрофических дождевых паводков в теплый период года (рисунок 1).

 

 

Рисунок 1 – Формирование водоледяных образований (р. Узынкаргалы).

 

Подпитка воды теплом из нижнего полупространства, а также экранирование нижележащих прослоек прослойками, расположенными выше, приводит к тому, что постепенно согревающийся «слоеный пирог» может сохраняться несколько суток, что делает все водоледяное образование крайне неустойчивым к воздействию внешних и внутренних сил. Если прочность одного из водоледяных образований окажется меньше разрушающих сил, происходит его разрушение. Образующийся при этом относительно небольшой водоледяной  вал накатывается на нижерасположенное водоледяное образование и разрушает его и т.д., при этом размеры вала лавинообразно увеличиваются. В ходе формирования и прохождения водоледяного селя ледяной покров на больших участках реки практически полностью разрушается и выносится.

Принципиальным отличием явлений, вызываемых прорывом заторов и зажоров, от водоледяных селей  является то, что основная масса воды, льда и снега, образующая прорывную волну (в результате разрушения заторов и зажоров) накапливается в их верхнем бьефе. Высота прорывной волны и ее скорость уменьшаются по мере удаления  волны от створа, в котором образовался  затор (зажор).

Ступенеобразная форма водоледяных образований на горных реках, текущих на значительных уклонах (2–5 градусов), крайне благоприятна для описанных выше механизмов увеличения расхода водоледяных селей. Надвигаясь, под действием силы инерции,  на практически горизонтальную поверхность очередной водоледяной  ступени и взламывая ее, фронтальная часть потока увеличивает на какое-то время свою глубину практически на высоту водоледяной ступени. Образующаяся при этом одиночная волна распространяется как вниз, так и вверх по течению реки. В результате такой «накачки» размеры тела селя  увеличиваются.  После прохождения водоледяного селя русло реки и (частично) пойма зачищаются от льда и снега,  послеселевой паводок практически отсутствует.

Второй раздел диссертационной работы посвящен математическому моделированию водоледяного селя. Водоледовая масса обладает упругостью, пластичностью и вязкостью. В зависимости от вещественного состава и скорости деформации массы, эти характеристики проявляются в той или иной мере. Кроме того, обсуждаемая масса, как среда с зернистой структурой, проявляет свойства сыпучего тела, обладающего сцеплением. Несмотря на то, что плотность льда и снега меньше плотности воды, при движении водоледяного селя может проявляться кулоновское трение

Одной из простейших математических моделей водоледяных селей является модель материальной точки (применительно к описанию снежных лавин эта модель была изложена в работе С.М. Козика). В основе модели лежит допущение о том, что движение водоледяного селя описывается движением центра его масс. Предполагается, что движение водоледяной массы происходит под действием силы тяжести. Сопротивление движению обусловлено действием кулоновских сил, вязкого и турбулентного трения, а также инерцией масс, вовлекаемых в движение. Следствием этого является изменение массы водоледяного селя по мере его движения. Масса, вовлекаемая в движение на единице пути, определяется геометрическими размерами водоледовых образований, соотношением в них водной и ледяной составляющих, а также массой снега, лежащего на поверхности водоледяных образований и берегах реки в зоне контакта с потоком. Модель не позволяет оценить изменение размеров и формы водоледяной волны, а также распределение скоростей в потоке.

Достоинством обсуждаемой модели является возможность выявить ряд качественных эффектов и дать приближенную оценку такой важной характеристике, как скорость движения водоледяного селя.

Уравнение движения материальной точки переменной массы (М) записывается в виде

,                                                                                (1)

где u – вектор скорости; F+  и F   – соответственно движущая и препятствующая движению силы, приложенные к материальной точке.

 

В качестве движущей силы выступает проекция силы тяжести на направление движения

,                                                       (2)

где М – масса потока, кг; g – ускорение свободного падения, м/с2; a – угол наклона русла.

 

Сила, препятствующая движению (F) , представлена силой кулоновского трения, силой инерции масс, вовлекаемых потоком в движение, проявлением  турбулентного трения

F  = f М1g соsa  + m u2 + Кu2.                                      (3)

где f – коэффициент динамического трения; М1 – масса льда, принимающая участие в образовании кулоновского трения; m – масса воды, льда и снега на единицу длины, захватываемая потоком; К – коэффициент.

