Изменение уровней воды и уклонов водной поверхности при заторных явлениях на р. Лене

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Изменение уровней воды и уклонов водной поверхности при заторных явлениях на р. Лене

А.П. Аммосов, Р.Н. Шпакова, З.Г. Корнилова

Несмотря на значительный интерес научного сообщества к проблеме прогнозирования изменений характеристик водного потока в условиях заторообразования, данная проблема остается актуальной, чему в немалой степени способствует крайняя недостаточность детальной информации, отражающей течение указанного процесса. В статье приводятся результаты сравнительного анализа распространения волны половодья на участке Средней Лены от гидрологического поста Покровск до гидрологического поста Намцы при заторообразовании, сопровождающемся формированием исторических наивысших уровней воды, в 1958 и 2010 гг. Важно отметить, что формирование максимального уровня весеннего половодья во втором случае происходило в условиях значительного антропогенного воздействия. Показаны изменения уклона водной поверхности и скорости подъема и спада уровня воды по рассмотренным гидрологическим постам. Выявлены основные факторы, определяющие распространение максимального уровня воды выше и ниже по течению от места формирования ледяного затора. Особенности формирования и разрушения заторов предопределяют характерные изменения уклонов водной поверхности. Отмечена повышенная чувствительность морфологии русла р. Лены на рассмотренном участке Покровск - Намцы в силу мобильности песчаных грунтов, слагающих ложе реки. Данное обстоятельство определяется как один из важных факторов заторообразования. Установлена необходимость проведения исследований условий заторообразования при весеннем ледоходе с целью разработки более эффективной методики реализации противопаводковых мероприятий.

Ключевые слова: ледовые заторы, заторообразование, уклон водной поверхности, река Лена, русловые деформации, наводнения, антропогенный фактор.

Changes in Water Levels and Water Surface Slopes in Case of Congestion on the Lena River. A. P. Ammosov, R. N. Shpakova, Z. G. Kornilova. Larionov Institute of Physical and Technical Problems of the North SB RAS, Yakutsk. Abstract. This is a comparative analysis of snowmelt flood extension within the area in the Middle Lena from Pokrovsk gauging station to Namtsy one in case of ice jamming which comes with formation of the highest historical water levels in 1958 and 2010. The change in water surface slope and the rate of increase and decrease of the water level at the analyzed gauging stations has been shown. It is revealed that it is necessary to conduct a research of conditions of ice jamming during spring ice drift in order to establish the measures to realize flood prevention. Comparison of conditions and processes of formation of maximum water levels of spring flood in the years under review is of considerable scientific interest because in 2010, in contrast to 1958, on the considered section of the Lena river there were major changes of anthropogenic nature: the transformation of the river bed and measures to weaken the ice cover in order to reduce the probability of ice congestion. The paper concludes that a much larger increase in water level in 2010 is likely to be caused by anthropogenic factor. The intensity of change in the highest water-surface elevations and water-surface slopes as measured at the stream gaging stations covered, at periods when the Lena River ice breaks up with ice jams created depends on the change in the characteristics of the river's morphology and the hydrological processes that affect the dynamics of the ice jams formation and breaking-up at the Lena River. In 2010, the highest ever recorded water level rising speed (119 cm/h) and the greatest ever water-surface slope (18.04-10-5) were registered at the section of the river between the Kangalassy and the Namtsy gaging stations. At the section of the Lena River between Pokrovsk and Namtsy, the seasonal high water expands unevenly when spring ice drifts occur. Therefore, the emergency and rescue action taken may fail to be effective. Thus, in order to have effective action in place to successfully prevent floods, the arrangements need to be sped up for the research to be held to study and understand the conditions causing ice jams to be created when spring ice drifts occur so that the flood prevention practices (methods) could be developed for the most typical sections throughout the Middle Lena River.

Keywords: ice blocking, ice jamming, highest water level, water surface slope, the Lena River, channel deformation, flood, anthropogenic factor.

На р. Лене и ее крупных притоках во время весеннего ледохода образуются заторы. Огромные массы льда, стремительно движущиеся по течению, наталкиваются на прочный ледяной покров еще не вскрытой части реки, останавливаются и, нагромождаясь друг на друга, образуют торосистые скопления. Иногда они полностью забивают русло реки и становятся своеобразными ледяными плотинами [Бузин, 2004; Антропогенный фактор в заторообразовании ... , 2012; Мостахов, 1972]. Формирование заторов сопровождается затоплениями пониженных участков речной долины, в некоторых случаях принимающих характер катастрофических и приводящих к огромному материальному ущербу. Гарантированно предотвратить подобные явления даже с помощью современных технических средств пока не представляется возможным [Антропогенный фактор в заторообразовании ... , 2012].

