CC BY
40
УДК 551.5
ОЦЕНКА РИСКА ЗАТОПЛЕНИЯ ПРИБРЕЖНЫХ ТЕРРИТОРИЙ ОЗЕРА ХАНКА С ЦЕЛЬЮ ВЫРАБОТКИ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ ТРАНСГРАНИЧНЫХ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ
М.В. Волгов
доктор технических наук
заведующий лабораторией моделирования
поверхностных вод
Институт водных проблем РАН
Адрес: 119333, г. Москва, ул. Губкина, д.З,
E-mail: bolgovmvQmail.ru
Е.В. Арефьева
доктор технических наук главный научный сотрудник научно-исследовательского центра управления рисками
ФГВУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) МЧС России Адрес: 121352, г. Москва, ул. Давыдковская, 7 E-mail: elarefQmail.ru
Аннотация. В статье рассматриваются особенности гидрологического режима трансграничного озера Ханка, параметры вероятностных моделей основных гидрологических процессов, характер водопользования в бассейне озера и на соседних территориях, а также оценивается возможный эффект от реализации мероприятий по управлению уровенным режимом озера. Обосновываются мероприятия по снижению угрозы затопления прибрежных территорий на оз. Ханка, в том числе по сокращению объема перебрасываемых паводочных вод в бассейн озера, а также к увеличению пропускной способности р. Сунгача, вытекающей из озера. Ключевые слова: наводнение, гидрологический режим, вероятностное моделирование,трансграничная чрезвычайная ситуация, озеро Ханка, предупреждение ЧС. Цитирование: Волгов М.В., Арефьева Е.В. Оценка риска затопления прибрежных территорий озера Ханка с целью выработки мероприятий по предупреждению трансграничных чрезвычайных ситуаций // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2019. № 1 (40). С. 57-65.
Бессточные и малопроточные внутренние водоемы, режим многолетних колебаний уровня которых характеризуется слабо предсказуемой динамикой, являются источником повышенного риска хозяйственной деятельности на побережьях. Примером такого рода водоема является трансграничное российско-китайское озеро Ханка, расположенное на Дальнем Востоке Российской Федерации. Для озера в последние годы характерно аномально высокое положение уровня воды, что, в свою очередь, привело к значительным ущербам для объектов на прибрежной территории. На приханкайской территории расположены поселки Приморского края - Турий Рог, Платоно-Александровское, Новока-чалинск и Камень-Рыболов. Кроме того, на этой территории организован международный российско-китайский Ханкайский заповедник. Аномальные отклонения колебаний уровня воды в озере определяют риски освоения при-
брежных территорий и неспособность своевременно отреагировать на возможные затопления территории.
Под риском затопления прибрежных территорий будем понимать вероятность превышения критических уровней воды в водоеме с различной степенью обеспеченности. Для оценки риска затопления территории необходимо оценить составляющие водного баланса водоема: осадки, испарение, расход воды. Прогнозные решения превышения критических значений уровня воды в озере основываются на решении стохастического дифференциального уравнения водного баланса водоема.
Необходимо оценить вероятности прогнозного превышения критических значений уровней воды в трансграничном озере Ханка, на основе которых предлагаются мероприятия по защите прибрежных территорий от затопления.
Д.ля получения вероятноетших) прогноза необходимо выполнить динамико-етохаети чсскос моделирование колебаний уровня озера на основе уравнения воджнх) баланса и вероятностных моделей колебаний мх) составляющих притока, осадков и испарения в условиях неопределенности сведений, получаемых с сопредельной территории Китайской народной республики (далее КНР).
Подробное рассмотрение моделей и методов решения поставленной задачи приведено в работах [2, 5].
В статье в кратком виде приведены результаты применения методов динамико-стохасти ческохх) моделирования колебаний
Высокие стояния уровня воды в озере наблюдались рмулярно на протяжении более 100 лет (рисунок 1), но последний подъем уровня воды был наибольшим за весь инструментальный период. Характеристики составляющих водного баланса озера (приток,
уровня озера в целях выработки вариантов превентивных мероприятий для снижения уровня воды в озере Ханка.
