CC BY
52ЗАТОРЫ-ЛЕДОВЫЕ МОНСТРЫ РЕКЯКУТИИ
В. В. Кильмянинов, В. М. Тазатинов, В. В. Шепелев
Кильмянинов Виктор Васильевич,
заместитель начальника Якутского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, кандидат географических наук
Тазатинов Вячеслав Михайлович, директор Федерального унитарного Государственного предприятия «Взрывстрой»
1. Определение, распространение и факторы формирования
заторов
Заторы льда - это природные образования, представляющие собой скопления крупно- и мелкобитых льдин в русле в период ледохода, стесняющие водное сечение реки и вызывающие подъем уровня воды в месте этого скопления и на некотором участке выше него. Заторы образуются в местах, где вскрытие реки задерживается из-за повышенной толщины и прочности ледяного покрова, а также вследствие заклинивания русла ледяными полями в местах стеснения его специфическими русловыми образованиями (островами, осередками, косами и т.д.). Заторные явления свойственны рекам, вскрытие которых происходит под влиянием волны половодья, формирующейся в верхней части речного бассейна.
Территориальное распространение заторов льда характеризуется повышенной заторностью рек Севера, текущих с юга. Особенно часто заторы образуются на реках Якутии. Здесь протяженность заторных участков скопления льда может достигать более 100 километров. Продолжительность существования заторов в среднем составляет 3-5 суток, а наиболее мощных до 10 суток. Подъем уровней воды над зимним уровнем достигает в среднем 5-8 метров. Наибольшие подъемы заторных уровней воды наблюдаются на р. Лене. Например, на всем ее протяжении от г. Олекминска до пос. Жиганск повышение уровня составляет 12-13 метров. Высокие подъемы подпорного уровня воды отмечаются в низовьях р. Алдана, в среднем и нижнем течении рек Амги, Яны и Колымы. Самые значительные заторные подъемы уровня воды происходят на р. Лене у г. Ленска (16-18 метров) и у с. Кюсюр (до 30 метров).
Отличительные особенности заторообразования на реках Якутии обусловлены следующими двумя главными факторами.
1) Формирование зимой толстого ледяного покрова, достигающего 150-200 сантиметров. На других крупных реках Сибири (Обь, Енисей) наибольшая толщина льда достигает лишь 100-150 сантиметров, а на реках европейской территории России -70-80 сантиметров.
2) Большие скорости течения, составляющие в среднем 1,0-1,5 метра в секунду. Интенсивное развитие паводочной волны под влиянием быстрого течения воды и дружной весны заставляет вскрываться реки Якутии со скоростью 100 и более километров в сутки, тогда как на реках других регионов России ледоход перемещается за сутки на 50-70 километров.
Таким образом, на реках республики ледотранспортирующая способность речного потока, которая характеризуется количеством и скоростью находящегося в движении льда, не имеет аналогов. Именно высокая ледотранспортирующая способность рек является основной причиной образования наиболее мощных заторов льда.
В Якутии большинство населенных пунктов расположено по берегам рек, поэтому для жителей республики заторы льда и связанные с ними наводнения не являются чем-то неведомым и экзотичным. Между тем, люди неоднозначно относятся к грозящей опасности, исходящей от заторов льда. Их поведение колеблется от полной беспечности до необоснованной паники. Это может быть связано либо с большой самоуверенностью в своих знаниях ледового режима рек, либо, напротив, с их отсутствием.
В последние три десятилетия двадцатого века мощные заторы льда и связанные с ними катастрофические наводнения на реках Якутии стали довольно редким явлением. Это вызвало снижение интереса к ним каксо стороны простых жителей, так и со стороны ученых и специалистов. Только катастрофические весенние наводнения последних лет (1998-2001 гг.) вновь заставили обратить пристальное внимание на заторы льда - эти ледовые монстры рекЯкутии.
2.Жизньзаторов
Наличие большого количества льда, движущегося с огромной скоростью, существование препятствий этому движению в виде сужений и излучин русла, островов и др., не исчерпывают набор факторов заторообразова-ния. Для того, чтобы массы льда надолго остановились у какого-либо препятствия, необходимы еще особые температурные условия.
