CC BY
56
h — . __ , 4Г ~ • ~i -*-_- ^^^^ - ~"
К ВОПРОСУ О. ПрОгНОЗИЕ ЗАТОРНЫХ ЯВЛЕНИЙ НА * * — ' РВАНИН
Д. Д. Ноговицын, В. В. Кильмянинов
Дмитрий Дмитриевич Ноговицын,
кандидат географических наук, ведущий научный сотрудник Институт а физико-технических проблем Севера СО РАН.
кандидат географических наук, заместитель начальника Якутского управления по гидрометеорологии и мониторингу Росгидромет а.
Прогноз заторных явлений представляет сложную задачу, которая еще далека от разрешения. В настоящее время прогнозируются в основном обусловленные заторами максимальные уровни воды, причем преимущественно для тех речных участков, где заторы образуются в одном и том же месте из года в год. Для предсказания таких уровней используются, как правило, эмпирические зависимости, которые устанавливаются по данным многолетних гидрометрических на-блюдений. При этом учитывается расход воды в реке у перемещающейся вниз по течению кромки ледяного покрова, являющийся характеристикой усилий, развиваемых водным потоком в зоне торошения льда, а также максимальный уровень воды в начале ледостава, характеризующий мощность скоплений шуги и льда, сохранившихся с осени.
Повышение уровня воды при заторах в русле реки происходит не только из-за стеснения водного сечения льдом и шугой, но и в результате дополнительного сопротивления движению воды за счет повышенной шероховатости и специфической формы заторных скоплений, создающих особый режим водного потока (рис. 1) .
Определить роль и значение отдельных факторов, обусловливающих заторный подъем уровня воды, затруднительно из-за отсутствия ледомерных съемок на таких участках рек.
На фото вверху - густой ледоход на р. Лене.
Характеристики заторных явлений имеют большую пространственно-временную изменчивость, поэтому данные наблюдений на гидрометеостанциях и постах не отражают в полной мере процессов заторообра-зования. Более детальную их картину дают специальные полевые исследования с применением аэрометодов.
В теоретических моделях заторов принимается, что перемещение раздробленного льда в массе подчиняется законам теории сыпучих сред. При этом устойчивость ледового скопления в русле реки рассматривается в зависимости от соотношения сжимающих сил, действующих в направлении течения реки, а также сил сцепления льда с берегами и между льдинами [1-5]. Однако существующие модели в практике расчетов и прогнозов максимальных заторных уровней воды не нашли пока широкого применения из-за их сложности. Чаще всего учитываются общие зависимости развития гидрологических процессов, происходящих на различных участках рек под действием силы тяжести, и подобие условий вскрытия рек [6-8].
В работе А.С. Руднева [9] рассмотрена возможность использования оригинальной типизации заторов для вероятностной оценки их мощности и высоты обусловленного ими подъема уровня воды. Одним из достоинств метода типизации является возможность визуального определения типа затора и прогноза его состояния в заключительной фазе разви-
Рис. 1. Зат ор льда на р. Эбеляхе (прит ок р. Анабара).
Одной из характеристик годового хода уровня рек является интенсивность его изменения. Быстрый подъем уровня воды весной обусловлен ускоренным таянием снега в бассейне, а также меридиональным направлением течения реки. Проходящая по руслу волна половодья поддерживается и усиливается талыми водами притоков, при этом наблюдается рост интенсивности подъема уровня воды вниз по течению. Однако на участках, где реки протекают в широких долинах, этот подъем происходит значительно медленнее (р. Лена ниже г Якутска). Наибольшая интенсивность подъема и спада уровня воды в весеннее половодье, зафиксированная по гидропостам «Табага» и «Кангалассы» в течение длительного периода наблюдений на р. Лене, приведена в табл. 1. Средняя продолжительность весеннего половодья составляет 75 дней. Заканчивается оно, как правило, во второй декаде июля.
тия. Это, в свою очередь, позволяет составить представление о возможности и целесообразности искусственного разрушения затора.