 

В силу того, что лед обладает плавучестью, он может принимать участие в образовании кулоновского трения лишь в том случае, если ледовые образования в теле потока, имеющие между собой и дном непрерывный контакт, выступают над водной поверхностью потока. Это подразумевает, что выступающий объем льда более чем на 11 % больше объема ледяных образований, погруженных в воду. Величина превышения и участвует в образовании кулоновского трения. Скорее всего, кулоновское трение проявляется преимущественно в головной части водоледяного селя, где концентрация льда, не погруженного в воду, наиболее велика.

Значимая доля энергии потока затрачивается на вовлечение воды, снега и льда в селеформирование, а также преодоление инерционных сил, обусловленных не столько классической турбулентностью, сколько перемешиванием, обусловленным взаимодействием потока с руслом и торможением ледовых масс при столкновении их с наиболее крупными элементами шероховатости русла.

С учетом вышесказанного и пренебрегая вязким трением, уравнение (1) запишем в виде

.                                       (4)

Поскольку , где s – координата вдоль русла, уравнение (4) может быть переписано в виде

.                                  (5)

Нетрудно видеть, что вовлечение новых масс в поток увеличивает сопротивление движению, но в то же время растет и движущая сила. Из решения этого уравнения (Божинский и Лосев, 1987), при условии постоянства значения уклона и линейности закона захвата массы и скорости захвата массы вдоль пути движения селя, стремящейся к нулю, следует, что максимальное значение скорости, которое достигается за бесконечное время и на бесконечно длинном пути запишется в виде

,                                                         (6)

где ω – масса водоледяной смеси на единицу длины, сдвигаемая селем при движении, кг/м; ; ω→0.

 

Ступенеобразная форма водоледяных образований и ограниченная мощность водоледяных масс, вовлекающихся в процесс селеобразования, будут приводить к образованию отрицательного наклона у тыльной части головы селя. Следствием этого будет «растекание» головной части как по, так и против движения селя, в результате чего водоледяная волна будет стремиться принять в продольном сечении форму треугольника. Вследствие незначительного отклонения от горизонтальной поверхности основной части головы и большой крутизны ее фронтальной части допустимо считать, что этот треугольник прямоугольный.

При этих допущениях объем селя (W) на единицу ширины русла, после прохождения пути s, может быть найден из выражения

,                                                  (7)

где W0 – начальный объем селя, м3; h0 – «средняя» толщина водоледяных образований в русле реки, м; s – путь, пройденный селем, м; H – высота фронта волны, м; a – угол наклона русла.

 

Высота фронта волны селя

.                                                 (8)

Cкорость движения водоледяного селя при условии, что сопротивление движению оказывает только инерция вовлекаемых масс, может быть найдена из уравнения

,                                                  (9)

где s0 – путь, проходимый селем за единицу времени, м;  ω – масса водоледяной смеси на единицу длины, сдвигаемая селем при движении, кг; ; r – плотность водоледяной массы, кг/м3; u – скорость, м/с; М – масса потока, кг; g – ускорение свободного падения, м/с2.

.                                                           (10)

Поскольку для малых уклонов , то

.                                                        (11)

Скорость движения водоледяного селя, с учётом действия сил инерционной и кулоновской природы, может быть определена по формуле

,                                                  (12)

где f – коэффициент трения, принятый равным 0,5; k – доля длины метровых льдин, образующих фронтальную оболочку головы селя, не подверженных действию архимедовой силы.

 

Об относительно большой скорости движения водоледяных селей свидетельствуют и следы прохождения селя имевшего место 28 ноября 1987 г. в бассейне р. Киши Алматы. Не поместившись в подмостовом отверстии, льдины, находившиеся в поверхностном слое потока, по инерции проскользили по поверхности дороги и остановились в 10–15 м. Обломки некоторых из них, после удара о бетонный забор, перелетели через него на территорию санатория.