- геоморфологическими, определяющими особенности строения русла в продольном, поперечном и плановом отношениях;

- гидрометеорологическими, включающими интенсивность развития половодья, характер распределения толщины льда, погодные условия в период ледохода;

- наличием различных водохозяйственных и других сооружений, стесняющих русло, а также мероприятиями по регулированию стока и интенсивности ледохода - мероприятиями по искусственному воздействию на заторы льда.

В настоящее время существуют большое количество работ отечественных ученых [Кильмянинов, 1992; Кильмянинов, Тазатинов, Шепелев, 2001; Бузин, 2004; Ноговицын, Кильмянинов, 2007] и современные публикации зарубежных исследователей [Divergence in seasonal hydrology ... , 2009; Amajor advance ... , 2014; Ice-jam flood risk ... , 2016; Ice-jam flood delineation... , 2017; Erosion potential of dynamic ... , 2018; Lessons learned from ... , 2018; Going with the flow... , 2018; Global Warming and Human ... , 2018; Hydrological Variability and ... , 2018], описывающие характер заторообразования, его физико-механическую, гидрологическую и гидроморфологическую основу. Несмотря на это, процесс заторообразования еще недостаточно изучен, в связи с чем невозможен надежный прогноз заторной составляющей подъема уровня весеннего половодья.

Исходя из вышеизложенного, проблема прогнозирования заторных наводнений до сих пор остается актуальной [Бузин, 2004], ее решение, как представляется, возможно в ходе не только включения в анализ новых материалов натурных наблюдений, но и более углубленного рассмотрения наиболее интересных с научной точки зрения материалов прошлых лет. К последним, по мнению авторов настоящей статьи, следует отнести случаи образования мощных заторов на участке р. Лены от г. Покровска до с. Намцы в 1958 и 2010 гг.

В мае 1958 г. образование затора между гидрологическими постами (далее - г/п) Якутск и Кангалассы (несколько ниже пос. Жатай) привело к формированию наивысшего исторического уровня воды на г/п Табага. В мае 2010 г. на участке Табага - Якутск в районе подводного перехода магистрального газопровода Хатассы - Павловск (находящегося на расстоянии приблизительно 9,0 км от г/п Табага) также возник мощный затор, в результате которого наивысший исторический уровень воды по г/п Табага, отмеченный в 1958 г., был превышен на 1,11 м. Таким образом, оба этих случая представляют собой наиболее яркое проявление влияния заторообразования на водный режим, но при этом в 2010 г. имело место существенное воздействие антропогенного фактора - в значительных объемах проведенное переформирование русла с созданием искусственных песчаных островов и осуществление противозаторных работ по ослаблению ледяного покрова. При этом в науке уже звучали мнения о невысокой в целом эффективности противозаторных мероприятий [Бузин, Горошкова, Стриженок, с. 57; Антропогенный фактор в заторообразовании ... , 2012].

С учетом указанных проблем выяснение отличий в условиях формирования и прохождения волны вскрытия на р. Лене в 1958 и 2010 гг. представляет значительный интерес.

В данной статье рассматриваются факторы формирования наивысших уровней весеннего половодья и изменения уровней воды и уклонов водной поверхности, возникших в 1958 и 2010 гг., при весеннем ледоходе с заторо- образованием на участке р. Лены от г/п Покровск до г/п Намцы. Между гидрологическими постами Покровск и Намцы расположены гидропосты Табага, Якутск и Кангалассы (рис. 1).

Рис. 1. Схематичная карта р. Лены от г/п Покровск до г/п Намцы

Гидрологические посты размещены в одноименных населенных пунктах: г. Покровске, с. Табага, г. Якутске, с. Кангалассы и с. Намцы. Расстояния между гидрологическими постами: Покровск - Табага - 47, Табага - Якутск - 36, Якутск - Кангалассы - 34, Кангалассы - Намцы - 49 км [Волкова, Гнатюк, Дектярев, 2009].

Участок р. Лены от Покровска до Намцев имеет несколько рукавов. Морфологически он характеризуется как параллельно-рукавный. На протяжении примерно 166 км имеются более 20 островов и осередков (см. рис. 1). Ширина Лены у г. Якутска достигает 7-10 км.

Исходным материалом, использованным в работе, являются многолетние данные мониторинговых наблюдений за уровнем воды на гидрологических постах р. Лены Покровск, Табага, Якутск, Кангалассы и Намцы Якутского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды в 1958 и 2010 гг. В ходе исследования применялась методика определения местоположения возникновения затора [Кусатов, 1977].

