Определение зон зарождения и оценка динамических характеристик снежных лавин

Турчанинова, Алла Сергеевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Определение зон зарождения и оценка динамических характеристик снежных лавин
ВАК РФ 25.00.31, Гляциология и криология земли

Автореферат диссертации по теме "Определение зон зарождения и оценка динамических характеристик снежных лавин"

На правах рукописи

ТУРЧАНИНОВА АЛЛА СЕРГЕЕВНА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗОН ЗАРОЖДЕНИЯ И ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СНЕЖНЫХ ЛАВИН

25.00.31 - гляциология и криология Земли

7 НОЯ 2013

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

МОСКВА-2013

0055374ЬУ

005537469

Работа выполнена в Научно-исследовательской лаборатории снежных лавин и селей географического факультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»

Научный руководитель

кандидат географических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник географического факультета МГУ Глазовская Татьяна Григорьевна

Официальные оппоненты

доктор географических наук, начальник Центра «Антистихия» Болов Владислав Рамазанович

кандидат географических наук, главный инженер Центра лавинной безопасности ОАО «Апатит» Черноус Павел Александрович

Ведущая организация Институт Географии РАН

Защита состоится 28 ноября 2013 г. в 17:00 часов на заседании Диссертационного совета Д-501.001.61 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.1, МГУ имени М.В. Ломоносова, географический факультет, 21 этаж, аудитория 2109.

С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Научной библиотеки Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ломоносовский проспект, д.27, А8.

Автореферат разослан 25 октября 2013 г. Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.1, МГУ имени М.В. Ломоносова, географический факультет, ученому секретарю Диссертационного совета Д-501.001.61, факс (495) 932-88-36. E-mail: ma1yn2006@yandex.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук

А.Л. Шныпарков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Безопасность людей и экономическая эффективность хозяйственных объектов в горах во многом зависят от правильного решения вопросов, связанных с определением зон зарождения и оценкой динамических характеристик снежных лавин, таких как объем, скорость, дальность выброса, сила удара и высота лавинного потока. Признаки лавинной активности, выраженные в ландшафте, не всегда определяют границы возможных лавин и позволяют оценить значения их динамических характеристик. Были зарегистрированы случаи схода особо крупных лавин редкой обеспеченности по объему и дальности выброса, не имевшие аналогов в обозримом прошлом - Блейе (Норвегия), Флатеири (Исландия), Гальтюре (Австрия) [Селиверстов, 2005]. В связи с этим особенно актуальной является оценка вероятных динамических характеристик снежных лавин редкой повторяемости с использованием расчетных методов.

В настоящее время существует большое разнообразие методов определения зон зарождения и расчета динамических характеристик снежных лавин. Их применение в практических целях требует четко установленных правил (руководств) и оценки их точности на независимом материале, что до сих пор не было сделано. Традиционные методы оценки динамических характеристик снежных лавин не соответствуют все возрастающим требованиям к темпам проведения изыскательских работ, что отрицательно сказывается на их качестве. Актуальным направлением является использование геоинформационных систем (ГИС) и современных программ динамического моделирования снежных лавин для решения задач определения зон зарождения и оценки динамических характеристик снежных лавин.

Цель и задачи работы. Основная цель настоящей работы состоит в совершенствовании методических основ определения зон зарождения и оценки динамических характеристик снежных лавин.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Проанализировать и сравнить существующие методы определения зон зарождения и оценки динамических характеристик снежных лавин.

2. Разработать структуру и создать крупномасштабную ГИС «Снежные лавины», географически привязанная база данных которой должна включать параметры и условия схода снежных лавин.

3. Выполнить анализ влияния факторов лавинообразования на расчет динамических характеристик снежных лавин.

4. Разработать пользовательское расширение АгсОК 9.3, позволяющее автоматизировать процесс выделения лавинных очагов на основе анализа рельефа.

5. Разработать методику оценки обеспеченности дальности выброса снежных лавин.

6. Выполнить расчет дальности выброса снежных лавин с использованием различных методов и оценить обеспеченность полученных результатов.

7. Выполнить верификацию двумерной модели движения лавин ЛАММБ в России.

Использованные материалы и личный вклад автора. При выполнении работы были использованы следующие материалы: многолетние ряды наблюдений за лавинами в районе г. Кировска Центра Лавинной Безопасности (ЦЛБ) ОАО «Апатит» (более 50 лет); материалы отчетов Швейцарского института снеголавинных исследований (БЬР) за 1962-1998 гг. (36 лет); отчеты о работах НИЛ снежных лавин и селей географического факультета МГУ в Приэльбрусье в 70 - 80-е годы XX века; топографические карты районов исследования масштабов 1:5000 и 1:25000; фактические сведения о лавинной активности районов исследования, опубликованные в виде статей и карт; данные, собранные автором во время зимних и летних полевых работ; разновременные данные дистанционного зондирования Земли (ДДЗЗ).

Автором выполнены полевые стационарные и маршрутные исследования лавиносборов, снежного покрова и снежных лавин в Хибинах, Приэльбрусье и Швейцарских Альпах в период с 2007 по 2012 гг., которые включали регистрацию и описание снежных лавин, описание стратиграфии снежного покрова, снегомерные работы, а также исследования признаков лавинной активности с использованием ландшафтно-географического метода. В зимний сезон 2009 г. автор принимал участие в экспериментах по натурному моделированию снежных лавин на экспериментальной площадке Вайсфлуйох (Швейцария). В камеральных условиях выполнялось дешифрирование ДДЗЗ. Автор самостоятельно провел сбор, систематизацию и анализ многолетних данных фактических наблюдений за лавинами, картографических материалов, а также их географическую привязку, что позволило разработать структуру и создать ГИС «Снежные лавины». Разработано и апробировано пользовательское расширение АтсвК для автоматизированного выделения лавинных очагов; выполнены расчеты динамических характеристик снежных лавин с использованием различных методов в Хибинах и Приэльбрусье, предложена новая методика оценки обеспеченности дальности выброса снежных лавин (на примере Хибин) при ограниченном ряде наблюдений; впервые в России выполнена верификация (по данным о лавинах Хибин и Приэльбрусья) двумерной модели движения снежных лавин ЯАММ8.

Методика исследования включала полевые работы и комплекс камеральных методов. В процессе работы широко применялись методы геоинформационного картографирования, моделирования, статистический анализ, дешифрирование ДДЗЗ. Обработка и анализ и итоговое представление данных выполнялись в пакете АгсОК 9.3 (ЕБШ 1пс., США). Моделирование лавин выполнялось с использованием программы НАММБ (БЫ7, Швейцария).

Научная новизна работы состоит в следующем: 1. Впервые в России создана географически привязанная электронная база данных сошедших снежных лавин в Хибинах и Приэльбрусье (более 50 лет наблюдений) в крупном масштабе (1: 5000), включающая параметры и условия их схода, представленная в виде раздела ГИС «Снежные лавины».

2. Разработано пользовательское расширение Лгс018 9.3, позволяющее автоматизировать процесс выделения лавинных очагов, исходя из морфометрических характеристик склонов.

3. Предложена новая методика оценки обеспеченности дальности выброса снежных лавин при ограниченном ряде наблюдений.

4. Выполнена оценка обеспеченности дальностей выброса лавин, рассчитанных с использованием различных методов.

5. Впервые в России выполнена верификация двумерной модели движения снежных лавин КАММБ.

Защищаемые положения:

1. Оценка точности методов определения динамических характеристик снежных лавин может быть выполнена с использованием разработанной крупномасштабной ГИС «Снежные лавины».

2. Оценка обеспеченности дальности выброса лавин при ограниченном ряде наблюдений может быть основана на использовании аналитических кривых распределения коэффициента эффективного трения в схожих по морфометрии лавиносборах, выявленных с применением кластерного анализа.

3. При моделировании движения снежных лавин в Хибинах (абсолютные высоты менее 1200 над уровнем моря) с применением двумерной модели КАММБ необходимо использование коэффициентов трения (ц (-) и С (м/с2)), соответствующих в Швейцарских Альпах высотному диапазону выше 1500 м. При моделировании особо крупных лавин в Приэльбрусье, образующихся в различных диапазонах высот, должны использоваться значения коэффициентов, используемых в Швейцарских Альпах для лавин в аналогичных диапазонах.

4. Использование модели ЯАММБ позволяет реконструировать ранее сошедшие лавины и определить их динамические характеристики, информация о которых отсутствует.

Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы на практике при оценке лавинной активности, опасности и риска в различных горных районах, а также учтены при усовершенствовании нормативной документации, регламентирующей освоение лавиноопасных районов.