Волна половодья, взламывая ледяной покров реки, транспорти рует большую массу льда к очагу заторообра-зования, где сохраняется ненарушенный ледяной покров. Если этот ледяной покров имеет здесь повышенную, по сравнению с вышерасположенным участком, толщину и прочность, то вскрытие реки прекращается и начинает формироваться затор льда. Процессу заторооб-разования способствует понижение температуры воздуха, которое может происходить в районе вскрытия реки. В отдельные годы температура воздуха в период ледохода понижается до отрицательных
очага затора, который, в свою очередь, вынуждает всплывать некоторую часть льда и способствует его разуплотнению. При этом возникают условия для очередной подвижки льда в заторе, в результате которой происходит еще большее уплотнение льда и увеличение его массы. В момент подвижки льда могут происходить кратковременные понижения подпорного уровня, порой значительные (от 1,0 до 3 метров), которые часто ошибочно воспринимаются как признак начала разрушения затора. Однако затем рост подпорного уровня воды в реке возобновляется с еще большей стремительностью. Как показали наблюдения, разрушение мощных заторов может происходить только с повышением температуры воздуха, причем спустя несколько суток после того, как уровень воды выше затора достигает максимума.
С разрушением затора волна прорыва с большой скоростью устремляется вниз по течению и продвигается до тех пор, пока вновь не создадутся условия для ее задержки.
3. Катастрофа у г. Ленска в 2001 году
Необходимо отметить, что в районе г.Ленска наблюдается целый комплекс морфологических, гидрологических,
н ч нии, чт рис^ ^ Относительные отклонения температуры воздуха (°С) от средних | приводит к сохране- многолетних значений за вторую декаду мая 1998 г. в бассейнах рек Якутии и нию и даже увели-местоположение участков формирования мощных заторов льда: чению прочности 1- нар.Нюяус.Орто-Наахара;2- на р. Лене у г. Ленска; 3- нар. Тяняус. Тяня; геокриологических, льда. 4- нар.Амгеус. Терють;5, 6и7- нар. Алдан соответственно у сел Учур, Усть- геологических и других
природных факторов, которые в сумме
Весьма МильиУсть-Мая.
показателен в этом отношении был
1998 год. Фронт вскрытия ледового покрова во второй декаде мая 1998 г. на реках бассейна р. Лены находился на широте 59-60 градусов. Здесь в этот период наблюдался наибольший территориальный контраст температуры воздуха с переходом от аномалий с положительным знаком за фронтом вскрытия (верховья рек) к аномалиям с противоположным знаком перед ним. Практически одновременно с понижением температуры воздуха на нескольких реках формировались очень мощные заторы льда, зона расположения которых имела отчетливый широтный характер (рис.1). Подпорные заторные уровни воды при этом значительно превысили все ранее наблюдавшиеся.
На подходе к очагу заторообразования лед постепенно заполняет всю свободную поверхность воды, после чего начинает уплотняться и тороситься, закупоривая русло. Это вызывает подъем уровня воды выше
определяют этот участок реки как наиболее затороопасный. Заторы льда здесь формируются практически ежегодно, а их мощность и протяженность достигают таких значений, которые не наблюдаются больше нигде на р. Лене. Периодически по этой причине в районе г. Ленска происходят катострафические наводнения. По опросным и архивным материалам, а с 1936 г. по данным гидрологических наблюдений, установлено, что г. Ленек затапливался в 1878,1915,1937,1966,1998 и 2001 годах (рис. 2).
В 2001 году уровень воды, в результате образования затора льда, достиг максимальной отметки 2012 см над нулем графика водомерного поста. Этот максимум превысил среднее многолетнее значение на 9,5 м, критическую отметку начала подтопления г. Ленска на 6,6 м, а наивысший за всю историю наблюдений (65 лет) уровень - на 3,1 м. Районный центр был полностью затоплен. Хозяйственным и жилым объектам, населению
Рис.2. Многолетняя изменчивость максимальных уровней воды на р.Лене у г.Ленска
Нкр - критический уровень, равный 1350 см;
норма - средний многолетний максимальный уровень воды
города нанесен огромный ущерб. Хроника текущих событий этого наводнения в социально-экономическом плане достаточно подробно и объективно была представлена в средствах массовой информации, поэтому ниже рассмотрим только его гидрометеорологические характеристики.