Приравнивая кинетическую энергию льдин работе, совершённой при их торможении, можно получить уравнение, позволяющее оценить скорость движения потока в момент подхода потока к мосту

,                                                          (13)

где s – путь, пройденный льдинами, м.

 

При f = 0,5 и s = 10–15 м скорость будет лежать в интервале 9,9–12,1 м/с.

К сожалению, инструментальные данные о скорости водоледяных селей нам не известны и, скорее всего, не существуют.

В третьем разделе дано обоснование метода прогноза катастрофических водоледяных селей, основанного на результатах анализа процессов формирования и разрушения ледяного покрова на горных реках северного склона Илейского Алатау. Такие ситуации возникают, как правило, при затоке  холодных воздушных масс из районов Скандинавии, Карского и Баренцева морей на территорию юго-восточного Казахстана.

Водоледяные сели образуются, когда разрушение вышерасположенных водоледяных образований приводит к быстрому (длящемуся буквально секунды) практически полному разрушению нижерасположенной водоледяных образований. Методы определения прочности водоледяных образований к настоящему времени не разработаны, это ограничивает возможности прогнозирования водоледяных селей. Тем не менее, имеющиеся данные об изменении температуры воздуха и скорости роста водоледяных образований позволяют достаточно уверенно оценивать, при каких значениях изменения уровня воды на пунктах наблюдения за гидрологическим режимом горных рек вероятность возникновения водоледяных селей резко возрастает. Анализ синоптических условий  резкого понижения температур воздуха, которые вызывали рост водоледяных образований, показал, что всем изучаемым случаям предшествовала аномально теплая погода. Аномалии температур воздуха составляли 1–12 °С выше нормы. В атмосфере наблюдалось преобладание западных и юго-западных потоков, способствовавших переносу теплого воздуха на территорию Алматинской области. Это способствовало разрушению или отсутствию ледяного покрова на реках. Все случаи резкого понижения связаны с  северными холодными азиатскими вторжениями (ультраполярными). Тесная связь между интенсивным началом образования льда в период похолоданий и ультраполярными вторжениями говорит о возможности среднесрочного прогнозирования образования внутриводного льда на реках.

Вероятность разрушения водоледяных образований, формирующихся за относительно небольшие интервалы времени (несколько суток) и, следовательно, образования водоледяных селей, увеличивается с  их высотой. В фазе увеличения размеров водоледяных образований их высотные отметки незначительно отличаются от высотных отметок уровня  воды в одних и тех же створах наблюдений. Это позволяет использовать данные гидрометрических наблюдений за уровнем воды для определения высоты водоледяных образований.

Формула для определения прироста уровня воды в зависимости от суммы отрицательных температур воздуха имеет вид

 

,                                                             (14)

 

где  сумма среднесуточных температур воздуха (метеостанция Алматы). Коэффициент корреляции равен 0,84 и является статистически значимым при 5 % уровне значимости.

 

На рисунке 2 нанесены данные о высоте водоледяных образований,  возникавших в периоды резких похолоданий 1984 и 2005 гг. при различных температурах воды, а также три точки (2006–2008 гг.) – высоты водоледяных образований, полученные расчетным путем с использованием уравнения (14).   

 

 

Рисунок 2 – Графическая зависимость роста уровня воды на гидропосту Алматы от суммы отрицательных среднесуточных температур воздуха

по метеостанции Алматы.

 

Метод прогноза катастрофических водоледяных селей на северном склоне Илейского Алатау состоит из двух этапов. Первый этап – прогноз похолоданий на юго-востоке Казахстана, вызванных северными холодными азиатскими (ультраполярными) вторжениями. Второй этап – расчет роста ледовых образований на горных реках до критической высоты 80 см и более.  Исходными данными для прогноза селевой опасности водоледяного генезиса являются: среднесрочный прогноз погоды; краткосрочный прогноз погоды; продольный наклон русла реки; уровень воды; средняя толщина ледовых образований; площадь ледяного покрова на водной поверхности; температура воды в реке на момент прогноза; прогнозируемая среднесуточная температура воздуха; уровень воды в реке. Блок-схема алгоритма прогноза катастрофических водоледяных селей на северном склоне Илейского Алатау представлена на рисунке 3.