Апробация результатов исследований. Результаты исследований докладывались на Российских и Международных симпозиумах, конференциях и заседаниях: XIV Гляциологическом симпозиуме «Гляциология от Международного геофизического года до Международного полярного года» (Иркутск, 2008); научно-практических конференциях молодых специалистов «Инженерные изыскания в строительстве» (Москва, 2007, 2008, 2011); международной научной конференции «Гляциология в начале XXI века» (Москва, 2009); на Общероссийских конференциях изыскательских организаций "Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации" (Москва, 2009, 2010, 2011 и 2012); XV Международном гляциологическом симпозиуме «Лед и снег в климатической системе» (Казань, 2010); IV Международной конференции «Лавины и смежные

вопросы» (Кировск, 2011); XI Научно-практической конференция "Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций" (Москва, 2011 и 2012); заседании Европейского Геофизического Общества Генеральной Ассамблеи (Вена, 2012); XV Гляциологическом симпозиуме «Современная изменчивость криосферы Земли» (Архангельск, 2012). По теме диссертации опубликовано 18 научных работ.

Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, были использованы в отчетах проекта «Ведущий ученый» (Договор № 11.G.34.31.0007) по теме «Оценка природного риска в прибрежных зонах», а также в гранте Ученого совета географического факультета МГУ молодым исследователям 2010-2012 гг. по теме «Определение параметров лавин при проведении изысканий в горах».

Структура и объем работы. Работа включает 175 страниц машинописного текста и состоит из 4 глав, введения, заключения, списка литературы (190 наименований) и 14 приложений, включает 49 рисунков и 26 таблиц.

Работа выполнена под руководством к.г.н. Т.Г. Глазовской, которой автор приносит искреннюю благодарность за участие, внимание и поддержку в ходе выполнения работы, развитие интереса к проведению научных исследований. Автор очень признателен научному консультанту Ю.Г. Селиверстову за содействие и всестороннюю помощь на протяжении всех этапов выполнения работы. Автор приносит благодарность П.А. Черноусу, М.А. Викулиной, В.П. Благовещенскому, Е.А. Золотареву, С.Х. Созаеву за предоставленные материалы. Автор признателен В.А. Светлосанову и С.А. Сократову за полезные консультации. Автор искренне благодарен П. Бартелту, М. Кристану и О. Бусеру за возможность пройти стажировки в Швейцарском институте снеголавинных исследований (SLF) и предоставление программы RAMMS для использования в рамках настоящей работы. Автор признателен А.Н. Божинскому, A.JI. Шныпаркову и Е.Г. Мокрову за конструктивные замечания. Автор искренне благодарен Е.С. Клименко, A.A. Алейникову и Е.Г. Харьковцу за помощь в освоении ГИС-программ и полезные консультации по вопросам работы с ДЦЗЗ. Автор выражает благодарность сотрудникам Географического факультета МГУ, ЦЛБ, Института снеголавинных исследований SLF за всестороннюю помощь. Особую признательность хочу выразить И.В. Турчанинову за постоянную поддержку в ходе выполнения работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СНЕЖНЫХ ЛАВИН

В данной главе приводится анализ существующих подходов и методов определения динамических характеристик снежных лавин.

Основными динамическими характеристиками снежной лавины принято считать: скорость переднего фронта; дальность выброса; силу удара лавины о препятствие; объем. Все перечисленные характеристики в достаточной степени

изменяются в зависимости от физико-географических условий [Божинский, Лосев, 1987].

Динамические характеристики снежных лавин могут быть определены на основе расчетного или ландшафтно-географического методов. Их сравнительный анализ показал, что ландшафтно-географический метод более трудоемок, чем расчетный. При изучении только видимых следов лавин возможная дальность их выброса, как правило, занижается. К настоящему времени, разработаны различные подходы к расчету динамических характеристик снежных лавин, учитывающие разнообразие форм и типов движения снежных лавин и основанные как на математических и физических моделях движения, так и на использовании эмпирических зависимостей.

В работе выполнен сравнительный анализ наиболее часто применяемых на практике математических моделей движения лавин, как отечественных [Козик, 1962; ВСН 02-73], так и зарубежных [Perla, Cheng, McClung, 1980; Voellmy, 1955; Salm, 1966; Salm, 2004], в том числе одной из самых современных двумерных моделей движения лавин RAMMS [Christen, Bartelt, Kowalski, 2010]. Все рассмотренные в работе теоретические модели применимы лишь для случаев схода лавин из снежной доски или мокрого снега.

Важной характеристикой модели, кроме ее точности, является простота применения. Анализ показал, что модели гидравлического типа (модель Вельми и дополненная модель Вельми-Зальма-Гублера; RAMMS) являются более сложными по сравнению с моделями материальной точки (модель С.М. Козика; модель ВСН 02-73; модель Перла-Ченга-МакКианга), однако отражают характер перемещения лавины по склону и позволяют более точно оценить значения ее динамических характеристик. Ввиду недостатка знаний о характере процессов, происходящих внутри тела лавины во время ее движения, в теоретических моделях используются эмпирические и полуэмпирические коэффициенты. Чаще всего на практике в нашей стране применяются одномерные модели (модель С.М. Козика и ВСН 02-73), уравнения которых были получены еще в середине прошлого века.

Эмпирические зависимости для определения максимальной дальности выброса лавин, получаемые на основе статистической обработки результатов наблюдений, возникли в качестве альтернативы математическому моделированию, применение которого ограничено в практике инженерных расчетов недостаточным учетом фактических данных. Анализ эмпирических методов [Аккуратов, 1967; Благовещенский, 1991; Рунич, 1974; Северский, Благовещенский, 1973; Золотарев, 1981 и др.] показал, что максимальные значения динамических характеристик снежных лавин в лавиносборе в первую очередь определяются его морфометрией. Эмпирические зависимости, как правило, установлены по данным наблюдений в определенных горных регионах. Большинство отечественных эмпирических методов расчета максимальной дальности выброса лавин характеризуют связь минимального коэффициента эффективного трения гты = H/L (Н - превышение места отрыва снежного пласта над местом остановки лавины, м \ L - горизонтальная проекция

пути движения лавины, м) с отдельными морфометрическими характеристиками рельефа.

Анализ методов определения динамических характеристик снежных лавин показал, что, несмотря на их разнообразие, они не позволяют выполнять расчеты с необходимой точностью.

Глава 2. АНАЛИЗ ФАКТОРОВ ЛАВИНООБРАЗОВАНИЯ И

ОБРАБОТКА ДАННЫХ ФАКТИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ ПО ЛАВИНАМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИС

Факторы лавинообразования представляют собой комплекс причин, приводящих к сходу снежных лавин [Гляциологический словарь, 1984].

В работе осуществлен сравнительный анализ факторов лавинообразования районов исследования (Хибин, Приэльбрусья и Швейцарских Альп) на основе литературных источников, многолетних данных фактических наблюдений за лавинами, материалов полевых исследований, которые дополнялись дешифрированием ДДЗЗ. Для каждого района приводятся следующие характеристики: средняя относительная высота и средний угол наклона склонов; средняя температура самого холодного месяца, среднегодовая сумма осадков, средняя толщина снежного покрова (на высоте преимущественного расположения зон зарождения снежных лавин); абсолютная высота верхней границы леса; ведущий фактор лавинообразования; длительность лавиноактивного периода; тип лавинного режима. Сравнение районов показало, что факторы лавинообразования в районе Приэльбрусья и в Швейцарских Альпах имеют гораздо больше общих черт по сравнению с факторами лавинообразования Хибинского горного массива, что обусловлено в первую очередь их географическим положением и историей развития рельефа. Отличительной особенностью района Хибин является его местоположение за полярным кругом, небольшие абсолютные и относительные высоты, низкие значения температуры воздуха и интенсивный метелевый перенос.

Работа выполнялась на примере отдельных (ключевых) лавиносборов. В Хибинах выбраны лавиносборы №2, №13, №14, №16, №17, №22, №43 (по нумерации Центра лавинной безопасности (ЦЛБ) ОАО «Апатит»), представленные разными морфологическими типами. Все они расположены в окрестностях города Кировска и находятся в зоне регулярных снеголавинных наблюдений. В Приэльбрусье в качестве ключевых лавиносборов выбраны лавиносборы № 1 - 19, также представленные разными морфологическими типами, расположенные на северном склоне горы Чегет от поляны Азау до поселка Терскол на участке детальных снеголавинных наблюдений Географического факультета МГУ, рассмотрены и некоторые другие лавиносборы. Выбор ключевых лавиносборов обусловлен их типичностью для районов исследования (характерные морфологические типы лавиносборов и генетические типы лавин), наличием данных многолетних наблюдений за сходившими в них лавинами, а также детальных данных о рельефе (ЦМР с разрешением 5 м).