Е.Г. Попов отмечает, что «... механизм возникновения и самоликвидации заторов в действительности представляет собой в каждом частном случае исключительно сложную, теоретически неповторимую систему взаимодействия сил и факторов, учесть которые практически не представляется возможным» [10, стр. 46]. Действительно, на реках Якутии высота заторного максимума, фиксируемого на водомерном посту, будет зависеть от того, где именно (ниже поста) образовался затор льда в данном году. Однако предсказать это с достаточной точностью невозможно, так как зачастую даже в процессе формирования затора наблюдается его смещение относительно поста.
В настоящей статье рассматриваются факторы процесса заторообразования в среднем течении р. Лены, являющейся главной водной магистралью Восточной Сибири. Длина ее - 4400 км (до острова Столб в дельте), площадь бассейна - 2 488 тыс. км2. По характеру течения на р. Лене обычно выделяют три крупных участка: верхний - от истоков до устья р. Витима (1690 км), средний -от устья р. Витима до впадения в нее р. Алдана (1400 км), нижний - от устья р. Алдана до острова Столб (1310 км).
Район наших исследований - среднее течение р. Лены: г. Ленск - с. Табага - пос. Кангалассы. Исходными материалами для характеристики уровенного и ледового режима реки послужили данные многолетних наблюдений на гидропостах «Ленск» (2508 км от устья), «Табага» (1527 км), «Якутск» (1491 км) и «Кангалассы» (1457 км), принадлежащих Якутскому управлению по гидрометеорологии и мониторингу Росгидромета. Они ведутся с 1936 г.
Особенности водного режима р. Лены соответствуют характеру ее питания - преимущественно снегового. Половодье, вызываемое подъемом воды в результате снеготаяния, начинается в конце апреля - начале мая. Наивысшие уровни весеннего половодья на этой реке наблюдаются при ледоходе и особенно при заторах льда. Изменение высоты подъема уровня воды в период весеннего половодья в годы отмеченных по гидропостам максимальных его значений приведено на рис. 2.
Н, 1200
1000
600
600
400
200
Табага
1111
1022 1958 г
2001 Г.
Якутск
1000 917 913
800 2001 г. К 1958 г.
600
400
200
Кангалассы
Рис. 2. Колебания уровня воды в р. Лене в годы экстремальных весенних половодий.
Таблица 1
Инт енсивность подъема и спада уровня воды, см/сут
Гидропост подъем спад
год год
«Табага» 236 149
1966 1967
«Кангалассы» 312 166
1956 1961
Весенний ледовый режим на р. Лене на участках, изобилующих островами, в большой степени зависит от морфологии русла. Ледяной покров в обычно неглубоких протоках весной, при подъеме уровня воды, оказывается на плаву раньше, чем в основном русле. После нескольких подвижек льда в протоках начинается местный ледоход, прекращающийся на выходе в главное русло, если в нем сохраняется еще ледяной покров. Лед, поступая с верхних вскрывающихся участков реки в район островов, устремляется, прежде всего, в уже очистившиеся от местного льда протоки и заполняет их. Если на участке основного русла ледяной покров сохраняет достаточную прочность, то в его пределах формируется затор льда.
Таким образом, вскрытие больших рек происходит на подъеме волны половодья, формирующейся во время снеготаяния в верхней части бассейна. Продвигаясь вниз по течению, эта волна взламывает ледяной покров, и начинается ледоход, нередко сопровождающийся формированием заторов льда [11] (см. рис.1; рис. 3). Рисунки дают представление о том, какая огромная масса ледового материала скапливается при образовании затора.
Заторообразование является одной из примечательных особенностей вскрытия реки. Характер этого процесса определяется условиями формирования поло-
Рис. 3. Навал льда на берегу р. Лены у г. Ленска после катастрофического зат ора льда в 1966 г. [Фонды Якут ского управления по гидромет еорологии и монит орингу Росгидромета].
водья. Затяжная весна не обеспечивает непрерывного половодья и обусловливает относительно низкую водность реки в период ее вскрытия. Это приводит к увеличению числа заторов небольшой мощности. При дружной весне половодье формируется интенсивно, и заторов образуется мало. Однако вызываемые ими подъемы уровня воды достигают экстремальной высоты.
Заторы льда на р. Лене формируются, как правило, в одних и тех же местах. Это участки, характеризующиеся уменьшением уклонов (на сопряжении перекат - плес), резким изменением направления русла и его фарватера, расширением русла вследствие разветвления его на протоки или сужением основного русла, наличием островов, отмелей и осередков. Заторы льда охватывают большие площади и наблюдаются длительное время. Их протяженность - от нескольких до сотни и более километров, а продолжительность существования достигает 10 суток. Не все мощные заторы, образующиеся на участках реки между водомерными постами, отражаются на ходе уровня воды в пунктах наблюдений. Образование таких заторов фиксируется обычно во время авиаразведки.
На участках р. Лены, имеющих большое число островов, волна половодья взламывает ледяной покров иногда одновременно в нескольких протоках. Речной поток, распределившись по ним, ослабевает, что способствует возникновению затора повышенной мощности, перекрывающего в месте соединения проток, как правило, почти все русло. Заторы такого происхождения часто обусловливают катастрофические наводнения. На одном из подобных участков р. Лены расположен г. Якутск.
При достижении критических отметок (как максимальных, так и минимальных) происходит нарушение нормальных условий хо-зяйственного использования водных и земельных ресурсов.
При высоких уровнях воды нередко возникают наводнения - большие разливы воды, сопровождающиеся временным затоплением сельскохозяйственных угодий, промышленных предприятий, населенных пунктов и приносящие большие убытки народному хозяйству. Критерием установления критических отметок уровня воды является, как правило, затопление населенных пунктов и сельскохозяйственных угодий в прилегающем к данному пункту наблюдений районе (табл. 2).
На реках равнинной части территории Якутии, наиболее .' " ■ обжитой и освоенной, большие
наводнения связаны со значительными подъемами воды в период весеннего половодья и, в частности, с образованием при вскрытии рек заторов льда. На р. Лене большие наводнения повторяются довольно часто, причем на одних и тех же участках (рис. 4) [12].
Таблица 2
Уровни воды (см) и зат оры льда на р. Лене в период весеннего половодья
Гидропост Расстояние от устья, км Период наблюдений и его длительность, лет Высота нуля графика поста, мБС** Отметка уровня Число случаев Наивысший уровень воды за период наблюдений, см год Заторы льда Исторические и катастрофические уровни, см Уровень дата
Вода выходит на пойму Начинается затопление отдельных строений и земельных угодий Число случаев р ^
«Табага» 1527 1938-1999; 2001 гг.; 61 85,08 750/34 970/5 1111 1958 7 12 1111 24.05.1958 1022* 22.05.2001
«Якутск» 1491 1936, 1938; 1941-1992; 2001 гг.; 54 85,16 500/36 500/36 913 , 917* 1958 2001 12 24 913 24.05.1958 917* 22.05.2001
«Кангалассы» 1457 1936-1992; 2001 гг.; 57 80,50 800/17 910/5 1237*, 1337* 1964 2001 10 18 1237* 25.05.1964 1337* 22.05.2001
* — затор льда; ** — отметка нуля графика гидропоста по Балтийской системе, м.
Краткая характеристика катастрофических наводнений на р. Лене у г Якутска дана ПЕ. Чистяковым. «История наводнений на территории Якутии, вызываемых весенним половодьем, — отмечает он, — освещена очень слабо. По имеющимся архивным записям и наблюдениям, за истекшие 150 лет г Якутск во время вскрытия р. Лены подвергался сильному затоплению более 10 раз. Наводнения отмечены в 1807 и 1809 гг.; сильные наводнения были в 1830 и в 1848 гг. Особенно катастрофическим было наводнение в 1864 г., когда 25 мая к 11 часам дня горизонт воды поднялся над зимним уровнем выше 13 м. Подъем уровня воды сопровождался сильным ветром, на всей территории города остались незатопленными лишь небольшие островки, отдельные дома оказались в воде до самых крыш, заборы совсем скрылись под водой. После спада воды в городе осела огромная масса весеннего льда. В последующее время заторные наводнения были отмечены в 1894, 1902, 1904, 1907, 1913, 1917, 1924 и 1933 гг.
В 1933 г. наивысший горизонт воды был близок к 11 м и по площади затопления этот год уступает только 1864 г. При весеннем наводнении 1933 г., помимо затопления значительной части г. Якутска, ледоходом вынесло на городской берег караваны судов, была повреждена часть судов, снесены береговые сооружения и строения» [13, стр. 73—74].
Образование заторов непосредственно в пунктах наблюдений определено при анализе ледовых явлений 54-летнего ряда данных: «Табага» — 12%, «Якутск» — 24%, «Кангалассы» — 18%. Число случа-
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ' - очаг заторообразования » — гидропост
Рис. 4. Схема очагов зат орообразования на р. Лене [по 12, стр. 362].
Н, см 9001
800
700
600
500
400
162
119
107
138 143
140 112
Н, см 900
800
135
Н
700
600
500
400
А А
б
\
. А • А
-250 -200 -150 -100 -50 0
50
90
100110120130140150
Д - затор льда
. - максимальный уровень воды в половодье в отдельные годы 143 - толщина льда
Нлдст - уровень воды в начале ледостава Ьт,х - максимальная толщина льда
Еёёп. 5. Ададёёи паудё I аёпё/аёиНа! одТаГу Пай а Пё!а!аиа (Н) п д^ёйёИё ёиаа ё 6д!а(а] а!ай а ¡а+аёа ёааТпдааа (НлАст) на р. Лене у г. Якут ска.
ев превышения критической отметки уровня воды составило 12, 44 и 21, соответственно. Высокий подъем воды отмечается, как правило, при заторах льда, но в отдельные годы и в период густого ледохода.
Для различных отраслей народного хозяйства, в том числе и энергетики, представляет интерес прогноз таких элементов гидрологического режима, как условия и сроки вскрытия и замерзания рек. Из года в год наблюдается большая изменчивость отдельных фаз ледового режима и максимальных уровней воды в период весеннего половодья. Это говорит об отсутствии тесной связи между ними. Рис. 5 дает представление о количестве заторов на р. Лене у г. Якутска, зафиксированных за длительный пе-риод наблюдений (с 1936 по 2001 гг.); соответствующих им максимальных уровнях воды в половодье, в начале ледоста- ва (а), а также о максимальной толщине льда (б). По этим данным не выявляется достоверной связи вероятности образования заторов с положением уровня воды в начале ледостава (осенью) и с толщиной льда на реке в конце зимы.
Наибольшие заторные подъемы уровня воды на р. Лене отмечаются обычно у г. Ленска. При этом на протяжении 50-100 км живое сечение реки уменьшается на 60-80%. Такое состояние может сохраняться до пяти суток. Подъем уровня воды над минимальным зимним состав-
ляет здесь в среднем 10 м, достигая в отдельные годы 15-17 м. Доля повышения уровня, обусловленного собственно подпором от затора -60-70%.
Установлено, что важным фактором формирования мощного затора и катастрофического наводнения на р. Лене у г. Ленска в 1998 г. явилась температура воздуха. События развивались следующим образом:
- 14 мая р. Лена у г. Ленска начала вскрываться, средняя суточная температура понизилась до 2,4?С (13 мая она составляла 10,3?С);
- 15 мая сформировался затор льда у острова Батамайский, и начался интенсивный подъем уровня воды;
- 16 мая дневная температура воздуха повысилась до 7?С, в заторном скоплении льда отмечено движение, и уровень воды к вечеру упал на один метр;
- 17 мая средняя суточная температура воздуха понизилась до
-1,9?С, возобновился подъем уровня воды;
- 18 мая он достиг максимальной отметки - 1702 см, превысив критическую на 3,5 м. В результате этого г. Ленск был почти полностью затоплен, нарушено автомобильное и воздушное сообщение, парализовано энерго- и теплообеспечение (рис. 6).
Затор льда на Средней Лене образуется с высокой вероятностью в тот момент, когда вскрытие реки и последующее начало ледохода совпадают с резким понижени-
Рис. 6. Зат опленный г. Ленск (2001 г.).
а
см
Годы - № ínMüfTjLTb' »ÍCS4I aímtíu t п П6ПвЧ"И"ЛЪПЯ
Д-мпорльде вовдухН-попщротхту "Нчткк- дщ _ ^аэртАгъ дгт,.
ЫЦфМВЛЫНЛВ рщы гви wmjpe nuií
Еёп. 7. Ададёёи ñáygé íá+áéá íádágíááíéy gáó ida ñ íííéaaíéái ó áiiádáó ódú áJgaóoá на р. Лене (гидропост «Кангалассы»).
ем температуры воздуха. Поэтому прогноз формирования заторов связан с правильным предсказанием сроков подвижки льда, начала ледохода и возможности резкого понижения температуры воздуха в этот период. На рис. 7 отмечены даты перечисленных выше явлений в сопоставлении с изменением температуры воздуха в мае 1961 и 1968 гг. Отчетливо прослеживается связь заторо-образования с понижением температуры воздуха.
Высокий уровень ледостава осенью и сравнительно большая толщина речного льда в конце зимы влияют в основном на формирование весенних уровней воды, которые обычно превышают критические в условиях уже образовавшегося затора.
Учитывая вышеизложенное, к актуальным первоочередным проблемам прогнозирования заторообразо-вания на Средней Лене можно отнести следующие:
- повышение надежности данных о прохождении волны весеннего половодья;
- изучение влияния изменений температуры воздуха на состояние заторных масс льда и процесс вскрытия реки;
- получение более подробных данных по распределению толщины ледового покрова на реках.
Лит ерат ура
1. Берденников В.П. Мет оды расчет а давления зажорных и заторных масс льда на сооружения // Труды ГГИ. -1967. - Вып. 148. - С. 3-28.
2. Beltaos S. River ice jam: theory, case studies and applications // J. Hydrani. Eng. - 1983. - V. 109, № 10. -Р. 1338-1359.
3. Kennedy J.F. Ice jams mechanics // Proc. JAHR Symp. On Ice Problems, Hanover, 1975. - Р. 143-164.
4. Софер М.Г. Зависимость между пропускной способностью русла и высот ой уровня при заторах // Вестник ЛГУ. Сер. геол. и геогр. - 1967. - Вып. 1, № 6. - С. 140-148.
5. Tatinclaux J.C. River ice-jam models // Proc. JAHR Symp. On Jce Problems, Lulea, 1978. - Pail. 2. -Р. 449-459.
6. Бузин В.А. Расчет максимальных заторных уровней воды заданной вероятности превышения при недостатке и отсутствии данных наблюдений // Метеорология и гидрология. - 1992. - № 3. -С. 73-82.
7. Донченко Р.В. Ледовый режим рек СССР. Л.: Гидрометеоиздат. -1987. -248 с.
8. Жукова М.А. Зат оры льда на реках бассейна Северного Ледовитого океана и расчет наивысших зат орных уровней воды // Труды ГГИ. - 1978. -Вып. 248. - С. 129-138.
9. Руднев А.С. Заторы льда на р. Лене, возможности их прогноза и регулирования // Авт ореф.
дисс... канд. геогр. наук. -М., 1977. -22с.
10. Попов Е.Г. Зат оры льда и проблемы борьбы с ними // Метеорология и гидрология. - 1968. - № 8. -С. 45-47.
11. Кильмянинов В.В. Анализ условий формирования и долгосрочный прогноз заторных уровней на р. Лене // Метеорология и гидрология. - 1992. - № 4. -С. 82-89.
12. Ресурсы поверхностных вод СССР. Т.17. Лено-Индигирский район. - Л.: Гидрометеоиздат, 1972. -652 с.
13. Чистяков Г.Е. Водные ресурсы рек Якутии. - М.: Наука, 1964. -255 с.
Истинное знание сост оит не в знакомстве с фактами, кот орыеделают человека лишь педант ом, а в использовании факт ов, кот орыеделают его философом.
Бокль
Величайший враг науки - авт орит ет .
Бэкон