Водосбор трансграничного озера Ханка расположен на территории Приморских) края Российской Федерации и китайской провинции Хейлунцзян. Из озера вытекает трансграничная река Сунгача, которая является притоком трансграничной же реки Уссури. Сочетание естественных факторов, обусловленных вариациями климата, а также антропогенное влияние в виде объема забираемых и дополнительно сбрасываемых вод, приводят к возникновению условий, способствующих аномальному росту уровня воды озера (рисунок 1).
осадки и испарение) приведены в таблице 1. Можно отметить высокий коэффициент автокорреляции годовых последовательностей уровня воды, что в целом свойственно замкнутым и слабо-проточным водоемам.
Рисунок 1 Мно1Х).летние колебания годовых уровней воды в оз. Ханка по данным
Росгидромета [7]
Таблица 1 Оценки статистических характеристик компонент водного баланса оз. Ханка,
принятые для стохастического моделирования
Ряд наблюдений Параметры распределения
Среднее Су с, С з/Су К1)
Приток 1,85 км3 0,48 1,14 2,5 0,1
Осадки 632 мм 0,17 0,51 3,0 0,1
Испарение 666 мм 0,09 0,09 1,0 0,3
Уровень воды (весь ряд) 293 см (68,54 м)* 0,17 -0,37 -2,2 0,86
* - в Балтийской системе высот 1977 г.
Количественная оценка притока воды в озеро получена в работе [7] на основе данных о стоке впадающих в озеро рек на российской части бассейна. Было отмечено, что колебания речншх) стока носят стационарный характер и имеют малый коэффициент автокорреляции [7]. Дождевые осадки являются важной составляющей баланса озера, поскольку площадь водной поверхности велика (около 4000 км2). Определение осадков на водную поверхность выполнено по данным наблюдений на метеорологических станциях, расположенных по периметру озера на территории Ро-сийской Федерации. Последовательность годовых сумм осадков, также как и величин стока, характеризуется малым коэффициентом
автокорреляции [7]. Испарение с водной поверхности оценивается с погрешностью, так как данная величина непосредственно на озере не измеряется. Результаты наблюдений за испарением позволяют говорить о наличии понижающих) тренда (рисунок 2). Весьма приближенно определяемой характеристикой баланса озера является годовой сток реки Сунга-ча, вытекающей из озера Ханка. Наблюдения за стоком реки крайне нерегулярны и ограничены эпизодическими измерениями расходов. Известно, что кроме уровня воды в озере, сток р. Сунгача определяется также отметкой бара в истоке, т.е. пропускной способностью данно-IX) участка русла [4].
Рисунок 2 Испарение с водной поверхности озера Ханка [7]
Анализ факторов колебания уровня воды в озере в целом не выявляет существенных нарушений стационарности естественных составляющих баланса. Отсюда следует необходимость оценки антропогенного влияния на режим озера Ханка. В этой связи анализ системы водопользования на китайской территории является важным моментом.
Созданная на территории КНР система использования водных ресурсов на озерах Ханка, Малая Ханка и р. Мулинхэ предназначена для борьбы с наводнениями и для обеспечения водой рисовых оросительных систем. Озеро Малая Ханка используется как водоем-накопитель, оно отделено от оз. Ханка перешейком, на котором расположены гидротехнические сооружения, регулирующие водообмен между озерами (водосбросы и насосные станции). Вододеление осуществляется с помощью регулирующего сооружения на р. Мулинхэ и канала Мусин, по которому вода этой реки направляется в сторону оз. Ханка. Наличие водосбросных сооружений свидетельствует о том, что китайской стороной они предназначены для сброса именно паводковых вод реки Мулинхэ, так как собственный водосбор оз. Малая Ханка очень мал.