Зима 20002001 годов на территории Якутии была холодной. Отрицательные аномалии температуры воздуха принимали наибольшие значения именно в Ленском административном районе. Суммы отри цательн ых температур воздуха за время ледостава здесь оказались самыми большими
за весь предшествующий 65-летний период наблюдений и уступали лишь зиме 1968/69 гг.
Толщина льда на р. Лене к концу зимы составила: выше г. Ленска 75-105 см, а на участке г. Ленек - с. Нюя 150-190 см. Это больше среднего многолетнего значения на 10-30 см. и.™
Ледостав на . Средней Лене осенью 2000 года происходил почти повсеместно
1800
при высоких, ранее не наблюдавшихся, юоо уровнях воды.
Запасы воды в снежном покрове перед началом снеготаяния в бассейне Верхней Лены на территории Иркутской области составили 100-140 процентов от нормы. В сочетании с высокими (27-29°С) температурами воздуха весной 2001 г. они обусловили формирование здесь
уровней воды, близких по величине к наивысшим историческим, а местами выше них. Начало ледохода и максимальные уровни воды наблюдались 10-13 мая и 1415 мая соответственно, причем почти одновременно на участке протяженностью около 800 км. Таким образом, накануне ледохода у г. Ленска, выше по течению реки оказались в движении большие массы воды и льда.
График изменения уровня воды в период формирования затора в районе г. Ленска показан на рис.3. Он построен на основе результатов непрерывных наблюдений с частотой до 15 мин. Сначала уровенные наблюдения проводились на основном водомерном посту, а затем, по мере увеличения зоны затопления города, осуществлялись по выносным постам.
400 13.05.01 0:00
14 мая, в первой половине дня, на р. Лене у г. Ленсканаблюдались первые подвижки льда при экстремально высоких уровнях воды для начала этих явлений (точки 1 и 2 на рис. 3). Ледовой авиаразведкой было установлено образование затора льда в 15 км выше города у о. Половинного. Во второй половине дня
начался ледоход в районе города и формирование затора у о.Бата-майского (точки 3-5). К вечеру уровень превысил критическую отметку выхода воды на пойму (точка 4). Было решено проводить взрывные работы, несмотря на неблагоприятные для этого гидрометеорологические и ледовые условия.
Утром 15 мая такие работы начались и были направлены на постепенное разрушение затора у о.Батамайского, а также на недопущение образования более мощного затора льда ниже по течению. Активные воздействия к ожидаемому успеху не привели, поэтому уровень воды продолжал повышаться
(точки 5 и 6).
16 мая, с прибытием новой партии специалистов-взрывников, был применен более активный метод, способствующий быстрому разрушению головной части затора, состоящего из сплошных ледяных полей. Уровень воды резко понизился (точка 7).
В ночь с 16 на 17 мая сформировался затор льда в 70-80 км ниже г. Ленска, у с. Нюя, что вызвало резкое повышение уровня воды (точки 7 и 8). Этот затор был более мощным и не поддавался активным воздействиям из-за сохраняющегося ниже по течению сплошного ледяного покрова на протяжении 100 км (до с. Мача). Несмотря на то, что проводились взрывные работы, а затем бомбометание, уровень воды продолжал повышаться (точки 8 и 9).
17 мая, поздно вечером, на участке с. Нюя-с. Мача начался ледоход, но уровень воды у г. Ленска не понижался (точки 9-10). Это было связано с существованием "остаточного" затора у о. Батамайского, возникшего в результате забивки русла транзитным мелкобитым льдом.
18 мая обработка «остаточного» затора авиацией продолжалась и во второй половине дня здесь начался
10
6 9 Ф ш
Критическ ий уровень и
/ / э * Г 1 1 7
14.OS.01 »¡00 13.0s.01 0:ОЯ 1 «.0101 0;ОО 1 Г,01.01 0:00 10.03.01 ООН) 1 и ОЛ.!Л (код 20.08.01 0:00 Z1.05.01 0:00
Рис. 3. Изменение уровня воды на р.Лене у г.Ленска 14-19 мая 2001 г.
ледоход и понижение уровня воды (точки 10 и 11). Полностью город освободился от воды 19 мая.