Ввиду значительного объема собранных автором данных их обработка выполнялась геоинформационными методами, что позволило существенно облегчить подготовительный этап работы и сократить его время в сравнении с традиционными методами. Собранный материал стал основой для ГИС «Снежные лавины» (рис.1), отличительной особенностью которой является картографическая основа самого высокого разрешения, доступного на сегодняшний день для двух районов исследования — Хибин и Приэльбрусья. Ранее при составлении ГИС [Соловьев, 2002; Селиверстов, 2004; Викулина, 2009], посвященных вопросам снежных лавин, основное внимание уделялось условиям лавинообразования, определению параметров выделенных визуально лавинных очагов и лавиносборов. В ходе настоящего исследования выполнен детальный анализ снежных лавин, сошедших в пределах конкретных лавиносборов. Контуры фактических лавин оцифровывались с карт и схем (масштаба 1:5000), данные о них (место, дата и время схода; характеристики зоны зарождения, лавинных отложений; общие морфометрические характеристики лавины; характеристика погоды на момент схода; заключение о причинах схода; дополнительные сведения и др.) заносились в БД ГИС. В результате, слой границ лавин в пределах каждого лавиносбора был дополнен каталогом с их подробным описанием, количественными параметрами и характеристиками условий схода. Рассматривались лавины всех объемов - от самых маленьких (объемом менее 1 000 м3) до особо крупных лавин (объемом более 2 000 000 м3). Ряд наблюдений длиной более 50 лет сделал возможным вероятностный анализ зон зарождения и оценки динамических характеристик сошедших снежных лавин.

ГИС постоянно пополняется материалами, опубликованными в виде карт, монографий, статей, а также результатами моделирования. В настоящее время ГИС включает в себя картографическую и атрибутивные базы данных более чем для 20 лавиносборов Хибин и 20 лавиносборов Приэльбрусья.

В данной работе ГИС «Снежные лавины» была использована для решения следующих задач: (1) анализа факторов лавинообразования; (2) выявления форм рельефа, благоприятных для образования лавин; (3) создания кадастра лавиносборов; (4) анализа географически привязанной базы данных снежных лавин, включающей параметры и условия их схода; (5) исследования динамики снежных лавин; (6) расчета динамических характеристик снежных лавин; (7) верификации двумерной модели лавин RAMMS в России; (8) оценки обеспеченности дальности выброса снежных лавин; (9) моделирования особо крупных лавин; (10) визуализации результатов моделирования лавин.

В результате, впервые в России создана географически привязанная электронная база данных снежных лавин (рис. 2) в крупном масштабе (1: 5000), включающая на данный момент параметры и условия схода более 170 лавин, представленная в виде раздела ГИС «Снежные лавины».

Геоинформационная система «Снежные лавины»

Структура ГИС

Картографическая база данных (КБД) Атрибутивная база данных (АБД)

1.ЦМР

лавиносборов и их окрестностей

2. ДДЗЗ

(разновременные аэрофото и космические снимки)

3. Условия лавинообразования

4. Растительность

5. Хозяйственные объекты (включая противолавинные сооружения)

1. Границы лавинных очагов и лавиносборов

2. Границы зарегистрированных лавин

3. Пункты наблюдений: снегомерные рейки и профили; шурфы

4. Промеры лавинных отложений

5. Пространственное представление результатов моделирования динамики снежных лавин

1. Морфометрические характеристики лавинных очагов и лавиносборов

2. Данные наблюдений за снежными лавинами (характеристики зарегистрированных лавин, погоды на момент схода лавин; заключение о причинах схода)

3. Результаты расчетов, выявленные зависимости и др.

1. Вычисление линейных и площадных параметров объектов

2. Статистическая обработка картографической и атрибутивной баз данных, корреляционный, регрессионный и кластерный анализ

3. Расчет

морфомегрических характеристик лавинных очагов, лавиносборов и зарегистрированных лавин

Планируемые:

4. Обработка снеголавинной информации

5. Поиск и формирование разнообразных запросов

Решаемые задачи

Методы

1. Построение ЦМР лавиноактивных склонов

2. Построение карт условий лавинообразования

3. Выявление форм рельефа, способствующих зарождению лавин

4. Выделение лавинных очагов и лавиносборов вручную и автоматически

5. Расчет динамических характеристик лавин с использованием эмпирических методик и динамического моделирования

6. Моделирование влияния проектируемой инженерной защиты (дамб, лавинорезов и др.) на динамику лавин

Рис.1. Структурная схема ГИС «Снежные лавины» для решения задач изучения и моделирования снежных лавин

ГИС «Снежные лавины» может быть использована для исследования динамики лавин, оценки точности методов определения их зон зарождения и расчета динамических характеристик, в том числе анализа результатов работы современных двумерных и трехмерных моделей

движения лавин,

представленных в

программном виде.

Рис.2. Визуализация географически привязанной базы данных лавин, входящей в состав ГИС «Снежные лавины».

Лавиносбоп №43. Хибины. Скриншот из АгсСК.

Глава 3. ВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ ЛАВИНООБРАЗОВАНИЯ НА РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СНЕЖНЫХ ЛАВИН

В третьей главе приводится: анализ влияния факторов лавинообразования (рельефа, климата и растительности) на расчет динамических характеристик снежных лавин с использованием современных методов; алгоритм автоматизированного выделения лавинных очагов, основанный на морфометрическом анализе рельефа; описание и результаты апробации созданного с использованием данного алгоритма пользовательского расширения для программы АгсСВ.

Динамические характеристики снежных лавин определяются всей совокупностью постоянных и переменных факторов лавинообразования. Каждой горной области присущи свои особенности сочетания лавинообразующих факторов и, следовательно, характерные значения динамических характеристик снежных лавин [Лосев, 1982].

Рельеф является важнейшим постоянным фактором, который влияет на перераспределение снега на склоне, определяет зарождение и характер перемещения снежных лавин по склону. Установлено, что современные методы расчета динамических характеристик лавин учитывают в первую очередь влияние на них рельефа. Для определения морфометрических параметров рельефа в среде ГИС по ЦМР для ключевых лавиносборов и их окрестностей были построены растры абсолютной высоты, экспозиции, уклона, кривизны поверхности. Разрешение используемых растровых наборов данных -5 м. Такой размер ячеек признан нами оптимальным для анализа рельефа, как фактора лавинообразования, в крупном масштабе, также он сопоставим с размерами объектов (опоры канатных дорог, ЛЭП и др.), которые могут быть расположены на склоне. Результаты расчета морфометрических характеристик

ключевых лавиноеборов заносились в кадастр, который вошел в состав ГИС «Снежные лавины». Для каждого лавиносбора были вычислены площадь, средний и максимальный уклон, площадь зоны зарождения, средний и максимальный уклон зон зарождения и транзита, превышение верхней точки лавиносбора над нижней, экспозиция. Для каждого лавиносбора строилась серия продольных профилей по тальвегам, а также поперечные профили зон зарождения, транзита и выброса.

Для расчетов динамических характеристик снежных лавин в первую очередь необходимо определить границы зоны зарождения лавин и нанести их на карту. Лавинный очаг (син. зона зарождения лавины) представляет собой верхнюю часть лавиносбора, чаще всего воронкообразное расширение на склоне, где начинается движение снега в виде лавины [Гляциологический словарь, 1984]. Традиционно выделение лавинных очагов выполнялось вручную. В среде ГИС оно осуществлялось на основе анализа карт морфометрических характеристик рельефа без привлечения данных фактических наблюдений. Установлено, что определение зон зарождения снежных лавин, таким образом, всегда субъективно, что отражается на точности результатов последующих расчетов динамических характеристик лавин, как в сторону занижения, так и в сторону завышения результатов.

Проблема автоматизированного выделения лавинных очагов была рассмотрена исследователями, как в России [Соловьев, 2002], так и в других странах [Maggioni, Gruber 2003]. А.Ю. Соловьевым [2002] предложена математическая модель для выделения структурных линий рельефа, ее использование планируется для выделения зон зарождения лавин. Однако, указанные работы не были доведены до программного продукта, необходимого для практического использования.

Активность лавинного очага обусловлена сочетанием факторов лавинообразования. Особенности снегонакопления и его распределения в лавинном очаге определяются в первую очередь морфометрией склонов. В районах с климатическими условиями, благоприятными для лавинообразования, морфометрия рельефа является основным фактором, определяющим зарождение лавин. Таким образом, становится возможен поиск статистических зависимостей зон зарождения лавин от морфометрии рельефа.

Изложенный выше принцип положен в основу алгоритма автоматизированного выделения лавинных очагов (рис. 3), основанного на морфометрическом анализе рельефа. С использованием алгоритма в работе создано пользовательское расширение для программы ArcGIS. Основой для него послужили различные версии ранее предложенных программных кодов [Maggioni, 2005]. Автором написан скрипт «Определение границ лавинных очагов» на языке программирования Python.

В основе работы скрипта лежит морфометрический анализ рельефа (ЦМР). Для определения потенциальных зон зарождения лавин выбраны критерии, характеризующие: абсолютные и относительные высоты; крутизну склонов; кривизну поверхности в плане; минимальную площадь зоны

зарождения; максимальную единицу нелавиноактивной площади в пределах лавиноактивной территории.