Проводилось сравнение временных интервалов наступления наивысших уровней воды и средних скоростей (УВ) их распространения при весеннем вскрытии р. Лены по г/п Якутск, Кангалассы и Намцы. Проведен также сравнительный анализ изменения уклонов водной поверхности в эти заторные годы. Для оценки интенсивности увеличения Уш и уменьшения Уа уклонов водной поверхности нами использованы соотношения

где 3 - принятый для расчета уклон водной поверхности между гидрологическими постами; г - время; Ь - расстояние между гидрологическими постами. Здесь УП3 и УС3 рассматриваются на единицу длины расстояния, равную 1 км.

В качестве характеристики ледовых условий вскрытия приняты суммы отрицательных температур воздуха за период ледостава (октябрь - март), так как толщина льда, измеряемая подекадно, полагается нами не вполне репрезентативным параметром в силу того, что измеряется с помощью разрушающей технологии, о чем авторы сообщали в докладах на VI и VII гидрологических съездах в 2004 и 2013 гг.

Сведения о среднесуточной температуре воздуха по метеостанциям Витим и Якутск брались из массивов данных, предоставляемых ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД» на специальном интернет-ресурсе Официальный интернет-портал ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД». ШГ: http://meteo.ru..

По оценкам В. В. Кильмянинова, критерием опасности наводнения на Средней Лене, связанной с интенсивным снеготаянием, является средняя температура воздуха первой декады мая по метеостанции Витим. При значениях данного показателя более 2,9 °С и наличии суровой зимы с высокой долей вероятности следует ожидать мощного наводнения. Суровой зимой считается зима, во время которой сумма накопленных за период март - октябрь отрицательных температур воздуха должна быть большей или равной минус 41,15 °С [Кильмянинов, 2012]. Сумма отрицательных температур по Витиму в 1958 г. составила минус 38,01, в 2010 г. - минус 43,53 °С. Средняя температура первой декады в 1958 г. составила 3,0, в 2010 г. - 5,7 °С. Таким образом, в 2010 г. имели место оба условия, необходимых, по мнению В. В. Кильмянинова, для формирования мощного наводнения, - и суровая зима, и дружное снеготаяние, в 1958 г. одно условие - наличие интенсивного снеготаяния, суровость же зимы оказалась недостаточной.

В то же время сумма отрицательных температур воздуха по метеостанции Якутск в зиму 1957-1958 гг. составила минус 55,51 °С, в зиму 20092010 гг. - минус 48,53 °С при среднем многолетнем значении минус 53,02 °С. Таким образом, на Средней Лене зима 1957-1958 гг. была существенно более суровой. Повышенная толщина льда, по общему правилу, является фактором, способствующим образованию ледяных заторов, и, исходя из имеющихся сведений, данный фактор в 1958 г. более выражен. В 2010 г. толщина льда в пунктах наблюдений на рассматриваемом участке даже не превышала средних многолетних величин.

К особенностям подготовительного периода вскрытия р. Лены в 2010 г. следует отнести проведение в предпаводковый период в створах Табагиского и Кангаласского мысов превентивных мероприятий, направленных на ослабление прочности ледяного покрова. Так, распиловка льда затронула 13 км длины реки, а зачернение - 9,2 га поверхности ледяного покрова в районе Кангаласского мыса. Аналогичные по объемам работы были осуществлены и в районе Табагинского мыса. В 1958 г. подобного рода мероприятий не реализовывалось.

Немаловажное значение при формировании наивысших уровней воды весеннего половодья, имеющих заторный характер, имеет режим температуры воздуха в период, непосредственно предшествующий вскрытию, и в период вскрытия.

Среднесуточные температуры воздуха по метеостанции Якутск накануне и в течение периода вскрытия приведены в табл. 1.

Таблица 1. Сведения о температуре воздуха по метеостанции Якутск, °С

Температурный режим в течение периода, непосредственно предшествовавшего вскрытию, в анализируемые годы существенно различался. В 1958 г. имело место похолодание с 11 по 16 мая вплоть до отрицательных в течение двух суток значений, что препятствовало процессу постепенного ослабления прочности ледяного покрова. И в дальнейшем, в период формирования и развития заторов льда, среднесуточная температура воздуха лишь в отдельные сутки превышала норму. В 2010 г., как накануне, так и по ходу вскрытия, температура воздуха имела положительные значения, существенно превышала норму и способствовала интенсивному уменьшению прочности ледяного покрова. Таким образом, температурный режим в 1958 г. значительно способствовал формированию и поддержанию ледового затора, чем в 2010 г.