 

Рисунок 3 – Блок-схема алгоритма прогноза водоледяных селей.

 

Разработанный метод прогноза водоледяного селя основан на фактических данных о высоте  водоледяного образования на реперном гидропосту (для Илейского Алатау за таковой принят гидропост Алматы) и прогнозируемой величине прироста ледяного образования по  прогнозируемой среднесуточной температуре воздуха. 

Прогностическое приращение уровня воды вычисляется по формуле

,                                                   (15)

где прирост уровня воды, tпр  прогнозируемая среднесуточная температура воздуха на метеостанции Алматы.

 

Прогнозируемая высота водоледяных образований

 

.                                                  (16)

 

Если прогнозируемая высота водоледяных образований превышает критическое значение, дается прогноз – водоледяной сель.

Оценка оправдываемости прогноза

Из-за редкой повторяемости водоледяных селей и небольшого ряда наблюдений за ними, расчет оправдываемости метода прогноза водоледяных селей представляет значительные трудности.

Согласно принятых методик прогноз катастрофических явлений, таких как сель, считается удовлетворительным, если его оправдываемость выше климатической повторяемости явления (РД № 52.27.284–91). Для расчета оправдываемости прогноза водоледяных селей были использованы данные за период 1970–2005 гг. Для проверки методики на независимом материале  был взят период 2006–2008 гг. В двух случаях сильных похолоданий вследствие ультраполярных вторжений наблюдался рост уровня воды более 80 см. В  одном случае незначительного похолодания вследствие северо-западного вторжения роста уровня воды не наблюдалось. Таким образом, оправдываемость метода прогноза аномальной ледовой обстановки на реках составила 100 %. Это очень высокий показатель.

Но, однако, не каждый случай формирования ступенеобразных водоледяных образования вызывает водоледяной сель. По статистике за период 1970–2008 гг. из 11 случаев повышения роста ледовых образований на гидропосту Алматы более 80 см формирование селей происходило в 3 случаях – это 27 %. Таким образом, при отличной 100 % оправдываемости прогноза аномальной ледовой обстановки, оправдываемость прогноза водоледового селя составила 27 %.  Поскольку климатическая повторяемость водоледяных селей близка к 8 %, прогноз может считаться удовлетворительным. Оправдываемость прогноза водоледяных селей существенно повысится, если в качестве предикторов будут использованы данные о прочности водоледяных образований, что будет предметом дальнейших исследований.

В четвертом разделе даются рекомендации по предотвращению или уменьшению ущерба, наносимого водоледяными селями. Водоледяные сели обладают значительной разрушительной силой. Материальный ущерб, наносимый ими, а также гибель людей при их прохождении, свидетельствуют об актуальности борьбы с этим стихийным явлением. Поскольку материальный ущерб, наносимый водоледяными селями, относительно небольшой, оптимальными методами борьбы с ними могут быть задержание селей в существующих селехранилищах, а также превентивное разрушение водоледяных образований на той стадии их развития, когда формирующиеся при этом водоледяные потоки не могут нанести существенный ущерб. Сохранность жизни и здоровья людей может быть обеспечена путем оповещения населения о грозящей опасности.

Задержание водоледяных селей в селехранилищах. Водоледяные сели практически полностью задерживаются в селехранилищах, предназначенных для задержания грязекаменных селей. Однако водная составляющая селя почти сразу начинает проникать в водоприемные устройства плотины и расход воды в реке увеличивается до значений, достаточных для возрождения селевого процесса в нижнем бьефе плотины. Поэтому целью модернизации плотин селехранилищ (на период формирования водоледяных селей) является обеспечение режима пропуска воды в нижний бьеф с расходом, не вызывающим катастрофическое разрушение водоледяных образований.

Реализация основных требований к водовыпускам значительно упрощается, если в зимний период времени частично заполнять селехранилища водой. Уровень воды на входе в водовыпуск плотины может не превышать 10 м.

При напоре воды h = 3,5 м над центром водопропускных отверстий, скорость ее истечения  будет близка к 8,5 м/с.