Анализируемые параметры

углы наклона

абсолютная высота

Анализ соответствия определенным критериям

кривизна поверхности в плане

относительное превышение лавинного очага

площадь лавинного очага

30 - 60 град.

> 900 м

< 400 м

> 5000 кв. м

Рис. 3. Алгоритм автоматизированного выделения лавинных очагов с использованием морфометрического анализа рельефа.

Заданные значения критериев сравниваются с благоприятными для зарождения лавин значениями, полученными в результате статистической обработки данных фактических наблюдений Швейцарии Зарождение снежных лавин в Швейцарских Альпах чаще всего происходит на склонах крутизной 30 - 60°, расположенных на абсолютной высоте более 900 метров (начиная с такой высоты, накапливается достаточное количество снега для лавинообразования). Максимальное относительное превышение склона, в пределах которого наблюдается единовременное обрушение снежных масс, полученное по данным наблюдений в Швейцарии, составляет 200 - 400 м [Gruber, 2001]. В скрипте использован также отдельный алгоритм учета лесной растительности, на основе которого рассматриваются не только территории, покрытые лесом, но и сопредельные с ними зоны, где лавинообразование маловероятно. Для комбинирования растров, выбора данных с помощью запросов, оценки направлений движения лавин использованы инструменты анализа из модуля «Spatial Analyst». В ходе разработки программного расширения установлено, что для автоматизированного выделения лавинных очагов особенно важны средства геоинформационного анализа (сглаживание и разделение полигонов, построение буферных зон), рассматривающие топологию и конфигурацию итоговых полигонов, отмечающих зоны зарождения лавин.

При использовании созданного программного расширения пользователь всегда может оперативно изменять входящие значения критериев, опираясь на данные фактических наблюдений для конкретных склонов или на собственный опыт. В результате, становится возможной разработка сценариев развития процесса лавинообразования.

Лавинные очаги в двух районах Швейцарии (район Давоса и район экспериментальной площадки Балле де ла Сионе), выделенные автоматизировано, как правило, приурочены к благоприятным для лавинообразования формам рельефа (денудационным воронкам, эрозионным врезам, крутым нерасчлененным склонам). Сопоставление результатов определения зон зарождения лавин с материалами Швейцарского института снеголавинных исследований показало, что в большинстве случаев зоны зарождения лавин были выделены верно.

Пользовательское расширение АтсвК было апробировано в Хибинах (рис. 4). В рассматриваемом горном районе достаточно хорошо были выделены лавинные очаги,

расположенные в карах. Очаги, расположенные в эрозионных врезах и денудационных воронках выделились хуже. Тем не менее, результаты апробации скрипта «Определение границ лавинных очагов» в Хибинах показали, что он может быть уже сейчас использован при выделении лавинных рис. 4. Лавинные очаги в бассейне р. очагов в малоисследованных горных Малая Белая (Хибины), выделенные с районах в качестве вспомогательного применением пользовательского

инструмента. расширения АгсС15.

Ведущими климатическими

факторами лавинообразования, определяющими характер перемещения снежных лавин по склону, служат толщина, температура и тип снега, наличие в нем свободной воды, строение снежной толщи, состояние старого снега, формы микрорельефа снежной поверхности. В настоящее время при проведении расчетов динамических характеристик снежных лавин, как правило, применяются модели и расчетные методы, которые не учитывают температурный режим и строение снежной толщи, образовавшей лавину, а также распределение высоты снега в зоне зарождения и на пути ее движения, а учитывают лишь осредненную толщину оторвавшегося пласта снега. Установлено, что учет влияния ведущих климатических факторов лавинообразования, а также типов растительности на результаты расчетов динамических характеристик снежных лавин (для рассмотренных выше теоретических моделей) может быть осуществлен путем изменения значений входящих в формулы коэффициентов трения на основе поиска зависимостей для конкретных горных регионов и их аналогов.

Глава 4. ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СНЕЖНЫХ

ЛАВИН

В четвертой главе приводится расчет динамических характеристик снежных лавин для двух горных районов (Хибин и Приэльбрусья). Выполнены: (1) расчет максимальной дальности выброса лавин из лавиносбора с использованием всех рассмотренных в работе математических моделей и эмпирических методов, необходимый для определения границ лавиноопасного участка; расчет максимальной скорости движения и силы удара лавины в определенной точке ее пути; (2) расчеты динамических характеристик лавины при известных условиях лавинообразования с применением двумерной модели движения лавин RAMMS; (3) обратные расчеты динамических характеристик и коэффициентов трения для уже зарегистрированных лавин с использованием разных математических моделей. Также в четвертой главе рассмотрены: алгоритм оценки обеспеченности дальности выброса снежных лавин при ограниченном ряде наблюдений; результаты верификации двумерной модели движения лавин RAMMS в России.

Расчеты динамических характеристик лавин в ключевых лавиносборах выполнялись с использованием: графоаналитического метода С.М. Козика [Козик, 1962]; модели, предложенной в ВСН 02-73; по двум моделям, наиболее часто применяемым зарубежными исследователями - гидравлической модели Вельми-Зальма [Salm, 2004] и модели Перла-Ченга-МакКланга [Perla, Cheng, McClung, 1980]; а также с использованием программы RAMMS [Christen, Bartelt, Kowalski, 2010]. Расчеты максимальной дальности выброса и объема лавин были выполнены на основе наиболее известных отечественных эмпирических методов [Аккуратов, 1961; Аккуратов, Нечаев, 1963; Золотарев, 1980; Благовещенский, 1973; Северский, 1978; Эбралидзе, 1990; Шныпарков, 1998 и др.].

Результаты расчетов дальности выброса в Хибинах с использованием графоаналитического метода С.М. Козика (минимальный коэффициент эффективного трения равен 0,3) во всех ключевых лавиносборах оказались завышены по отношению к фактическим многолетним значениям. Результаты расчетов дальности выброса непылевидных лавин с использованием предложенного в ВСН 02-73 традиционного значения коэффициента трения, равного для гладких поверхностей 0,25, оказались занижены по отношению к фактическим многолетним значениям для четырех из семи рассматриваемых лавиносборов.

Значения д&чьности выброса лавин из одного лавиносбора, рассчитанные на основе разных эмпирических методов, могут различаться более чем в два раза (рис.5).

Расчетные значения в каждом из исследуемых районов, полученные с использованием различных методов, ранжируются определенным образом. Наименьшие расчетные значения максимальной дальности выброса получены с применением метода В.П. Благовещенского [1973], разработанного с использованием данных по Западному Кавказу и основанного на зависимости

максимальной дальности выброса от площади лавинного очага, среднего угла наклона лавинного очага, среднего угла наклона зоны транзита.

Рис. 5. Пример результатов расчетов предельной дальности выброса лавин с использованием эмпирических методов а максимальная фактическая дальность за многолетний период. Цвет стрелочек соответствует методам, перечисленным в таблице №1.

Таблица №1 Авторы эмпирических зависимостей

Макс, фактическая дальность выброса

Эбралидзе, 1990

Аккуратов, 1961

Северский*, 1978

Северский, 1978

Москалев, Ефимов, 1972

Залиханов, Рунич 1978

Золотарев, 1980

Благовещенский* * ,1973

Благовещенский, 1973

Автором предложены две зависимости: *от разных показателей ** от разных показателей для двух районов

Во всех ключевых лавиносборах Хибин расчетные дальности выброса значительно меньше фактически достигнутых. Наибольшие значения максимальной дальности выброса лавин получены с использованием расчетных методов, в основе которых лежит учет объема и массы снежных лавин [Аккуратов, 1961; Северский, 1968]. Они значительно превышают реально достигнутые за многолетний период значения. Это объяснимо, так как для расчетов по данным методам были использованы максимально возможный расчетный объем и масса, завышенные по отношению к фактически достигнутым значениям более чем в два раза во всех рассматриваемых лавиносборах. Для крупных лавинных очагов вероятность разгрузки всей площади очень мала, тем не менее, пренебрегать такой возможностью нельзя. В качестве примера можно привести рекордную по объему (1100000 м3) для Хибин лавину, которая сошла в феврале 1971 года со склона площадью 75 га [Аккуратов, 1974].

На примере Приэльбрусья рассмотрены особенности моделирования и расчета динамических характеристик особо крупных лавин, границы которых получены по данным фактических наблюдений или разновременным космическим и фотоснимкам (рис. 6). Для решения задачи по материалам съемок составлены ортофотопланы с использованием ЦМР.