Для учета влияния последствий эксплуатации мелиоративных систем на аномальные колебания уровня озера Ханка, а также для выработки мероприятий для снижения риска затопления прибрежных территорий, выполнены имитационные расчеты с моделью водохозяйственной системы озера.
Методология решения задачи оценки вероятностных характеристик уровня озера
Механизм колебания уровня озера заключается в следующем: объем воды в озере в естественных условиях накапливается за счет притока поверхностных и подземных вод, осадков на водную поверхность и расходуется за счет испарения и стока вытекающих рек. Для оценки вероятностей достижения критических уровней воды в озере (разной степени обеспеченности) и для планирования технических мероприятий в целях управления его уровенным режимом, необходимо рассчитать вероятностные характеристики уровня на долгосрочный период. Для воспроизведения искусственных продолжительных
последовательностей числовых значении притока и испарения с озера применяется метод моделирования с использованием трехпара-метрического гамма-распределения Крицкого-Менкеля, которое хорошо описывает распределение случайных величин компонент водного баланса озера Ханка [1,3].
Для генерации искусственных рядов стока, испарения и осадков рассматривается условное распределение, которое в интегральном виде имеет вид [2]:
Р(у/х) =
I <х
Р2(у)[1 + £ ЯкРк(х)РкШу,
(1)
к= 1
где р2 (у) - одномерное распределение, Рк(х),Рк(у) - ортонормированные полиномы, К - коэффициент корреляции между случайными величинами X и У.
Для нахождения случайного значения у при заданном х (предыдущее значение процесса) ищется верхний предел у интеграла в правой части уравнения (1) так, чтобы интеграл был равен случайно сгенерированному числу, т.е. функции Р(у/х). Полученное значение у подставляется вместо х и вся процедура повторяется для моделирования последовательности необходимой длины [2]. Далее по уравнению водного баланса озера рассчитываются реализации выходного процесса - уровни озера Ханка и связанный с ним сток р. Сунга-ча [2]. Требованием к стохастической модели является условие воспроизведения статистических характеристик выборочной (наблюденной) реализации случайного процесса - среднего коэффициента вариации коэффициент автокорреляции г(1). Выборочные оценки параметров распределения компонент водного баланса и уровней оз. Ханка приведены в таблице 1. Матрица коэффициентов парной корреляции годовых значений компонент водного баланса озера Ханка, используемых в дальнейшем при стохастическом моделировании искусственных рядов стока, осадков и испарения приведена в таблице 2. Из анализа корреляционной матрицы компонент водного баланса следует (таблица 2), что если корреляцией между осадками и испарением и притоком и испарением еще можно пренебречь,
о
то корреляцией между осадками и притоком нельзя [7].
Задача моделирования многомерных последовательностей случайных величин (стока, осадков и испарения) может быть решена разными методами. В данном случае был применен метод, основанный на разложении полей гидрометеорологических характеристик по совокупностям естественных ортогональных функций (ЕОФ), позволяющий
моделировать нормально распределенные искусственные последовательности, удовлетворяющие корреляционной матрице наблюденных гидрометеорологических процессов [1, 3]. По методу, изложенному в работе [1], выбрав стохастическую модель процесса, получаем возможность генерировать искусственные реализации последовательностей необходимой длины [3].
Таблица 2 - Корреляционная матрица годовых значений компонент водного баланса
оз. Ханка
Приток Осадки Испарение
Приток 1,0 0,8 -0,3
Осадки 0,8 1,0 -0,2
Испарение -0,3 -0,2 1,0
Для оценки эффективности мероприятий по регулированию уровенного режима озера Ханка разработана гидродинамическая модель движения воды в русле р. Сунгача, позволяющая рассчитывать зависимости стока воды из озера, необходимые для выполнения расчетов многолетних колебаний уровня воды в озере. Реализация в имитационном моделировании процесса наполнения воды в озере и связанного с ним расхода воды из озера в р. Сунгача получаются с помощью решения уравнения водного баланса озера в конечно-разностной форме с использованием зависимости площади водной поверхности от уровня воды в озере и зависимости расхода (стока) воды от уровня воды в озере.