По состоянию на начало 2010 г. имелись данные авиаразведки, свидетельствующие о том, что на участке р. Лены от с. Табага до с. Кангалассы насчитывается 7 очагов заторообразования: на 1463, 1467, 1478, 1486, 1492, 1504 и 1511-м километрах от устья реки [Рождественский, Бузин, Шалаши- на, 2010]. Из перечисленных мест два относятся к участку Табага - Якутск, который ранее считался менее затороопасным, чем участки Покровск - Табага, Якутск - Кангалассы, Кангалассы - Намцы [Антропогенный фактор в заторообразовании ... , 2012].

Среднемесячные расходы воды в мае 1958 г. по г/п Табага составили в модульных коэффициентах 1,20, а в 2010 г. - 1,35 при норме 12 тыс. м3/с. Как видим, водность реки в 2010 г. на 13 % превышает водность в 1958 г.

Можно сделать следующие выводы об условиях формирования наивысших уровней весеннего половодья в 1958 и 2010 гг. По совокупности факторов, связанных с ледовым режимом, условия для образования мощных ледовых заторов при прохождении волны половодья и, соответственно, максимальных уровней воды, существенно превышающих норму, более явно выражены в 1958 г.: намного большая толщина льда и температурный режим накануне вскрытия, препятствующий значительному уменьшению прочности ледяного покрова. Факторы, характеризующие влияние водного режима, напротив, более выражены в 2010 г.: более высокие общая водность реки в мае и интенсивность нарастания водности. С очень большим приближением можно оценить условия 1958 и 2010 гг. как примерно равные, во всяком случае не влекущие за собой значительного превосходства условий в каком-либо из этих двух случаев.

В 1958 г. затор льда на рассматриваемом участке Лены возник в естественных условиях, при отсутствии какого-либо антропогенного вмешательства (в русле реки не производились строительные работы, связанные с масштабными перемещениями грунта, не осуществлялись мероприятия по ослаблению ледяного покрова).

В 2010 г. голова затора формировалась, как показала ледовая разведка 18 мая, на песчаных островах, возведенных в зимний сезон 2009-2010 гг. для защиты подводного перехода магистрального газопровода и судов, оставшихся на зимней стоянке на створе подводного перехода. Если в 1958 г. суточные повышения уровня воды составили порядка 100-200 см, то в 2010 г. суточный рост уровня воды достигал более 3 м.

Хронология формирования наивысших уровней воды по гидрологическим постам Покровск, Табага, Якутск, Кангалассы и Намцы за 1958 и 2010 заторные годы представлена на рис. 2.

Наивысший уровень воды по г/п Покровск в 1958 г., равный 9803 см по Балтийской системе (далее - БС), наблюдался в 02 ч 25 мая, по г/п Табага - 9598 см БС в 22 ч 24 мая.

В 2010 г. уровень воды по г/п Покровск достиг наивысшего значения в 01 ч 20 мая и был равен 10 115 см БС, а по г/п Табага - в 03 ч 20 мая (9709 см БС).

Максимальный уровень воды при весеннем вскрытии р. Лены в 1958 г. по г/п Табага установился примерно на четыре часа раньше, чем по г/п Покровск (см. рис. 2).

Рис. 2. Хронологический график изменения уровня воды в период вскрытия р. Лены в 1958 и 2010 гг.

В 2010 г. срок наступления наивысшего уровня воды по г/п Покровск опережает на два часа время достижения наивысшего уровня воды по г/п Табага.

Сравнение временных интервалов наступления наивысших уровней воды и средних скоростей (УВ) их распространения при весеннем вскрытии р. Лены по гидрологическим постам Якутск, Кангалассы и Намцы по годам показывает следующее:

- в 1958 г. наивысшие уровни воды по времени суток на г/п Якутск, Кангалассы и Намцы были отмечены 24 мая в 17 ч (9428 см БС), 24 мая в 18 ч (9054 см БС) и 25 мая в 13 ч (8572 см БС) соответственно (см. рис. 2, а, табл. 2);

- в 2010 г. наивысшие уровни воды по времени суток по этим же гидрологическим постам достигали 20 мая в 17 ч (9401 см БС), 21 мая в 11 ч (9234 см БС) и 21 мая в 12 часов (8644 см БС) соответственно (см. рис. 2, б, табл. 2).

Таблица 2. Длительность (Д!) и средняя скорость (Ув) распространения максимального уровня воды волны половодья