Для лавиносборов №9 и №10 (северный склон горы Чегет) Е.А. Золотаревым [1981] была проведена фототеодолитная съемка на следующий день после схода одной из самых больших лавин (рис. 6), зарегистрированных в Приэльбрусье в 1973 году. Объем лавины составил 2,1 млн м3. С учетом

вероятного пути лавины в случае отсутствия преграды, ее общий путь от линии отрыва до точки остановки составляет 3450-3500 м [Золотарев, 1981]. Дальность выброса,

рассчитанная С.М. Козика коэффициент трения

лавиносборов составила Согласно

по методике (минимальный эффективного 0,3), для № 9 и 10 более 3500 м. расчетам, при

Рис б. Долина реки Баксан (фотоснимок конца 40-х -начала 50-х годов XX века). Красными овалами показаны участки, которые в настоящее время застроены (поселки Азау, Терскол и Чегет). Снимок предоставлен Созаевым С.Х.

использовании

рекомендованного в ВСН коэффициента трения лавина останавливается, не дойдя до противоположного борта долины 50-80 м в зависимости от положения профиля, по которому проводились

расчеты. Максимальная расчетная скорость по ВСН 02-73 в таком случае составила 56 м/с. На самом деле, лавина 1973 года перекрыла долину и ударилась о противоположный борт, который и послужил орографически обусловленным пределом дальности выброса. При изменении коэффициента трения и использовании значения 0,23, лавина останавливается у подножия противоположного склона долины, ее максимальная скорость достигает 58 м/с. Близкие значения по отношению к фактической дальности выброса лавины 1973 г. были получены с использованием формул И.В. Северского (учитывающей потенциальную энергию лавины) и З.Н. Эбралидзе (учитывающей сразу три показателя: площадь и угол наклона лавинного очага, а также высоту снежного покрова в нем).

Для «Когутайской лавины», угрожающей поселку Чегет, дальность выброса, «близкая» к границе леса на фотоснимке (рис.6) конца 40-х - начала 50-х годов XX века, наиболее точно описывается уравнением Е.А.Золотарева. С использованием рекомендованного в ВСН 02-73 коэффициента трения лавина не дошла до границы леса. Для воссоздания дальности выброса на границе леса (полученной по фотоснимку рис. 4) по формулам ВСН 02-73 был использован коэффициент трения, равный 0,21.

Для «Шанхайской лавины», угрожающей поселку Терскол, дальность выброса, «близкая» к границе леса на фотоснимке (рис. 6), также наиболее точно описывается уравнением Е.А.Золотарева. С использованием рекомендованного в ВСН 02-73 коэффициента трения лавина не дошла до границы леса 100 м. Для достижения границы леса по формулам ВСН 02-73 был использован коэффициент трения, равный 0,19.

Для лавиносбора №40, угрожающего поселку Азау, границы, рассчитанные с учетом рекомендаций ранее действующих нормативных документов (СН 517-80 и ВСН 02-73) не достигли границы леса на фотоснимке (рис. 6). Для достижения границы леса по формулам ВСН 02-73 был использован коэффициент, равный 0,22.

Ни один из методов не дает полного совпадения фактических (по данным о границе леса) дальностей выброса с расчетными. Все возможные лавины вписываются в границы, рассчитанные по методикам С.М.Козика и Е.А.Золотарева. Можно предположить, что в лавиносборах возможны лавины с еще большей дальностью выброса. Фактические лавины с максимальной дальностью выброса описываются моделью, заложенной в ВСН 02-73, с использованием коэффициентов трения, равных 0,19 - 0,23. В связи с тем, что все рассмотренные выше расчетные методы являются одномерными, они не позволяют получить представление о боковых границах распространения лавин, что является непреодолимым недостатком при моделировании особо крупных лавин. Также они никак не учитывают влияние лесной растительности на динамику лавин.

В связи с тем, что расчетные значения дальности выброса в каждом из районов исследования ранжируются определенным образом, а используемые для их получения методы учитывают различные морфометрические параметры лавинных очагов и лавиносборов, сделан вывод, что на достижение различных значений дальности выброса лавин в отдельных горных регионах влияют характерные для этих регионов значения морфометрических параметров лавиносборов, которые определяют их обеспеченность. На основании полученного вывода предложен новый алгоритм оценки обеспеченности дальности выброса лавин (на примере Хибин). Из двух показателей дальности выброса - длины пути и коэффициента эффективного трения - последний (г) больше отвечает нормальному распределению [Мягков, 1967; Иткин, 1970; Благовещенский, 1991]. По фактическим данным для ключевых лавиносборов Хибин построены эмпирические кривые распределения Иг. Для каждого ряда рассчитывались среднее значение Mr, коэффициенты асимметрии Cs и вариации Cv. В качестве средства формализации для сглаживания, интерполяции и экстраполяции эмпирических кривых распределения до искомых значений ежегодных вероятностей превышения коэффициента эффективного трения были использованы аналитические кривые распределения. Это позволило продлить сглаживающие кривые, построенные по эмпирическим точкам, до значения обеспеченности 0,1, соответствующего периоду повторяемости один раз в 1000 событий. Установлено, что в лавиносборах с близкими по значениям морфометрическими характеристиками, одна из основных статистических характеристик (отношение Cs/Cv), определяющая вид аналитической кривой распределения, имеет близкие значения. Для обоснования использования кривых обеспеченности, полученных по данным одного из лавиносборов в лавиносборах, не имеющих статистических данных сходов лавин, все лавиносборы были классифицированы по их морфометрическим

характеристикам. Схожие лавииосборы выявлялись с применением кластерного анализа. Была использована база данных, содержащая основные морфометрические характеристики более чем 300 лавиносборов Хибин, составленная М.А. Викулиной [2009]. В основу гипотезы относительно числа кластеров положена морфологическая классификация Г.К. Тушинского [1949], содержащая без учета прыгающих лавин четыре основных морфологических типа лавиносборов. Таким образом, методом К-средних выделено 4 кластера. В качестве переменных предложены морфометрические характеристики (площадь лавинного очага, средний угол наклона и превышение лавиносбора), используемые в эмпирических методах расчета дальности выброса лавин. Результаты кластеризации показали, что лавиносборы, как правило, распределились по классам согласно морфологическим типам. Средние значения морфометрических показателей в пределах каждого кластера представлены в таблице №2.

Таблица № 2.

Номер кластера Площадь Средний угол Превышение

лавинного наклона лавиносбора,

очага, га. лавиносбора, м.

град.

1 6 27 318

2 28 25 441

3 2 30 141

4 3 35 399

В результате выполненных расчетов, с учетом определенных допущений, сделан вывод, что в Хибинах можно использовать оба метода И.В. Северского и метод В.Н. Аккуратова для расчета дальности выброса лавин с обеспеченностью <0,1% (при толщине снега 1% обеспеченности, используемой для расчетов входящих в формулы показателей). Для лавиносбора № 43 (гора Кукис) и его аналогов в Хибинах в расчетных формулах скорости и дальности выброса лавин по ВСН 02-73 с обеспеченностью 0,1% может применяться коэффициент трения 0,2, а с обеспеченностью 1% - 0,23. Расчет по формуле Е.А.Золотарева возможен для оценки дальности выброса лавин в лавиносборах №13-14 и 16-17 и №43 (а также их аналогов) с обеспеченностью 0,1%, а в лавиносборе №2 (и его аналогах) с обеспеченностью 1,25.

По данным фактических наблюдений в Хибинах и Приэльбрусье выполнена верификация программы моделирования лавин ЯАММЯ (ЯЬР, Швейцария), в основе которой лежит двумерная модель, разработанная на основе модели Вельми-Зальма. Для выполнения верификации привлечен весь массив географически привязанной базы данных лавин, начиная с 1960-х годов, представленный в виде раздела ГИС «Снежные лавины». Все необходимые для моделирования исходные параметры заданы по фактическим данным, за исключением коэффициентов трения (ц - сухое трение, безразмерный; С -турбулентное или вязкое трение, м/с2), которые зависят от целого ряда показателей (объема лавины, периода повторяемости, абсолютной высота над

уровнем моря, морфологии лавиносбора). Для Швейцарских Альп значения коэффициентов трения задаются в зависимости от абсолютной высоты для трех высотных уровней (ниже 1000 м над у.м.; 1000 - 1500 м над у.м.; выше 1500 м над у.м.), что обусловлено изменением свойств снега в зависимости от температурных условий, изменяемых с высотой.

В Хибинах, анализируя предложенные для Швейцарии значения коэффициентов ц и последовательно выполнялось моделирование лавин в ключевых лавиносборах. Особенность настоящей работы определяется тем, что производилось моделирование лавин самого разного объема - от 1000 м3 и до 120 000 м3, что представляет интерес, как с точки зрения верификации программы в условиях Хибин, так и оценки точности программы для моделирования лавин небольших объемов. К настоящему времени в Хибинах получены результаты по 43 лавинам, для каждой из которых выполнен анализ влияния условий формирования на ее динамику. Анализ факторов лавинообразования, выполненный в главе №2, показал, что средняя температура воздуха самого холодного месяца на высоте расположения лавинных очагов в Швейцарских Альпах и Хибинах близка (около -13°С). В рассматриваемых районах преобладают лавины из снежных досок. Поскольку в формировании таких лавин решающую роль играют рыхлые прослойки [Болов, 1980], в лавинообразовании, как правило, участвует верхний слой (до 150-200 см) независимо от общей толщины снежного покрова. Результаты работы, подкрепленные теоретическим обоснованием, показали, что для моделирования лавин заданной повторяемости в Хибинах в программе RAMMS возможно использование значений коэффициентов трения (¡J и Q, предложенных для Швейцарских Альп, из интервала значений

абсолютных высот более 1500 м над уровнем моря.