При площади сечения водопропускного отверстий, равного 0,025 м2 и напоре воды 10 м для пропуска 2 м3/с (средний расход р. Узынкаргалы в зимние месяцы) потребуется 6 отверстий. Задержание водоледяного селя 2006 г. увеличило бы расход воды в нижнем бьефе плотины всего на 4,9 %. Такое изменение расхода воды исключит образование водоледяных селей в нижнем бьефе плотины.

Предотвращение формирования водоледяных образований, разрушение которых может привести к формированию катастрофических водоледяных селей. На ранних стадиях формирования прочность водоледяных образований очень незначительна из-за малой толщины льда, поэтому они способны разрушаться даже при относительно небольшом увеличении  воздействующих сил. Появление таких сил может быть обусловлено попусками воды даже из относительно небольших водоемов, таких как, например, отстойники водопроводов, вододелителей и т.д. Поскольку расходы воды в большинстве горных рек северного склона Илейского Алатау в меженный период не превышают 3 м3/с, расход искусственного паводка, создаваемого с целью разрушения маломощных водоледяных образований, может не превышать 4–5 м3/с.  Правомерен вопрос: не приведет ли такой попуск к катастрофическому разрастанию паводка в процессе превентивного разрушения водоледяных образований? Анализ процессов, которые будут иметь место при этом, позволяет дать отрицательный ответ. Во-первых, превентивное опорожнение водоемов, образующихся в ходе роста водоледяных образований, должно проводиться, когда высота их значительно (в 2–3 раза) меньше высоты водоледяных образований, при которых может происходить их естественное разрушение

Во-вторых, в начальной фазе роста водоледяных образований формирующиеся заводи не обладают ледяным покровом. В отсутствии ледяного покрова паводочная волна, образующаяся при попуске воды, вытесняет воду, находящуюся в заводи. При этом расход вытесняемой воды будет близок к расходу искусственного паводка.

Создание сквозных задерживающих сооружений. В ситуациях, когда по каким либо причинам (экономическим, техническим и т.д.) превентивное разрушение водоледяных образований нецелесообразно, предотвращение лавинообразного нарастания массы потока может быть достигнуто строительством относительно небольших сквозных селезадерживающих сооружений. Наличие таких сооружений перед мостами представляется обязательным при отсутствии наблюдений за режимом горных рек и проведения превентивных мероприятий.

Ужесточение строительных норм для гидротехнических сооружений на горных реках. Во избежание катастроф в нормативные документы по проектированию гидротехнических сооружений и мостов на горных реках, на которых формируются водоледяные сели, должны быть внесены необходимые требования.

Предупреждение об опасности прохождения водоледяных селей. Разработанный метод прогноза водоледяных селей позволяет заблаговременно прогнозировать экстремальные ледовые обстановки на реках северного склона Илейского Алатау.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является квалификационной научной работой, которая содержит новые научно обоснованные результаты, использование которых позволит сохранить здоровье и жизнь людей, значительно уменьшить ущерб, наносимый природным стихийным явлением. 

В результате проведенных исследований установлено, что водоледяной сель является природным явлением, отличным от шугохода и ледохода, негативные последствия которых проявляются в основном в руслах и поймах равнинных рек в результате прорыва заторов и зажоров.

Принципиальным отличием явлений, вызываемых прорывом заторов и зажоров, от водоледяных селей  является то, что основная масса воды, льда и снега, образующая прорывную волну (в результате разрушения заторов и зажоров) накапливалась в верхнем бьефе заторов и зажоров; высота прорывной волны и ее скорость уменьшаются по мере удаления  волны от створа, в котором образовался  затор (зажор).

При формировании водоледяных селей основную массу потока составляют лед, снег и вода, находившиеся в русле и пойме реки ниже (по течению) створа, в котором, в результате человеческого или природных факторов, произошло разрушение водоледяных образований. Расход и объем водоледяного селя лавинообразно увеличиваются в ходе его движения до тех пор, пока в результате уменьшения уклона русла не создадутся условия, при которых отложение (остановка) массы потока не станет превалировать над вовлечением водоснежноледяных масс в селевой процесс.

Установлено, что главная роль в образовании водоледяных селей принадлежит водоледяным образованиям, выполняющим функции аккумуляторов водоледяных масс, разрушение которых не требует больших энергетических затрат и позволяет эффективно трансформировать потенциальную энергию водоледяных масс в кинетическую энергию потока.

Выявление природы описанных выше явлений  позволило разработать метод прогноза  катастрофических водоледяных селей, а также научно обоснованные методы борьбы с ними.

В осенне-зимние периоды 2008–2009 и 2009–2010 годов  в  Департаменте исследований климата и водных проблем РГП «Казгидромет»  проводилось испытание метода прогноза катастрофических водоледяных селей, результаты которой свидетельствуют о правильности теоретических выводов и результатов экспериментальных наблюдений, изложенных в диссертационной работе и лежащих в основе разработанного метода прогноза.

Понимание процессов, приводящих к формированию водоледяных селей, позволило разработать рекомендации по совершенствованию существующих селезащитных сооружений, позволяющие не только аккумулировать водоледяные массы селей, зародившихся и развивавшихся в верхнем бьефе селехранилищ, предназначенных для задержания грязекаменных селей, но предотвращать  возрождение водоледяных селей в нижнем бьефе плотин.

В диссертационной работе предложен метод предотвращения катастрофических водоледяных селей путем превентивного разрушения водоледовых образований на горных реках на этапах их зарождения или начального развития.

Методы активного воздействия на факторы, определяющие степень катастрофичности селей, модернизация существующих селезащитных сооружений,  надежное и своевременное прогнозирование катастрофических водоледяных селей,  информирование о них населения и директивных органов позволят свести к минимуму ущерб, наносимый этим грозным явлением.

Оценка полноты решения поставленных задач. Цель работы достигнута, поставленные задачи  решены, результаты исследования доведены до внедрения.

Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Результаты исследований, выполненных в рамках диссертационной работы, легли в основу метода прогноза катастрофических водоледяных селей, испытание которого проводится в Департаменте исследования климата и водных проблем РГП «Казгидромет». Рекомендации по задержанию водоледяных селей в существующих селехранилищах и активному воздействию на факторы селеформирования позволяют оптимизировать эксплуатацию селезащитных сооружений и предотвратить водоледяные сели. Результаты математического моделирования водоледяных селей могут использоваться подразделениями МЧС РК при планировании мероприятий по уменьшению ущерба, наносимого этим явлением, а также проектными организациями при проектировании гидротехнических сооружений на реках, где образуются водоледяные сели.

Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Прогнозирование, предупреждение населения и предотвращение катастрофических водоледяных селей позволит избежать гибели людей, предотвратить аварии в сетях водоснабжения населенных пунктов, уменьшить ущерб, наносимый гидротехническим сооружениям.

Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Выявлен неизвестный ранее механизм формирования катастрофических водоледяных селей. Показано, что изучаемое явление коренным образом отличается от зажоров и заторов. Впервые разработан метод прогноза катастрофических водоледяных селей. Понимание природы этого явления позволило предложить методы предотвращения или уменьшения ущерба, наносимого водоледяными селями.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1        Жданов В.В. К оценке роли изменения температуры воздуха в формировании водоледовых селей // Гидрометеорология и экология. – 2006. – №2. – C. 73–78.

2        Жданов В.В. Гидрометеорологические условия зимнего периода на северном склоне Заилийского Алатау // Гидрометеорология и экология. – 2006. – №4. – C. 102–107.

3        Жданов В.В. Водоледовые сели: Природа, прогноз, адаптация / Тезисы докладов Второй конференции молодых ученых национальных гидрометслужб государств-участников СНГ «Новые методы и технологии в гидрометеорологии». – 2–3 октября 2006 г., Москва, Россия. – С. 85–86.

4        Яфязова Р., Жданов В. О путях предупреждения водоледовых катастроф // Поиск. Серия естественных и технических наук. – Алматы, 2007. – №2. – С. 225–227.

5        Жданов В.В. Зависимость роста ледовых образований от погодных условий на реках северного склона Илейского Алатау // Гидрометеорология и экология. – 2007. – №3. – C. 79–84.

6        Жданов В.В. Прогноз катастрофических водоледовых потоков на реках Алматинской области / Труды Девятой международной научно-технической конференции «Новое в безопасности жизнедеятельности» (охрана труда, экология, валеология, защита человека в ЧС, токсикология, экономические, правовые и психологические аспекты БЖД, логистика). – Алматы, 2007. – Т.I. – С. 410–415.

7        Жданов В.В. Водоледовый сель на реке Баянкол в декабре 2007 г. // Гидрометеорология и экология. – 2008. – №2–3. – C. 156–159.

8        Жданов В.В. О возможности прогноза катастрофических водоледовых потоков на реках северного склона хребта Иле Алатау / Труды Десятой международной научно-технической конференции «Новое в безопасности жизнедеятельности» (охрана труда, экология, защита человека в ЧС, экономические, правовые аспекты БЖД, логистика). – Алматы, 2008. – С. 100–102.

9        Степанов Б.С., Яфязова Р.К., Жданов В.В. Водоледяные сели. К механизму формирования водоледяных конструкций // Гидрометеорология и экология. – 2009. – №3. – С. 143–152.


ТҮЙІН

 

Жданов Виталий Владимирович

 

МҰЗ АРАЛАС СЕЛДІ БОЛЖАУ ЖӘНЕ ОНЫ ЕСКЕРІУ ЖОЛДАРЫ

 

05.26.02 – Төтенше жағдайлардағы қауіпсіздік

 

Соңғы жылдары Алматы облысының таулы өзендерінде мұз аралас су тасқындар апаты жиі болуда. Айтарлықтай материалдық шығын және адам өміріне қауіп туғызатын табиғаттың бұл құбылысы осы уақытқа дейін белгісіз болып келді және апаттар туралы болжау болған емес.

Зерттеу объектісі – Алматы облысының таулы өзендеріндегі мұз аралас су тасқындар апаты.

Зерттеу предметі – мұз аралас селдер, қауіпсіздікті қамтамасыз ету.

Зерттеу бағыты – мұз аралас селдердіе болжау әдісін жасау және осы құбылыстың салдарынан болатын зардаптарды азайтуға немесе алдын алуға ұсыныстар беру.

Жұмыстың мақсатына сәйкес мынадай міндеттер қойылды:

-         Қазақстанның оңтүстік-шығысында экстремалды суық болуының синоптикалық жағдайын білу;

-         мұз аралас судың пайда болуында кездесетін қалыптасу механизмін анықтау;

-         мұз аралас селдің шамамен ағысына қарай сипаттамалардың өзгеруін көрсететін математикалық  үлгілерді дайындау;

-         мұз аралас сел апатының болуын қысқа мерзімде болжау әдісін жасау;

-         табиғаттың осы құбылысы салдарынан болатын зардаптарды азайту немесе алддын алу әдістемесін дайындау.

 

Бұл диссертациалық жұмыста мұз аралас селдердің пайда болуы физика-географикалық жағдайда сипаталды. Мұз аралас сел апатының болуына әкелетін негізгі қалыптасу заңдылықтары және пайда болған мұз аралас судың бұзылуы анықталды. Мұз аралас селдің ағыс жылдамдығын, ағысынан көлемінің өзгеруін және толқын шебінің жоғарлауын анықтайтын математикалық үлгілер, сонымен қатар мұз аралас сел апатын болжау әдісі жасалып, осы құбылыстың салдарынан болатын зардаптарды азайту немесе алдын алу әдістемесі ұсынылды.

Табиғат құбылысы мен мұз аралас селдің пайда болуының жағдайларын зерттеу адам өміріне және денсаулығына қауіп төндіретін, шаруашылық жұмыстарына шығын келтіретін мұз аралас сел апатын болжау әдісін жасауға жағдай туғызды. Ұсынылған мұз аралас селді алдын алу әдістемесі осы құбылыстың салдарынан болатын айтарлықтай шығындарды азайтуға мүмкіндік береді.

Негізгі тұжырымдар және зерттеу нәтижелері Қазгидромет РМК Ғылыми-техникалық кеңесінің ғылыми секциялық жиналыстарында және 3 ғылыми конференцияда талқыланып баяндалды.

Жұмыстың нәтижелері мұз аралас селді болжау әдістемесі негізінде жасалды. Қолданыстағы сел қоймаларында мұз аралас селді тоқтату бойынша ұсыныстар және селдің пайда болуы ықпалына белсенді әсер ету селден қорғау құрылыстарын қолайлы пайдалануға және мұз аралас селді алдын алуға көмек болады. Мұз аралас селдің математикалық үлгілерінің нәтижелерін ҚР ТЖМ бөлімшелері осы құбылыс салдарынан болатын зардаптарды азайтуға шаралар жоспарлау мақсатында, сондай-ақ жоба жасайтын ұйымдар гидротехникалық құрылыстар мен мұз аралас сел болатын өзендерге көпір салудағы жобаларда қолдана алады.

Қолдану саласы: Адам өміріне қауіп төндіруін алдын алу және осы құбылыс салдарынан болатын зардаптарды азайту мақсатында мұз аралас селдің болуы туралы халықты және мемлекеттік басқару органдарын хабардар ету; мұз аралас селдің болуын алдын алу немес құбылыстың салдарынан болатын шығынды азайту.


SUMMARY

 


Zhdanov Vitaly Vladimirovich

 

FORECAST OF ICE-WATER FLOWS AND WAYS OF THEIR PREVENTION

 

05.26.02 – Safety in extreme situations

 

For the last years the disastrous ice-water flows became more frequent on the mountain rivers of Almaty area. The nature of this phenomenon, leading to loss of life and significant material damage, was not known until recently and it was not forecasted.

Object of research are disastrous ice-water flows on the mountain rivers of Almaty area.

Subject of research is ice-water flows, protection.

Purpose of research is development of a method for the disastrous ice-water flows forecast and proposals for prevention or reduction of damage caused this phenomenon.

According the purpose of research the following problems are stated:

-         To reveal meteorological conditions of extreme cold snaps on the southeast Kazakhstan;

-         To reveal mechanism of formation of ice-water formation;

-         To develop mathematical models describing change of some features of ice-water flow in process of its movement;

-         To develop a method for the disastrous ice-water flows forecast;

-         To develop proposals for prevention or reduction of damage caused this phenomenon.

In this work the physico-geographical conditions of ice-water flows formation was described. Main regularities of formation and destruction of ice-water formation leading to formation of disastrous ice-water flows were revealed. Mathematical models of ice-water flow, allowing to value its velocity, volume change in process of its movement and height of wave front were developed. Method for the disastrous ice-water flows forecast was developed. Recommendations for prevention or reduction of damage caused this phenomenon are proposed.

Revealing nature and conditions of ice-water flows formation allowed to develop a method for the disastrous ice-water flows forecast, impending life and health of people, causing damage of economic activity. Proposals for prevention of disastrous ice-water flows will allow reducing damage, caused this phenomenon.

The Main positions and results of researches were reported and discussed at the sessions of scientific section of Scientific-Technical Council of “Kazhydromet” and at 3 Conferences.

Results of researches were used for development of a method for disastrous ice-water flows forecast. Proposals for detention of ice-water flows by existing storage reservoir and active influence on factors of formation of  ice-water flows allows optimize exploitation of  debris-flow-defensive constructions and prevent disastrous ice-water flows. Results of mathematical modeling ice-water flow can be used by subdivisions of Ministry of extreme situations during planning measures for reduction of damage caused by this phenomena, as well as planning organizations for designing hydraulic structures and bridges on the rivers where ice-water flows are formed.

Field of application: information population and organs of government on possibility of disastrous ice-water flows formation for prevention of loss of life and reduction of damage caused by this phenomena; prevention of disastrous ice-water flows formation or reduction of damage caused by them.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Подписано в печать 30.04.2010 г.

Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Объем 1,13 п.л. Тираж 100 экз.

Заказ № 75 Цена договорная.

 

Отпечатано в типографии ИП Волкова Е.В.

050000, г. Алматы, пр. Райымбека, 212

тел. 330-03-12, 330-03-13


 


Вы 6-й посетитель.
Powered by Drupal
Copyright © KazNRTU, 2007-2016