Для выяснения особенностей формирования экстремальных уровней воды в озере и выполнения оценки последствий антропогенного воздействия на уровенный режим озера, для нескольких вариантов водопользования, включающих различные условия оттока воды из озера и сценарии использования стока р. Мулинхэ, выполнены расчеты водного баланса.
Основное дифференциальное уравнение, используемое в задаче описания потоков в системе, получено из уравнения одномерного нестационарного потока для открытых каналов, известного, как уравнение Сен-Венана или уравнение мелкой воды. Для решения
уравнений Сен-Венана задавались следующие граничные условия: граничное условие сверху - уровень воды в озере Ханка, которое моделируется емкостью, сосредоточенной в одной точке; граничное условие снизу - уровень воды в Уссури, являющейся водоприемником для р. Сунгача, назначаемый переменным в соответствии с наблюденным.
Для расчета гидравлического режима поверхностных водных объектов использован программный комплекс Я\\"ММ [8], который реализует алгоритм решения уравнения Сен-Венана для системы открытых и закрытых (напорных и безнапорных) водоводов и водотоков. Уравнение неразрывности для неустановившегося потока с отсутствием внутренних источников поперечного сечения и стоком, как зависимыми переменными, имеет вид:
дА + дЯ =0
д1 дх '
(2)
где А - площадь поперечного сечения; (5 - расход воды в водоводе; х - координаты по длине водовода;
I .......... время.
Используя расход С,) и гидравлический напор (падение плюс глубина воды) Н, уравнение движения запишется в виде:
Щ)+дАш + =0, (3)
ОХ ОХ ОХ
где д - гравитационная константа;
Н = 2 + Н гидравлический напор;
2 - падение; Н
Sf - уклон (энергия) трения. Уклон дна включен в градиент Н.
В качестве мероприятий для понижения уровня воды в озере были предложены дноуглубительные работы в р. Сунгача и с использованием гидродинами ческой модели Б\¥ММ [8] выполнена оценка эффекта снижения опасного уровня воды в озере от принятых мероприятий по дноуглублению.
Результаты модельных расчетов пропускной способности р. Сунгача для намеченных вариантов инженерных .мероприятий
В статье рассмотрены два варианта дноуглубления. На лимитирующих участках осуществляется дноуглубление и естественное русло частично, в нижней части, заменяется каналом трапецеидальной формы с заложением откосов 1:3 и шириной по дну 17 м. На рисунке 4 представлены результаты расчета пропускной способности русла р. Сунгача для естественных условий и двух вариантов дноуглубления.
Рисунок 3 - Расчетные зависимости расхода воды от уровня оз. Ханка Н)) для р. Сунгача
Для оценки эффективности предлагаемых мероприятий выполнены расчеты водного баланса и соответствующих уровней воды в озере Ханка с учетом и без учета влияния функционирования водохозяйственной системы на китайской части бассейна. Описание
вариантов расчета приведено в таблице 3. Результаты определения параметров распределения уровней воды в озере Ханка, включая величины заданной обеспеченности, при различных вариантах использования приведены в таблице 4.
Таблица 3 - Варианты условий оттока из озера и сценариев использования стока р, Мулинхэ для динамико-етохаетичеекого моделирования уровня воды в озере Ханка
Вариант расчета Режимы использования водных ресурсов (сценарии)
1 Современное состояние русла р. Сунгача, учитывается сброс с китайских оросительных систем
2 Проектная форма русла р. Сунгача, учитывается сброс с китайских оросительных систем
3 Современное состояние русла р. Сунгача, без учета сброса с китайских оросительных систем ОС
Таблица 4 - Результаты динамико-стохастического моделирования уровня воды в оз. Ханка для различных вариантов расчета
Параметры Варианты (в соответствии с таблицей 1)
распределения уровня 1 2 3
Средний расход р. Сунгач, 0,, м3/с 60.3 60.4 54.5
Расчетные значения
уровня оз. Ханка,
Н, м
1,0% 71.32 71.25 70.64
50% 69.60 69.45 69.47
99% 68.20 67.80 68.53
Выводы.
1. Причины аномальной изменчивости гидрометеорологических процессов показывают, что возможный интервал колебаний уровня в естественных условиях достаточно большой. С обеспеченностью 1% среднегодовой уровень воды в озере превысит отметку 71,0 м. Существенным фактором изменения характеристик уровня являются условия стока из озера (пропускная способность русла в истоке).
2. Регулирование уровня воды в озере может быть выполнено за счет увеличения пропускной способности каналов и водотоков для сброса воды из озера Ханка путем проведения дноуглубительных работ. Данные мероприятия позволят снизить расчетные уровни 1% обеспеченности на 60 см, а средние многолетние уровни на 30 см.
3. Расчетные зависимости для предлагаемых вариантов дноуглубления на части русла р. Сунгача, примыкающем к истоку реки, показывают положительный эффект с точки зрения снижения отметок уровня воды в озе-
ре Ханка.
4. Выполненные расчеты с учетом новых сведений о стоке р. Мулинхэ, подтвердили, что функционирование системы использования водных ресурсов КНР в бассейне оз. Ханка приведет к увеличению амплитуды колебаний уровня воды в озере по сравнению с естественными условиями. При этом значительный вклад в аномальный рост уровня озера дает переброска стока р. Мулинхэ в бассейн озера Малая Ханка и затем в озеро Ханка по системе гидротехнических сооружений.
5. Предложенные мероприятия (дноуглубительные работы) не исчерпывают весь перечень превентивных мер, которые можно реализовать для снижения риска трансграничных чрезвычайных ситуаций, обусловленных гидрологическими процессами [9], однако выполненные модельные расчеты при оценке рисков превышения критических уровней воды в озере позволили определить эффективные решения для снижения уровня воды в озере.
Литература
1. Багров Н.А. Аналитическое представление последовательностей метеорологических полей посредством естественных ортогональных составляющих //Труды IU111. 1959. Вып. 74. - С. 3-27.
2. Болгов М.В. Экстремальные уровни озера Ханка: природные вариации или антропогенное воздействие//Вестник ОНЗ РАН, 2016, т. 8. Электронное издание, doi:10.2205/2016NZ000127 114 с. [Электронный ресурс] Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/5200280 (дата обращения 28.01.2019 г.).
3. Болгов М.В. Моделирование многомерных гидрологических характеристик методом разложения по естественным ортогональным функциям //Метеорология и гидрология, 1994. ^ № Т. ^ С.82-95.
4. Васьковский М.Г. Гидрологический режим озера Ханка. - Л.: Гидрометеоиздат, 1978. - 175 с.
5. Георгиевский В.Ю., Шалыгин А.Л., Болгов М.В., Коробкина Е.А. Многолетние изменения уровня озера Ханка и проблемы его регулирования//Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление, 2017. № 3. С. 69-88.
6. Любушин А.А. Анализ данных систем геофизического и экологического мониторинга. М.: Наука, 2007. 228 с.
7. Отчет о НИР по договору № 66-НИР/ФЦП-2016 в рамках ФЦП «Развитие водохозяйственного комплекса Российской Федерации в 2012-2020 годах» по теме: Научные исследования по изучению гидрологических особенностей водного режима озера Ханка в целях определения причин аномального повышения уровня воды и выработки научно-обоснованных предложений по регулированию уровня воды в озере, формированию комплекса мер по снижению негативного воздействия вод озера на территории Приморского края. Этап 1 «Оценка основных элементов водного баланса озера Ханка и анализ особенностей их формирования» (промежуточный). - ФГБУ «ГГИ», СПб, 2016. -296 с.
8. W.James, W.C. Huber. User System Models User's guide to SWMM. 2003. pp.700
9. Арефьева E.B., Болгов М.В. Особенности прогнозирования природных наводнений в целях снижения риска чрезвычайных ситуаций на примере Краснодарского края Технологии гражданской безопасности. -2018 Т.15, №4 (58), - С. 40-48.
RISK ASSESSMENT OF FLOODING OF COASTAL TERRITORIES OF LAKE KHANK WITH THE PURPOSE OF DEVELOPING MEASURES ТО PREVENT TRANSBOUNDARY EMERGENCY SITUATIONS
Mikhail BOLGOV
D. (Technical)
Head of the Laboratory for Surface Water Modeling Institute of Water Problems RAS Address: 119333, Moscow, st. Gubkina, 3, E-mail: bolgovmvQmail.ru
Elena AREFYEVA
D. (Technical)
Chief Researcher of the Risk Management Research Center
FSBI VNII GOCHS (FC) EMERCOM of Russia Address: 121352, Moscow, st. Davydkovskaya, 7 E-mail: elaref® mail.ru
Abstract. In order to reduce the risks of transboundary emergencies, the paper discusses the features of the hydrological regime of the transboundary Lake Khanka, the parameters of probabilistic models of the main hydrological processes, the nature of water use in the lake basin and adjacent territories, and also assesses the possible effect of implementing measures to manage the lake level regime. Relevant measures to reduce the threat of flooding of coastal areas on the lake. Khanka is reduced to a reduction in the volume of transferred flood waters in the lake basin, as well as to an increase in the capacity of the r. Sungach flowing out of the lake. Keywords: flood, hydrological regime, probabilistic modeling, transboundary emergency, lake Khanka, emergency warning
Citation: Bolgov M.V., Arefyeva E.V. Risk assessment of flooding of coastal territories of lake Khank with the purpose of developing measures to prevent transboundary emergency situations // Scientific and educational problems of civil protection. 2019. No. 1 (40). pp. 57-65.
References
1. Bagrov N.A. Analytical representation of sequences of meteorological fields by means of natural orthogonal components // Trudy TsIP, 1959. Iss. 74. - pp. 3-27.
2. Bolgov M.V. Extreme levels of Lake Khanka: natural variations or anthropogenic impact // Bulletin of the National Academy of Sciences of the Russian Academy of Sciences, 2016, vol. 8. Electronic edition, doi: 10.2205 / 2016NZ000127
3. Bolgov M.V. Modeling of multidimensional hydrological characteristics by the method of expansion in natural orthogonal functions // Meteorology and Hydrology, 1994. - № 7. - P.82-95.
4. Vaskovsky MG The hydrological regime of Lake Khanka. - L .: Gidrometeoizdat, 1978. - 175 p.
5. Georgievsky V.Yu., Shalygin A.L., Bolgov M.V., Korobkina E.A. Perennial changes in the level of Lake Khanka and the problems of its regulation // Water Economy of Russia: problems, technologies, management, 2017. No. 3. P. 69-88.
6. Lyubushin A. A. Data analysis of geophysical and environmental monitoring systems. M .: Nauka, 2007. 228 p.
7. Report on research activities under contract No. 66-Research and Federal Program -2016 within the framework of the Federal Target Program "Development of the Water Management Complex of the Russian Federation in 2012-2020" on the topic: Scientific research on the hydrological features of the water regime of Lake Khanka in order to determine the causes of anomalous increase water and development of scientifically-based proposals for regulating the water level in the lake, the formation of a set of measures to reduce the negative impact of lake water on the territory of Primorsky Krai. Stage 1 "Assessment of the main elements of the water balance of Lake Khanka and analysis of the characteristics of their formation" (intermediate). - Federal State Budgetary Institution "MGI", St. Petersburg, 2016. - 296 p.
8. W.James, W.C. Huber. User System Models User's guide to SWMM. 2003. 700 p.
9. Arefieva EV, Bolgov M.V. Features of natural flood forecasting in order to reduce the risk of emergency situations on the example of the Krasnodar Territory Civil Security Technologies. - №4 (58), T.15, 2018 - P. 40-48.