В Приэльбрусье

программа RAMMS

применялась для

моделирования особо

крупных лавин. В качестве эталона, выполнено

моделирование особо

крупной лавины (рис. 7 и 9) 1973 года. Зона зарождения лавины (70 га) и средняя толщина снега на линии отрывы (3 м) были заданы в RAMMS по данным фактических наблюдений. Анализ всех доступных материалов позволил сделать вывод о том, что период

Рис. 7. Контур особо крупной лавины 1973 года (синий пунктир — по данным фототеодолитной съемки Е.А. Золотарева; красный пунктир - смоделированный в ЯАММ8), представленный на космическом снимке.

повторяемости лавины 1973 г. соответствует одному разу в 300 лет. Для моделирования использованы значения коэффициентов трения (ц и рекомендованные для Швейцарии и рассчитанные с использованием алгоритма, предложенного в программе. При моделировании лавины учтена лесная растительность, граница которой задана по космическому снимку. В результате, в программе удалось воссоздать дальность выброса лавины 1973 года, в то же время контур лавинных отложений воссоздан не полностью (рис.7). Предпринято несколько попыток (более 10) моделирования лавины с другими значениями коэффициентов трения, но лучшего результата получить не удалось. Максимальные динамические характеристики по данным расчетов в ЫАММ8 составили: скорость - 84 м/с; высота потока -41м; сила удара — 2826 кПа; объем - 2164 ООО м3. Сделан вывод о том, что для моделирования особо крупных лавин в программе ЯАММЗ в Приэльбрусье возможно использование коэффициентов трения для определенных диапазонов высот, предложенных для Швейцарии, без изменений.

Для проверки полученного вывода на независимом материале, выполнено моделирование «Шанхайской» лавины, угрожающей поселку Терскол в границах, воссозданных по фотоснимку (рис. 6). Площадь зоны зарождения была задана вручную, толщина отрыва снега (равная 4 м) - по рекомендации лавинного эксперта С.Х. Созаева. При моделировании лавины учтена лесная растительность, граница которой задана с использованием современного космического снимка (за 2009 г.). В результате, в программе ЯАММ8 с использование рекомендованных для

Швейцарских Альп значений коэффициентов трения

реконструирована лавина,

которая могла образовать лесной прочес, видимый на фотоснимке (рис. 6 и 8).

При этом контур смоделированной лавины очень близко повторяет контур лесного прочеса на фотоснимке. Отклонения смоделированных границ действия лавины от видимых на снимке не превысили 50 м. Максимальные

динамические характеристики------

смоделированной лавины

составили: скорость — 80 м/с; сила удара - 2561 кПа; высота потока -29 м. Расчетный объем лавины составил - 1 000 200 м3.

Рис. 8. Ортофотоплан, полученный по фотоснимку (рис. 6). Красным пунктиром показана граница «Шанхайской» лавины, смоделированная в ЯАММ5.

Рис. 9. Пример визуализации результатов моделирования (лавина 1973 года в Приэльбрусье) в ЯАММЗ. Максимальная скорость лавины (м/с) на каждом участке поверхности, представленная на 3-Й визуализации лавиносборов №9 и 10.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В работе произведен сравнительный анализ методов оценки динамических характеристик снежных лавин, который показал, что

ландшафтно-географический метод оценки динамических характеристик снежных лавин занижает дальности выброса особо крупных лавин;

- модели гидравлического типа по сравнению с моделями материальной точки отражают характер перемещения лавины по склону и позволяют более точно оценить значения динамических характеристик лавин;

- несмотря на разнообразие методов оценки динамических характеристик снежных лавин, они не позволяют выполнять расчеты с необходимой точностью.

2. Разработана структура и создана ГИС «Снежные лавины», отличительной особенностью которой стала информационная основа самого высокого разрешения, доступного на сегодняшний день для двух районов исследования — Хибин и Приэльбрусья. Информационную основу ГИС составили представленные в цифровом виде карты, разновременные аэрофото-и космические снимки, материалы наземных наблюдений, обеспеченные координатной привязкой. В состав ГИС «Снежные лавины» впервые в нашей стране вошла географически привязанная база данных сошедших лавин (более 50 лет наблюдений), включающая параметры и условия их схода. В настоящее время ГИС включает в себя картографическую и атрибутивные базы данных более чем для 20 лавиносборов Хибин и 20 лавиносборов Приэльбрусья. Географически привязанная база данных сошедших лавин содержит сведения о более чем 170 лавинах.

3. Анализ влияния факторов лавинообразования на расчет динамических характеристик снежных лавин показал, что:

- современные методы расчета динамических характеристик лавин учитывают в первую очередь влияние на них рельефа;

- влияние ведущих климатических факторов лавинообразования и типов растительности на результаты расчетов динамических характеристик снежных лавин (для рассмотренных выше теоретических моделей) необходимо учесть путем изменения значений входящих в формулы коэффициентов трения на основе поиска зависимостей для конкретных горных регионов и их аналогов.

4. Предложены и успешно апробированы алгоритм, и созданный на его основе скрипт «Определение границ лавинных очагов» на языке Python (на базе ArcGIS) для автоматизированного выделения лавинных очагов. В основе работы скрипта лежит анализ морфометрических характеристик с использованием ЦМР и сравнение их с критериями, полученными в результате статистической обработки данных фактических наблюдений. Результаты апробации скрипта «Определение границ лавинных очагов» в Хибинах показали, что он может быть уже сейчас использован при выделении лавинных очагов в малоисследованных горных районах в качестве вспомогательного инструмента.

5. В работе доказано, что методы, представленные в ранее действовавших нормативных документах [ВСН 02-73; СН 517-80] и широко используемые при расчетах дальности выброса лавин в настоящее время, занижают ее в исследуемых районах и не могут быть рекомендованы для решения практических задач без проведения дополнительных исследования в конкретных районах.

6. Выполнена оценка предельной дальности выброса лавин с использованием различных эмпирических зависимостей (на примере Хибин). Результаты показали, что значения дальности выброса лавин из одного лавиносбора, полученные с использованием разных эмпирических методов, могут различаться более чем в два раза.

7. Предложена методика (на примере Хибин) оценки обеспеченности дальности выброса снежных лавин при ограниченном ряде наблюдений, которая основывается на построении эмпирических кривых обеспеченности коэффициента эффективного трения. В качестве средства формализации для сглаживания, интерполяции и экстраполяции эмпирических кривых распределения до искомых значений ежегодных вероятностей превышения коэффициента эффективного трения использованы аналитические кривые распределения. Предложен подход по определению основных статистических параметров, необходимых для построения аналитических кривых распределения, в зависимости от морфометрических характеристик лавиносборов. Для выявления схожих по морфометрии лавиносборов использован кластерный анализ - классифицированы морфометрические характеристики более 300 лавиносборов. Методом К-средних выделено четыре кластера, лавиносборы в которых распределились согласно их морфологическим типам.

8. Применение методики оценки обеспеченности дальности выброса лавин показало, что в Хибинах можно использовать оба метода И.В. Северского и метод В.Н. Аккуратова (при толщине снега 1% обеспеченности, используемой для расчетов входящих в формулы показателей) для расчета дальности выброса лавин с обеспеченностью <0,1% (менее 1 из 1000 событий). Расчет по формуле Е.А.Золотарева возможен для оценки дальности выброса лавин в лавиносборах №13-14 и 16-17 и №43 (а также их аналогов) с обеспеченностью 0,1%, а в лавиносборе №2 (и его аналогах) с обеспеченностью 1,25. Для лавиносбора № 43 и его аналогов в Хибинах в расчетных формулах скорости и дальности выброса лавин по ВСН 02-73 с обеспеченностью 0,1% может применяться коэффициент трения 0,2, а с обеспеченностью 1% - 0,23.

9. Впервые в России выполнена верификация программы моделирования снежных лавин RAMMS. Для моделирования лавин в Хибинах (модель Вельми-Зальма) рекомендовано использование коэффициентов трения (ц и Q, предложенных для Швейцарских Альп, из интервала значений абсолютных высот более 1500 м над уровнем моря. Для моделирования особо крупных лавин в Приэльбрусье (модель Вельми-Зальма) могут быть использованы значения коэффициентов, предложенные в RAMMS для Швейцарии без изменений.