Среди некоторых специалистов и ученых существует мнение о том, что повышение уровня воды в ночь с 16 на 17 мая и продолжавшееся до 18 мая связано с подходом к г. Ленску второй волны половодья с Верхней Лены. На наш ; взгляд, подобное мнение является не совсем | правильным. Гидрологические наблюдения свидетельствуют о том, что половодье на Верхней Лене весной 2001 г. было сформировано одной мощной волной, которая, например, у г. Киренска по своей высоте повторила рекорд 1915 года. Все наблюдаемые понижения уровня воды на гребне этой волны половодья происходили в районе г. Ленска под влиянием ледохода, образования заторов и перемещения в них уплотненных масс льда (рис. 4). Именно поэтому создалось впечатление о «многоволновости» половодья.
Исследования десяти самых крупных : наводнений на р. Лене у г. Ленска, вызванных * заторами льда, показали, что в восьми из них | заторы сохранялись до тех пор, пока средняя суточная температура воздуха была ниже нормы. Как только она превышала ее, то затор разрушался (см.рис.4). Исключение составляют лишь 1998 и 2001 годы, когда осуществлялись активные взрывные работы по разрушению заторов льда.
Необходимо обратить внимание на то, что взрывные работы в 1998 году в районе г. Ленска начались после прохождения пика волны половодья, поэтому были успешными. В 2001 году лед начали взрывать с первого дня ледохода, то есть на подъеме паводочной волны, когда с верховьев р. Лены продолжали поступать новые порции водных масс. В условиях постоянного увеличения скорости водного потока взрывные работы лишь способствовали увеличению плотности ледовой массы и устойчивости затора льда. Следовательно, действия по его ликвидации можно оценить как неудачные.
Таким образом, ленская катастрофа весной 2001 г. обязана фатальному стечению обстоятельств. Но прежде всего это природная катастрофа. Можно согласиться с мнением министра МЧС России Сергеем Шойгу, высказанном в интервью газете «Комсомольская правда» 11 октября 2001 года, что с такого уровня природной стихией, как ледяные заторы у г. Ленска, мы справиться пока не в силах.
4. Можно ли эффективно бороться с заторами?
N
Л2
Т 1С 13 1С 13 22 25 2В 31 1.05 4 Т 10 13 13 13 22 23
■20 & X
_ Ч
1,0Ь 4 7 13 14 1В 18 22 23 23 31 1,06 А Г 1й 15 16 1Б 22 25 28 31
ЦчН, май дни, мзй
Рис. 4. Изменение уровня воды на р.Лене у г.Киренска (1), с.Крестовское (2) и г.Ленска (3), и средней многолетней (4) и фактической (5) температуры воздуха в г.Ленске в самые многоводные годы. Стрелками указано время активных воздействий на заторы льда.
Рис. 5. Разрушение затора льда в 2001 г. на р. Колыме ниже г.Среднеколымска заглубленнымизарядами.
Бороться с заторами, безусловно, можно. Однако для эффективной борьбы с этими грозными явлениями природы необходим правильный прогноз как мест образования заторов, их мощности и динамики развития, так и максимальных подпорных уровней воды на участках заторообразования. К сожалению, методика прогноза заторных явлений на рекахЯкутии разработана пока недостаточно. Связано это как с отсутствием в
РС(Я) целевой научно-технической программы по изучению и прогнозированию заторообразования на реках Якутии, так и с ограниченностью фактических данных наблюдений за динамикой формирования заторов, ледовым режимом рек и недостаточностью гидрометеорологической информации. Дело в том, что природные факторы образования заторов льда имеют большую пространственно-временную изменчивость, поэтому сеть наблюдений, и, прежде всего гидрометеорологических, должна иметь достаточно высокую
плотность. Современная же ситуация в РС(Я) по состоянию гидрометеорологической сети близка к критической. Если, например, в 1980 г. в Якутии насчитывалось около 300 гидрометеорологических станций и постов, то в настоящее время их количество сократилось на 40%. Сегодня плотность гидрометеорологических наблюдений в республике является наименьшей для России и составляет один пункт на 27,2 тыс.км2.
Борьба с заторами проводится с помощью предупредительных и активных мероприятий. К предупредительным мерам относятся дноуглубительные, русловыправительные, ледорегулирующие, радиацион-но-химические, ледокольные, ледорезные и взрывные работы на участках возможного образования заторов. Все эти мероприятия осуществляются до начала ледохода на реках и предназначаются для предупреждения формирования мощных заторов льда вблизи населенных пунктов.
Дноуглубительные, русловыправительные и ледорегулирующие мероприятия включают работы по спрямлению и расширению русел рек на затороопасных местах, углубление мелководных перекатов, возведение ледорегулирующих сооружений. Практическое прекращение дноуглубительных и русловыправительных работ на реках Якутии в последнее десятилетие привело к постепенному обмелению перекатов, сужению главных русел рек, разрушению существующих русловыправительных сооружений. Что касается ледорегулирующих сооружений, то они пока в республике не применялись. Моделирование, проектирование и создание подобных сооружений могло бы кардинально обеспечить безопасность прохождения весенних паводков на рекахЯкутии.
Основная цель радиационно-химических, ледокольных, ледорезных и взрывных предупредительных мероприятий состоит в том, чтобы к началу ледохода ослабить прочность и нарушить целостность ледового покрова на участках возможного образования заторов льда. В последние годы, например, такие радиационно-химические мероприятия, как чернение снега и льда темными веществами, успешно применяются в борьбе с заторообразованием на р. Чульман (пос. Чульман), р. Колыме (г. Среднеколымск), на р. Лене в устье р. Олекмы и на других затороопасных участках. В республике имеются также два ледокола и четыре ледорезных баровых машины. Эффективность использования этой техники, а также взрывных предупредительных работ, зависит от правильного прогноза затороопасных участков.
Активные меры борьбы с заторообразованием (взрывные работы на льду и бомбометания) предназначаются для разрушения формирующихся заторов. Они применяются в исключительных случаях, когда предупредительные способы борьбы с заторами не дали положительного эффекта и существует реальная опасность затопления населенных пунктов и хозяйственных объектов. При этом важно, чтобы предприятия, которым поручено проводить активное воздействие на заторы, имели специальную подготовку и лицензию на производство работ по предотвращению и ликвидации заторов льда. Привлечение для этих целей предприятий, имеющих лишь общую лицензию на взрывные работы, недопустимо.
Очень часто на реках Якутии заторы формируются группами, следуя один за другим. В республике имеется опыт разрушения групповых заторов гидротехническим методом, который позволяет максимально использовать большую транспортирующую энергию реки, снизив при
этом затраты на взрывные работы. Сущность данного метода заключается в том, что искусственно разрушается лишь нижний по течению затор льда, а остальные заторы как бы саморазрушаются под воздействием резкого перепада гидростатического давления и увеличения ледотранспортирующей способности речного потока.
При разрушении заторов взрывом в республике обычно используются накладные способы в виде линейных зарядов или устанавливаемых на лед контейнеров. Опускать заряды под лед, как правило, не удается, поскольку толщина головы затора достигает значительной величины -10-12 м. При воздействии на затор накладными зарядами лишь 5-7% его мощности расходуется на разрушение льда. Увеличить КПД взрыва можно только заглубив заряд в тело затора. Такие заряды разработаны специалистами Арзамаз-16 и ФУГП «Взрывстрой». Заряд состоит из двух частей: нижней -плавильника и верхней - заряда от 100 до 500 кг тротила. Заряды устанавливаются с вертолета на голову затора, а затем с расстояния до 5 км радиосигналом включается плавильник. Заряд, расплавляя лед, уходит в глубь толщи затора до 10 метров. Затем подается второй радиосигнал, вызывающий подрыв тротилового заряда. Данные заряды не имеют аналогов в мире и являются грозным и эффективным способом борьбы с мощными заторами льда на реках.
В заключение необходимо отметить, что заторы льда вызывают не только негативные последствия. Не следует забывать и о положительной роли этих ледяных образований. Они способствуют естественному обводнению сельхозугодий и удобрению пойменных почв минеральными компонентами. Именно по этой причине затопляемые пойменные луга дают наибольший процент заготовляемого сена во многих улусах республики. В 80-х годах прошлого столетия на территории Амгинского улуса, например, проводились даже обстоятельные научно-экспериментальные работы по созданию искусственных заторов льда на р. Амге с целью повышения урожайности сельскохозяйственных земель. Следовательно, с заторами необходимо не только бороться, но и умело, правильно и эффективно регулировать места их образования, мощность и продолжительность.
О