Публикации по теме диссертации в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Турчанинова A.C. Сравнительный анализ методик расчета динамических параметров снежных лавин при проведении инженерных изысканий. //Геориск. №2, 2012, с.32-36.

2. Седова* A.C. Селиверстов Ю.Г., Тумасьева В.А., Клименко Е.С., Воронина Е.А. Цифровая модель рельефа как основа для исследования снежных лавин. //Лед и Снег. № 2 (110), 2010, с.25-28.

Статьи в других изданиях:

3. Седова A.C. Оценка в среде ГИС лавинной опасности для выбора противолавинных мероприятий (на примере Хибин). //Инженерная Геология. №6, 2007, с.48-49.

4. Седова A.C. Противолавинные мероприятия на горнолыжных комплексах (на примере Хибин). //Сборник статей победителей секции «География» XIV Международной молодежной научной конференции «Ломоносов-2007». Москва, 2007, с.96-101.

5. Glazovskaya T., Gavrilova S., Evteev D., Sedova A., Seliverstov Y., Tumasjeva V. Geoinformation technologies for snow avalanches studying. Well-known technologies in new interpretation. //International symposium on snow science. Moscow, Russia, 2007, p.81.

6. Седова A.C. К вопросу об оценке дальности выброса лавин при проведении изысканий в горах. //Материалы научно-практической конференции молодых специалистов «Инженерные изыскания в строительстве», 2008. Москва, 2009, с. 108-109.

7. Седова A.C. Расчет параметров лавинной активности с использование геоинформационных технологий. //Материалы Международной научной конференции «Гляциология в начале XXI века». Москва, Университетская книга, 2009, с.230-234.

8. Седова A.C. Определение параметров снежных лавин при проведении изысканий в горах. //Материалы V Всероссийской конференции изыскательских организаций «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации», 2009. Москва, 2010, с.158-160.

9. Турчанинова A.C. Выявление зон зарождения и расчет объемов снежных лавин. //Материалы VI Всероссийской конференции изыскательских организаций «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации», 2010. Москва, 2011, с.149-150.

Ю.Турчанинова A.C. К вопросу определения динамических параметров снежных лавин. //Материалы VII научно-практической конференции молодых специалистов «Инженерные изыскания в строительстве». Москва, 2011, с.198-201.

П.Турчанинова A.C. Влияние региональных природных особенностей на расчет параметров лавин. //Тезисы докладов XV Международного гляциологического симпозиума «Лед и снег в климатической системе». Казань, 2010, с.83.

12.Турчанинова A.C. Региональная составляющая при расчетах динамических параметров снежных лавин. //Тезисы докладов IV Международной конференции «Лавины и смежные вопросы». Кировск, 2011, с.80.

1 З.Турчанинова A.C. Сравнительный анализ методов расчета динамических параметров снежных лавин (на примере Хибин). //Доклады и выступления XI научно-практической конференции «Проблемы прогнозирование чрезвычайных ситуаций». Центр «Антистихия». Москва, 2012, с. 197-204.

14.Turchaninova A. Application of statistical and dynamics models for snow avalanche hazard assessment in mountain regions of Russia. EGU General Assembly 2012. Geophysical Research Abstracts. Vol. 14, EGU2012-7004, 2012.

15.Селиверстов Ю.Г., Созаев C.X., Харьковец Е.Г., Турчанинова A.C., Глазовская Т.Г., Клименко Е.С. Реконструкция лавинной деятельности в Приэльбрусье с использованием ортофотоплана и цифровой модели рельефа. //Материалы XV гляциологического симпозиума «Современная изменчивость криосферы Земли». Архангельск, 2012, с. 28.

16.Селиверстов Ю.Г., Созаев С.Х., Харьковец Е.Г., Турчанинова A.C., Глазовская Т.Г., Клименко Е.С. Моделирование катастрофических лавин в Приэльбрусье. //Сборник материалов XII научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций». Центр «Антистихия». Москва, 2012, с.103-104.

17. Селиверстов Ю.Г., Харьковец Е.Г., Турчанинова A.C., Глазовская Т.Г., Клименко Е.С., Созаев С.Х. Реконструкция особо крупных лавин. //Материалы VIII Общероссийской конференции изыскательских

организаций «Инженерные изыскания в строительстве», 2012. Москва, 2012, с. 187.

18.Турчанинова A.C. Региональная составляющая при расчетах динамических параметров снежных лавин. //Материалы гляциологических исследований. Вып. 1,2012, с.51-56.

*Девичья фамилия автора.

Подписано в печать 23.10.13 Формат А5 Объём 1 п.л. Тираж 120 экз. Заказ № 12353 Типография ООО "Ай-клуб" (Печатный салон МДМ) 119146, г. Москва, Комсомольский пр-т, д.28 Тел. 8(495)782-88-39

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Турчанинова, Алла Сергеевна, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

04201364949

Турчанинова Алла Сергеевна

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗОН ЗАРОЖДЕНИЯ И ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СНЕЖНЫХ ЛАВИН

25.00.31 - гляциология и криология Земли

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата географических наук

научный руководитель: кандидат географических наук, Т.Г.Глазовская консультант: Ю.Г. Селиверстов

Москва-2013

ВВЕДЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СНЕЖНЫХ ЛАВИН.............................................................................................8

1.1. Анализ состояния вопроса..........................................................................................8

1.2. Ландшафтно-географический метод.....................................................................10

1.3. Теоретическое моделирование движения лавинного потока.......................................12

1.3.1. Графоаналитический метод С.М. Козика..........................................................13

1.3.2.Модель Перла-Ченга-МакКланга...........................................................................15

1.3.3. Расчет динамических характеристик снежных лавин по ВСН 02 -73..............................15

1.3.4. Модель А. Вельми и дополненная модель Вельми-Зальма-Гублера........................16

1.4. Современные программные средства моделирования снежных лавин..................................18

1.4.1. Программа ЯАММЭ..........................................................................................19

1.5. Эмпирические методы расчета динамических характеристик снежных лавин..................24

1.5.1. Объем......................................................................................................24

1.5.2. Дальность выброса.....................................................................................26

1.5.3. Высота лавинного потока и сила удара............................................................28

1.6. Методы, использованные в работе..............................................................................30

1.7. Выводы.........................................................................................................30

ГЛАВА 2 АНАЛИЗ ФАКТОРОВ ЛАВИНООБРАЗОВАНИЯ И ОБРАБОТКА ДАННЫХ ФАКТИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ ПО ЛАВИНАМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИС.........32

2.1. Районы исследования.......................................................................................32

2.2. Анализ факторов лавинообразования районов исследования.......................................33

2.2.1. Рельеф...........................................................................................................33

2.2.2. Климат....................................................................................................36

2.2.3. Растительность..........................................................................................40

2.4. Особенности лавинообразования.........................................................................41

2.5. Ключевые лавиносборы.....................................................................................45

2.6. Обзор и приемы обработки многолетних данных фактических наблюдений по лавинам....49 2.6.1. Разработка структуры и создание ГИС «Снежные лавины»...................................50

2.7. Выводы................................................................................................................54

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ ЛАВИНООБРАЗОВАНИЯ НА РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СНЕЖНЫХ ЛАВИН....................................57

3.1. Влияние рельефа.............................................................................................57

3.1.1. Выделение лавинных очагов и лавиносборов....................................................59

3.1.2. Оценка морфометрических показателей рельефа................................................62

3.1.3. Создание пользовательского расширения Агсв^ 9.3 для автоматизированного выделения лавинных очагов и оценки морфометрических показателей рельефа....................64

3.2. Влияние климата.............................................................................................75

3.2.1. Расчет толщины снежного покрова.......................................................................75

3.3. Влияние растительности....................................................................................76

3.4. Выводы.........................................................................................................77

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СНЕЖНЫХ ЛАВИН..........79

4.1. Нормативные документы, регламентирующие проведение снеголавинных расчетов.........79

4.2. Методические аспекты выполнения расчетов.................................................................81

4.3. Расчет динамических характеристик снежных лавин.......................................................82

4.3.1. Хибины..........................................................................................................82

4.3.2. Приэльбрусье............................................................................................98

4.4. Обеспеченность значений динамических характеристик снежных лавин......................105

4.4.1. Алгоритм оценки обеспеченности дальности выброса снежных лавин...................106

4.5. Верификация программы 11АММ5 по данным многолетних наблюдений России............113

4.6. Выводы........................................................................................................127

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................128

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................................131

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................................................143

ВВЕДЕНИЕ

Безопасность людей и экономическая эффективность хозяйственных объектов в горах во многом зависят от правильного решения вопросов, связанных с определением зон зарождения и оценкой динамических характеристик снежных лавин, таких как объем, скорость, дальность выброса, сила удара и высота лавинного потока. Признаки лавинной активности, выраженные в ландшафте, не всегда определяют границы возможных лавин и позволяют оценить значения их динамических характеристик. Были зарегистрированы случаи схода особо крупных лавин редкой обеспеченности по объему и дальности выброса, не имевшие аналогов в обозримом прошлом - Блейе (Норвегия), Флатеири (Исландия), Гальтюре (Австрия) [186]. В связи с этим особенно актуальной является оценка вероятных динамических характеристик снежных лавин редкой повторяемости с использованием расчетных методов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

3. Выполнить анализ влияния факторов лавинообразования на расчет динамических характеристик снежных лавин.

4. Разработать пользовательское расширение АгсС15 9.3, позволяющее автоматизировать процесс выделения лавинных очагов на основе анализа рельефа.

5. Разработать методику оценки обеспеченности дальности выброса снежных лавин.

7. Выполнить верификацию двумерной модели движения лавин RAMMS в России.

Использованные материалы и личный вклад автора. При выполнении работы были

использованы следующие материалы: многолетние ряды наблюдений за лавинами в районе г. Кировска Центра Лавинной Безопасности (ЦЛБ) ОАО «Апатит» (более 50 лет); материалы отчетов Швейцарского института снеголавинных исследований за 1962-1998 гг. (36 лет); отчеты о работах НИЛ снежных лавин и селей географического факультета МГУ в Приэльбрусье в 70 - 80-е годы XX века; топографические карты районов исследования масштабов 1:5000 и 1:25000; фактические сведения о лавинной активности районов исследования, опубликованные в виде статей и карт; данные, собранные автором во время зимних и летних полевых работ; разновременные данные дистанционного зондирования Земли (ДЦЗЗ).

Автором выполнены полевые стационарные и маршрутные исследования лавиносборов, снежного покрова и снежных лавин в Хибинах, Приэльбрусье и Швейцарских Альпах в период с 2007 по 2012 гг., которые включали регистрацию и описание снежных лавин, описание стратиграфии снежного покрова, снегомерные работы, а также исследования признаков лавинной активности с использованием ландшафтно-географического метода. В зимний сезон 2009 г. автор принимал участие в экспериментах по натурному моделированию снежных лавин на экспериментальной площадке Вайсфлуйох (Швейцария). В камеральных условиях выполнялось дешифрирование ДДЗЗ. Автор самостоятельно провел сбор, систематизацию и анализ многолетних данных фактических наблюдений за лавинами, картографических материалов, а также их географическую привязку, что позволило разработать структуру и создать ГИС «Снежные лавины». Разработано и апробировано пользовательское расширение ArcGIS для автоматизированного выделения лавинных очагов; выполнены расчеты динамических характеристик снежных лавин с использованием различных методов в Хибинах и Приэльбрусье, предложена новая методика оценки обеспеченности дальности выброса снежных лавин (на примере Хибин) при ограниченном ряде наблюдений; впервые в России выполнена верификация (по данным о лавинах Хибин и Приэльбрусья) двумерной модели движения снежных лавин RAMMS.

Методика исследования включала полевые работы и комплекс камеральных методов. В процессе работы широко применялись методы геоинформационного картографирования, моделирования, статистический анализ, дешифрирование ДДЗЗ. Обработка и анализ и итоговое представление данных выполнялись в пакете ArcGIS 9.3 (ESRI Inc., США). Моделирование лавин выполнялось с использованием программы RAMMS (SLF, Швейцария).

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые в России создана географически привязанная электронная база данных сошедших снежных лавин в Хибинах и Приэльбрусье (более 50 лет наблюдений) в крупном масштабе (1: 5000), включающая параметры и условия их схода, представленная в виде раздела ГИС «Снежные лавины».

2. Разработано пользовательское расширение АгсОГБ 9.3, позволяющее автоматизировать процесс выделения лавинных очагов, исходя из морфометрических характеристик склонов.

5. Впервые в России выполнена верификация двумерной модели движения снежных лавин НАММв.

Защищаемые положения:

3. При моделировании движения снежных лавин в Хибинах (абсолютные высоты менее 1200 м над уровнем моря) с применением модели ЛАММв необходимо использование коэффициентов трения (ц (-) и С, (м/с2)), соответствующих в Швейцарских Альпах высотному диапазону выше 1500 м. При моделировании особо крупных лавин в Приэльбрусье, образующихся в различных диапазонах высот, должны использоваться значения коэффициентов, используемых в Швейцарских Альпах для лавин в аналогичных диапазонах.

4. Использование модели ЯАММЗ позволяет реконструировать ранее сошедшие лавины и определить их динамические характеристики, информация о которых отсутствует.

Апробация результатов исследований. Результаты исследований докладывались на Российских и Международных симпозиумах, конференциях и заседаниях: XIV

Гляциологическом симпозиуме «Гляциология от Международного геофизического года до Международного полярного года» (Иркутск, 2008); научно-практических конференциях молодых специалистов «Инженерные изыскания в строительстве» (Москва, 2007, 2008, 2011); международной научной конференции «Гляциология в начале XXI века» (Москва, 2009); на Общероссийских конференциях изыскательских организаций "Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации" (Москва, 2009, 2010, 2011 и 2012); XV Международном гляциологическом симпозиуме «Лед и снег в климатической системе» (Казань, 2010); IV Международной конференции «Лавины и смежные вопросы» (Кировск, 2011); XI Научно-практической конференция "Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций" (Москва, 2011 и 2012); заседании Европейского Геофизического Общества Генеральной Ассамблеи (Вена, 2012); XV Гляциологическом симпозиуме «Современная изменчивость криосферы Земли» (Архангельск, 2012). По теме диссертации опубликовано 18 научных работ. Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, были использованы в отчетах проекта «Ведущий ученый» (Договор № 11.G.34.31.0007) по теме «Оценка природного риска в прибрежных зонах», а также в гранте Ученого совета географического факультета МГУ молодым исследователям 2010-2012 гг. по теме «Определение параметров лавин при проведении изысканий в горах».

Работа выполнена под руководством к.г.н. Т.Г. Глазовской, которой автор приносит искреннюю благодарность за внимание и поддержку в ходе выполнения работы, развитие интереса к проведению научных исследований. Автор очень признателен научному консультанту Ю.Г. Селиверстову за всестороннюю помощь на протяжении всех этапов выполнения работы. Автор приносит благодарность П.А. Черноусу, М.А. Викулиной, В.П. Благовещенскому, Е.А. Золотареву, С.Х. Созаеву за предоставленные материалы. Автор признателен В.А. Светлосанову и С.А. Сократову за полезные консультации. Автор искренне благодарен П. Бартелту, М. Кристану и О. Бусеру за возможность пройти стажировки в Институте снеголавинных исследований (Швейцария) и предоставление программы RAMMS для использования в рамках настоящей работы. Автор признателен А.Н. Божинскому, А.Л. Шныпаркову и Е.Г. Мокрову за конструктивные замечания. Автор искренне благодарен Е.С. Клименко, A.A. Алейникову и Е.Г. Харьковцу за помощь в освоении ГИС-программ. Автор благодарит сотрудников Географического факультета МГУ, ЦЛБ, Института снеголавинных исследований SLF за всестороннюю помощь. Особую признательность хочу выразить И.В. Турчанинову за постоянную поддержку в ходе выполнения работы.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

СНЕЖНЫХ ЛАВИН 1.1. Анализ состояния вопроса

Лавиноведение прошло большой путь от инженерной проблемы до разветвленной отрасли гляциологии с ярко выраженным прикладным профилем. Отечественное лавиноведение стало развиваться с 30-х годов XX века. Как отмечено в работе всемирно известного швейцарского исследователя динамики снежных лавин Бруно Зальма [172], лавиноведение как наука зародилось именно в Советском Союзе. Более чем за 80 лет исследований выявлены условия и факторы лавинообразования, описан режим снежных лавин, разработаны математические, физические модели и статистические методы для определения динамических характеристик снежных лавин, предложены методы прогноза, картографирования и защиты от лавин.

Проблема расчета движения лавин возникла, прежде всего, в связи с необходимостью оценки их дальности выброса и силы удара лавинного потока об инженерные сооружения [75]. В связи с разнообразием форм и типов движения снежных лавин были разработаны различные способы их моделирования с целью определения основных динамических характеристик и прогнозирования общего характера их перемещения по склону. В результате сформировалось два основных подхода — физическое моделирование и получение эмпирических зависимостей, основанных на статистическом анализе фактических данных о лавинах.

Основными динамическими характеристиками лавины справедливо считать: скорость переднего фронта и скорость частиц; плотность и геометрические параметры (толщина, ширина, длина) лавинного тела; расстояние от линии (точки) отрыва лавины до места остановки ее фронта (измеренное вдоль пути движения лави

Информация о работе

Турчанинова, Алла Сергеевна
кандидата географических наук
Москва, 2013
ВАК 25.00.31

Диссертация

Определение зон зарождения и оценка динамических характеристик снежных лавин - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы