Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оценка лавинной опасности на равнинных территориях о. Сахалин

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Оценка лавинной опасности на равнинных территориях о. Сахалин"

На правах рукописи

¿V'

БОБРОВА Дарья Андреевна

ОЦЕНКА ЛАВИННОЙ ОПАСНОСТИ НА РАВНИННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ о. САХАЛИН

Специальность 25.00.36 - геоэкология (науки о Земле)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

1 7 АПР 2014

Хабаровск-2014

005547128

005547128

Работа выполнена в ФГБУН Дальневосточный геологический институт Дальневосточного отделения Российской академии наук (лаборатория лавинных и селевых процессов Сахалинского филиала)

Научный руководитель:

Казаков Николай Александрович,

кандидат геолого-минералогических наук, ФГБУН Сахалинский филиал Дальневосточного геологического института ДВО РАН, директор

доктор географических наук, ФГБУН Тихоокеанский институт географии ДВО РАН, заведующий лабораторией

Квашук Сергей Владимирович,

доктор геолого-минералогических наук, Дальневосточный государственный университет путей сообщения, профессор

Официальные оппоненты:

Гарцман Борис Ильич,

Ведущая организация:

ФГБУН Институт географии РАН

Защита состоится 6 июня 2014 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 005.019.01 на базе ФГБУН Институт водных и экологических проблем ДВО РАН по адресу:

680000, г. Хабаровск, ул. Ким Ю Чена, 65.

Факс: (4212) 32-57-55; Е-таП: amur21@ivep.as.khb.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУН Институт водных и экологических проблем ДВО РАН, а также на сайте http://ivep.as.khb.ru.

Автореферат разослан «У-/» апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

Н. А. Рябинин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Лавиноопасными являются около 70% территории о. Сахалин. В лавиноопасной зоне расположено 57 населенных пунктов (из которых 11 городских и 46 сельских поселений), а также более 500 км автомобильных и железных дорог. Более 50% случаев схода лавин на о. Сахалин приходится на лавины генетического класса -лавины нового снега (метелевого и свежевыпавшего). Ущерб от лавин нового снега выражается частыми завалами автомобильных и железных дорог.

Традиционно в лавиноведении лавиноопасными принято считать только горные территории. Так, например, низкие склоны речных террас часто не считают лавиноопасными, и при оценке лавинной опасности эти зоны выделяют как территории, не представляющие угрозы для населения. Тем не менее, в некоторых районах Российской Федерации, в т.ч. на о. Сахалин, на равнинных территориях, отмеченных на картах как нелавиноопасные, были зарегистрированы случаи попадания людей в лавины со склонов относительной высотой всего 5 метров, а также их гибели. Таким образом, можно говорить о том, что лавинные процессы накладывают заметный отпечаток на хозяйственное освоение равнинных территорий.

Под влиянием лавинных процессов происходит изменение природно-территориальных комплексов и возникают природные лавинные комплексы (ПЛК) (Кюль, 2004). Оценка геоэкологических последствий схода снежных лавин заключается в исследовании взаимодействия лавинных процессов с природной средой, а также с хозяйственной деятельностью человека. Данная проблема является малоизученной на равнинных территориях. Одним из аспектов изучения взаимного влияния лавинных процессов с хозяйственной деятельностью является активизация лавинных процессов в связи с деятельностью человека. Например, создание искусственных склонов увеличивает площадную пораженность территории лавинными процессами и затрудняет ведение хозяйства.

Другим важным геоэкологическим аспектом изучения лавинных процессов на территории равнин является определение границ лавиноопасных зон, что позволяет вести хозяйственную деятельность с учетом активности проявления опасных природных процессов, а именно, с учетом формирования снежных лавин.

На низких склонах равнинных территорий чаще всего формируются лавины нового снега. В связи с высокой частотой формирования лавин нового снега на о. Сахалин необходима разработка методики расчета дальности выброса, позволяющая максимально точно определять дальность выброса лавин этого генетического класса. На сегодняшний день существует большое количество моделей, позволяющих оценивать этот параметр. Однако в ряде случаев рассчитанные по этим методикам дальности выброса лавин сильно отличаются от фактических значений. Так. например, полученные расчетные значения дальности выброса лавин нового снега по методике С.М. Козика для низких склонов часто дают сильно завышенные результаты, что делает эту методику для расчёта характеристик таких лавин малоэффективной.

Объектом исследования являются лавинные процессы.

Предмет исследования: лавины нового снега, формирующиеся на склонах высотой более 5 метров, расположенных на равнинных территориях, и определение дальности выброса лавин нового снега.

Цель работы: оценить лавинную опасность равнинных территорий о. Сахалин

Задачи исследования:

• Определить условия формирования и характеристики лавин и лавинного режима на равнинных территориях о. Сахалин.

• Построить карту природных лавинных комплексов равнинных территорий о. Сахалин.

• На основе фактических данных о случаях схода лавин на о.Сахалин определить границу дальности выброса лавин нового снега.

• Определить степень зависимости дальности выброса лавин нового снега от параметров лавины и лавиносбора, используемых в расчетных методиках.

• Разработать методику расчета дальности выброса лавин нового снега.

Фактический материал и методы исследований. В основу диссертации вошли материалы 9-летних полевых работ и стационарных наблюдений, проведенных автором на территории о. Сахалин. В работе использованы архивные и полевые материалы лаборатории лавинных и селевых процессов Сахалинского филиала ФГБУН ДВГИ ДВО РАН, материалы Сахалинского управления по гидрометеорологии и контролю окружающей среды (СахУГМС), архивные материалы AHO НИЦ «Геодинамика».

При сборе и анализе материалов использовались традиционные методы географических исследований. Решение основных задач диссертационной работы основывалось на применении сравнительно-географического, картографического, экспедиционного, стационарного и других методов исследований динамичных природных систем. Для анализа данных многолетних наблюдений за лавинными процессами использованы методы статистического анализа и методы машинного обучения.

Теоретической и методологической основой диссертационного исследования послужили работы отечественных и зарубежных специалистов в области лавиноведения (Тушинский Г.К, Войтковский К.Ф., Казаков H.A., Гофф А.Г., Отген Г.Ф., Божинский А.Н., Лосев К.С., Благовещенский В.П. и др.).

Научная новизна.

1. Установлено, что лавиноопасными являются равнинные территории, где лавины формируются на склонах с относительной высотой от 5.

2. Выделены участки равнинных территорий о. Сахалин, на которых развиты лавинные процессы, и определены характеристики лавин и лавинного режима.

3. Установлено, что лавины на равнинных территориях о. Сахалин сходят со склонов дюн, бугров пучения, просадочных впадин, речных террас.

4. Установлено, что лавиноопасными могут быть искусственно созданные склоны авто- и железнодорожных насыпей, отвалов, выемок, каналов, карьеров и т.д.

5. Предложен новый метод расчета дальности выброса лавин нового снега, построенный на основе статистических данных о сходах лавин нового снега на о. Сахалин. Методика позволяет определять дальность выброса лавин частой повторяемости генетического класса нового снега.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. На о. Сахалин лавинные процессы развиваются на равнинных территориях, в том числе на антропогенных формах рельефа, при относительной высоте склона более 5 м; максимальные объемы лавин достигают 500 м3; площадная пораженность равнинных территорий лавинными процессами составляет 1-10 %. Выделено четыре типа природных лавинных комплексов равнинных территорий о. Сахалин.

2. Дальность выброса лавин нового снега объемом до 8 ООО тыс. м3 в меньшей степени зависит от значений объема лавины и площади лавиносбора и в большей степени зависит от формы продольного профиля лавиносбора.

3. Методика расчета дальности выброса лавин нового снега позволяет на основе данных об относительной высоте лавиносбора и форме его продольного профиля рассчитывать дальность выброса лавин нового снега объёмом до 8 ООО м3.

Личный вклад автора. Основные результаты и положения, выносимые на защиту, получены автором лично. Автор принимал участие в сборе и обработке материалов полевых наблюдений.

Практическое значение работы. Основной результат исследования - карта «Природные лавинные комплексы равнинных территорий о. Сахалин» в масштабе 1:1 ООО ООО -рекомендуется для использования на ранних стадиях проектно-изыскательских работ при

разработке проектов линейных сооружений, освоения рекреационных территорий и территориальном планировании. Методика расчета дальности выброса лавин нового снега может быть использована изыскательскими и проектными организациями для определения границ лавиноопасных зон при проектировании и эксплуатации объектов и сооружений и застройки селитебных территорий.

Изложенные в диссертации принципы были использованы при разработке схем планировочных ограничений к генеральным планам населенных пунктов Сахалинской области, 2009; научном сопровождении проектно-изыскательских работ по оценке лавинной, селевой и оползневой опасности на участке км 214 - 217 автомобильной дороги г. Южно-Сахалинск - г. Оха, 2009; научно-исследовательских работах по определению динамических характеристик лавин и разработке методов стабилизации снежного пласта в лавиносборе на участках проведения мероприятий по инженерной противолавинной защите автомобильных дорог Невельск - Томари - аэропорт Шахтерск (км 141и км 152) и Южно-Сахалинск - Оха (км 214 - км 219), 2012; при оценке дальности выброса лавин во время предупредительного спуска лавин на территории МО «Невельский муниципальный район» и автодорог Сахалинской области.

Апробация работы. Основные положения и выводы, содержащиеся в диссертации, докладывались автором на 20 научных симпозиумах, конференциях, семинарах и совещаниях, из которых 6 - региональных, 6 - всероссийских и 8 - международных, в том числе, международная конференция «Лавины и смежные вопросы» (Кировск, 2006, 2011), XIV - XV Гляциологический симпозиум (Иркутск, 2008; Архангельск, 2012), международный симпозиум «Физика, химия и механика снега» (Южно-Сахалинск, 2011, 2013), всероссийские конференции: «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (Москва, 2010), «Опасные природные явления. Инновационные пути снижения рисков промышленной деятельности» (Южно-Сахалинск, 2010); региональная конференция «Геодинамические процессы и природные катастрофы в Дальневосточном регионе» (Южно-Сахалинск, 2011).

Результаты работы были отмечены сертификатом за лучший доклад на молодежной научной конференции «Современные научные исследования на Дальнем Востоке», (г. Южно-Сахалинск, 2011) по теме «Построение карт лавинной опасности территорий населенных пунктов Сахалинской области» и на II Международном симпозиуме «Физика, химия и механика снега» (Южно-Сахалинск, 2013) по теме «Лавинная опасность равнинных территорий на примере о. Сахалин».

Публикации, По результатам исследований автором лично и в соавторстве опубликовано 36 работ, в том числе 7 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения. Работа изложена на 146 страницах, содержит 16 рисунков, 24 таблицы, 29 фотографий. Список литературы включает 162 источника, из которых 8 на иностранных языках.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, научная новизна, сформулированы основные научные положения, отмечен личный вклад автора, практическая значимость работы, ее апробация.

В главе I «Изученность вопроса» представлена история разработки карт лавинной опасности для территории о. Сахалин. Также рассмотрены наиболее известные методики расчета дальности выброса лавин.

Во главе II «Лавинные процессы на равнинных территориях о. Сахалин» описаны факторы лавинообразования на равнинных территориях о. Сахалин, на основе которых была составлена карта «Природные лавинные комплексы равнинных территорий о. Сахалин», а также рассмотрены геоэкологические аспекты проявления лавинных процессов на равнинных территориях.

В главе III «Дальность выброса лавин на о. Сахалин» посвящена описанию факторов лавинообразования на всей территории о. Сахалин, а также анализу применения существующих методик расчета дальности выброса лавин на основе накопленных данных о сходах лавин нового снега на о. Сахалин.

В главе IV «Методика расчета дальности выброса лавин нового снега» посвящена разработке методики расчета дальности выброса лавин нового снега.

Благодарности. В основу работы положены результаты многолетних исследований автора, которые проводились в лаборатории лавинных и селевых процессов ФГБУН ДВГИ ДВО РАН. Научные задачи исследования и основные подходы к их решению были определены совместно с научным руководителем к.г.-м.н. H.A. Казаковым, а также с к.г.-м.н. Ю.В. Генсиоровским. Автор выражает им свою искреннюю благодарность за всестороннюю помощь и поддержку на всех этапах работы. Автор признателен им, а также С. П. Жируеву и В.И. Окопному за предоставленные материалы наблюдений за лавинами на о. Сахалин.

Автор считает приятным долгом выразить искреннюю благодарность всем членам коллектива лаборатории лавинных и селевых процессов за помощь, поддержку, замечания к работе: В. А. Лобкиной, М. В. Михалеву, С. В. Рыбальченко, А. А. Музыченко.

Автор признателен за помощь и критические замечания, высказанные во время обсуждения диссертации д.г.н, профессору Г.Е. Глазырину и к.г.-м.н. Ю. А. Степновой, Т. С. Казаковой, А. М. Боброву, Е. Н. Казаковой.

Автор отдельно благодарит И. А. Кононова за поддержку идеи и программную реализацию методики расчета дальности выброса лавин нового снега.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. На о. Сахалин лавинные процессы развиваются на равнинных территориях, в том числе на антропогенных формах рельефа при относительной высоте склона более 5 м; максимальные объемы лавин достигают 500 м'; площадная пораженность равнинных территорий лавинными процессами составляет 1-10 %. Выделено четыре типа природных лавинных комплексов равнинных территорий о. Сахалин.

Случаи попадания и гибели людей в лавинах на равнинных территориях неоднократно фиксировались во многих регионах Российской Федерации. За последние 30 лет в лавины со склонов относительной высотой 5-30 м попал 41 человек, из которых 20 - погибли. Лавина, сошедшая со склона 5-10 м при уклоне 30°, по расчетным данным, может иметь пиковое давление до 0.08 МПа, дальность выброса - 20 м, объем - 50 м3. Было подсчитано, что в России из 20 человек, ежегодно погибающих в лавинах, 1-2 человека гибнут в снежных лавинах на равнинных территориях (Селиверстов, [электронный ресурс]). Снежные лавины на равнинных территориях о. Сахалин сходят ежегодно и причиняют материальный ущерб народно-хозяйственным объектам, а также приводят к гибели людей.

Обеспечение безопасного освоения территории невозможно без изучения изменений природных условий лавинной деятельностью. Некоторые характеристики элементов ландшафта (морфометрические и морфологические параметры рельефа, характер подстилающей поверхности, климат) являются факторами лавинообразования. В свою очередь, роль лавин в формировании компонентов равнинных ландшафтов о. Сахалин выражается в гравитационном переносе вещества, влиянии на почвенно-растительный покров, на гидрологический режим, а также на формирование рельефа. Поэтому изучение и регулирование воздействия опасных природных процессов, в том числе лавин, на природную среду равнинной территории требует комплексного подхода. Данная проблема весьма актуальна для о. Сахалин, так как за счет увеличения антропогенной нагрузки на ландшафт (прокладка нефте- и газопроводов, автомобильных и железных дорог, рыбопромышленная деятельность и т.д.), увеличивается и активизация опасных природных процессов.

Исследование лавинных процессов на равнинных территориях о. Сахалин показало наличие лавиноопасных склонов высотой 5-50 м (рис. I - 3) (Боброва, 2013а, 20136). Преобладающим генетическим классом лавин, формирующихся на низких склонах равнинных территорий о. Сахалин, являются лавины нового снега.

КЛАСС ПЛК

Равнинный

ПОДКЛАСС ПЛК

морских аккумулятивных равнин

аллювиальных

ТИП ПЛК

морских террасированных низменностей

морских равнин

долин равнинных рек

долин горных и полугорных рек в среднем и нижнем

Рис. 1. Типы природных лавинных комплексов (ПЛК) равнинных территорий о. Сахалин.

Природные лавинные комплексы (ПЛК) равнинных территорий о.Сахалин

морских террасированных низменностей

морских равнин

долин горных и полугорных рек в среднем и нижнем течении

- дюны

- бугры пучения

- просадочные впадины, образованные термокарстом

- низкие морские террасы

- дюны

- речные террасы

- речные террасы

30-50

5-25

30-45

осовный скпон

осовный склон

осовный склон

Характеристики природных лавинных комплексов (ПЛК) равнинных территорий о. Сахалин

Масштаб: 1:1 ООО ООО

Рис. 2. Природные лавинные комплексы равнинных территорий о. Сахалин

морских террасированных низменностей

морских равнин

долин равнинных рек

долин горных и полугорных рек в среднем и нижнем течении

Морфометри-ческие

I

лавиносборов

5-50

30-50

Условные обозначения

Равнинный

морских аккумулятивных равнин аллювиальных равнин

Площадная пораженность территории: 8=(81/82)*100, где

- суммарная площадь всех лавиносборов, Б2 - площадь территории выделенного типа природных лавинных комплексов

В результате исследования равнинных территорий о. Сахалин была составлена карта «Природные лавинные комплексы равнинных территорий о. Сахалин» в масштабе 1:1 ООО ООО (рис. 2). По геоморфологическим факторам лавинных процессов выделен 1 класс, 2 подкласса и 4 типа природных лавинных комплексов равнинных территорий о. Сахалин.

Относительная высота лавиносборов 5-50 м, площадная пораженность территории лавинными процессами - 1-10 %, максимальные объемы лавин - 100-500 м3, повторяемость -1-3 раза в год (рис. 2). Лавины формируются на склонах дюн, бугров пучения, просадочных впадин, образованных термокарстом, низких морских террас, речных террас.

побережье о. Сахалин, Макаровский район, с. Туманове, р. Горная. 13.02.2013 г.

Исследование равнинных территорий о. Сахалин показало, что лавинные процессы, в основном характерные для горных территорий, накладывают заметный отпечаток на хозяйственное развитие на равнинах. Оценка геоэкологических последствий схода снежных лавин заключается в исследовании взаимодействия лавинных процессов с природной средой, а также с хозяйственной деятельностью человека. Данная проблема является малоизученной на равнинных территориях и включает в себя следующие аспекты.

1. Взаимное влияние лавинных процессов и хозяйственной деятельности человека.

Формирование лавин относится к опасным природным процессам. В зависимости от характера причиненного ущерба влияние лавин на жизнь и деятельность человека может быть отнесено к двум группам:

• социальный ущерб (попадание и гибель людей в лавинах);

• экономический ущерб (разрушение зданий, сооружений, транспортных средств, нарушение коммуникаций, задержка движения транспорта).

В общей проблеме безопасности населения лавинные процессы рассматриваются как дестабилизирующие факторы, создающие угрозы устойчивому развитию общества. В связи с этим, для предупреждения ущерба от лавин разрабатываются схемы планировочных ограничений к генеральным планам населенных пунктов. Основными параметрами, характеризующими интенсивность и активность лавинных процессов, являются площадная пораженность территории лавинными процессами и частота формирования лавин, границы зон воздействия лавин (в т.ч. дальность выброса лавины). Для равнинных территорий о. Сахалин эти параметры имеют низкие значения. Площадная пораженность лавинными процессами равнинных территорий не превышает 10%.

В свою очередь, хозяйственная деятельность человека также ведет либо к увеличению, либо к уменьшению лавинной активности.

Так, создание искусственных склонов увеличивает площадную пораженность территории лавинными процессами и затрудняет ведение хозяйства.

Любые железнодорожные и автомобильные насыпи, выемки, карьеры, отвалы (снега, грунта, горных пород, мусора и т.д.) высотой более 5 метров и уклоном от 30 до 50° при толщине снежного покрова более 30 см на склонах являются лавиноопасными (Арсеньев и др. 1973; Красносельский, 1975; Зюзин, 2006).

При разработке средне- и крупномасштабных карт лавинной опасности, а также на стадии инженерных изысканий при строительстве необходимо проводить исследование территории на наличие искусственно созданных склонов. Кроме того, при планировании антропогенного воздействия на территорию необходимо учитывать возможность формирования лавин на искусственно созданных склонах. При подрезке, выемке, разработке карьера, насыпи необходимо формировать такой уклон антропогенных форм рельефа, при котором не будет происходить формирование лавин, т.е. уклон должен быть менее 30° или более 50°. В г. Иркутск (рис. 4) под искусственно созданным склоном автомобильной насыпи проходит автомобильная дорога, которая находится на лавиноопасной территории. На урбанизированных территориях искусственно созданные склоны представляют постоянную опасность для населения.

- - ч ь •Л'

Рис. 4. а) лавина на искусственно созданном склоне (насыпь) высотой 5 метров,

г. Иркутск, 2013 г; б) отвал снега высотой 8 м и уклоном 45°, г. Южно-Сахалинск.

Чаще всего в условиях урбанизации (на территории городов, пригородов и в сельской местности) в небольшие лавины попадают дети. Проблема попадания подростков в лавины довольно существенна: бывают годы, когда число лавинных трагедий в горах не сильно отличается от общего количества несчастных случаев на территории населенных пунктов и вблизи их (Якшин, [электронный ресурс]).

Примерами снижения активности лавинных процессов или предотвращения схода снежных лавин являются меры, специально направленные на защиту от лавин (инженерная ( защита: строительство сооружений противолавинной защиты; изменение положения объекта; изменение характеристик рельефа и др.), а также хозяйственная деятельность человека, которая ненамеренно приводит к снижению лавинной активности (например, лесопосадки на склонах с целью производства и сохранения леса).

Однако равнинные территории не рассматриваются как лавиноопасные, поэтому примеров инженерной защиты от лавин на равнинах практически нет.

Тем не менее, на равнинной территории о. Сахалин расположено более 30 населенных пунктов, объекты сельского хозяйства, автомобильные и железные дороги.

Территориальное планирование необходимо осуществлять с учетом разработанной карты лавинной опасности равнинных территорий, которая может быть использована на первых

этапах инженерных изысканий, а также при территориальном планировании селитебных территорий.

2. Взаимное влияние лавинных процессов и ландшафтов равнинных территорий.

Значение лавин как элемента формирования горных экосистем гораздо шире, чем его восприятие как стихийного бедствия. Роль лавин выражается в гравитационном переносе вещества, влиянии на местные климатические характеристики, на гидрологический режим и на водность рек, в уничтожении леса и т.д. (Божинский, Лосев, 1987).

Влияние лавинных процессов на компоненты ландшафта для равнинных территорий не изучалось. Лавины, формирующиеся на низких склонах равнинных территорий, имеют некоторые отличия от лавин, формирующихся в горах. Главными отличиями являются: небольшие объемы лавин (до 500 м3), а также небольшие значения динамических характеристик лавин (дальность выброса лавины, давление лавины, высота и ширина фронта лавины). Влияние лавин на ландшафт равнинных территорий о. Сахалин выражается в следующем.

Литогенная основа н рельеф.

В основном, влияние лавинных процессов на формирование рельефа на равнинах связано с перемещением минерального материала к подножию склона. В зонах зарождения лавины часто встречаются обнажения горных пород, которые могут быть источниками материала, накапливающегося в снежном покрове до схода лавины. Далее при движении лавинного тела в зоне транзита происходит процесс денудации и выметания материала, а в зоне отложения лавин у подножия склона происходит процесс аккумуляции и переотложения вынесенного материала (Божинский, Лосев, 1987).

Кроме того, очищение склонов от снега должно приводить к изменению характера процессов физического выветривания.

В свою очередь, морфологические и морфометрические параметры рельефа сильно влияют на характеристики лавин.

Почвы и растительный покров.

Механическое воздействие лавин с низких склонов превышением всего 5-50 м на растительность не такое масштабное, как при формировании лавин больших объемов в горах. Лавины с низких склонов не способны уничтожить древесную растительность на склоне и у его подножия, тем не менее, нередко такие лавины ломают кустарники и молодые деревья. Травостой, полегший в результате схода лавины, впоследствии служит поверхностью скольжения для других лавин.

На равнинных территориях в результате схода снежных лавин происходит перераспределение влаги и тепла. Почвы в лавиносборах формируются под влиянием выноса влаги лавинами и дополнительного отепления в весенний период и охлаждения в зимний период, когда склон оголяется в результате схода с него снежных масс.

Также для равнин характерен процесс заболачивания почв в результате избыточного накопления воды, перенесенной в твердом состоянии лавиной к подножию склона.

Следует отметить, что тип растительности и почв оказывает влияние на характер снегонакопления, а также на скорость метаморфизма снежного покрова, которая, в свою очередь, определяет формирование лавин генетического класса перекристаллизации снежной толщи, а также смешанных лавин (Боброва, Бобров, 2013).

Большое влияние на скорость перекристаллизации оказывает гидроморфность почв, которая обусловливает плотность потока водяного пара внутри снежной толщи и, как следствие, структуру и текстуру снежной толщи (ЬоЫопа, 2012).

Поверхностные и подземные воды.

Влияние лавинных процессов на подземные воды практически не изучено.

Есть ряд работ, посвященных влиянию лавинных процессов на гидрологические характеристики рек (Генсиоровский и др., 2006).

Вероятно, формирование лавин влияет на водность рек. Лавинный снежник имеет гораздо большую плотность по сравнению со снегом, лежащим на склоне, поэтому таяние его происходит медленнее. За зимний период в долинах рек формируются лавины, которые могут играть регулирующую роль стока.

Таким образом, лавиноопасными являются склоны с относительной высотой более 5 метров. На равнинных территориях о. Сахалин лавины формируются на склонах речных и низких морских террас, бугров пучения, дюн, просадочных впадин, образованных термокарстом. Лавины формируются также на антропогенных склонах. Преобладающим генетическим классом лавин, формирующимся на низких склонах, являются лавины нового снега.

2. Дальность выброса лавин нового снега объемом до 8 ООО тыс. м3 в меньшей степени зависит от значений объема лавииы и площади лавнносбора и в большей степени зависит от формы продольного профиля лавнносбора.

Практика снеголавинных расчетов показала, что существующие методики расчета дальности выброса лавин дают большие погрешности как относительно фактических значений, так и между собой (Северский,1978; Северский, Благовещенский, 1983; Москалев, 1977 и др.). Поэтому выбор наиболее приемлемой методики вызывает трудности и требует большого опыта работы. Кроме того, выбор методики должен основываться на задачах, стоящих перед исследователем. Так, для выбора места под строительство зданий и сооружений необходимо определить максимально возможную величину дальности выброса лавины, в то время как при прокладке линейных сооружений с экономической точки зрения целесообразно учитывать возможную частоту расчистки лавинных завалов, т.е. рассчитывать дальность выброса лавин частой повторяемости. В Сахалинской области около 400 км железных и автомобильных дорог проходит у подножия лавиноопасных склонов, на которых несколько раз в год формируются лавины, что несет за собой значительные затраты на расчистку дорог от лавинных завалов (Жируев и др., 2010). Решением в данном случае может быть расчет дальности выброса лавин частой повторяемости и вынос дорожного полотна за пределы определенных таким образом лавиноопасных зон. Более 50 % случаев схода лавин на о. Сахалин приходится на лавины генетического класса нового снега (метелевого и свежевыпавшего).

На основе фактических данных о сошедших на о. Сахалин лавинах за период наблюдений с 1950 по 2014 гг. был проведён анализ методик расчета дальности выброса лавин. За этот период зафиксировано более 2 000 случаев схода лавин в разных районах острова. Для получения выборки из всех случаев схода выбирались только те лавины, у которых были точно известны местоположение лавиносбора на карте, объем лавины, высота зоны отрыва и зоны остановки лавины, генетический класс лавины, тип подстилающей поверхности лавиносбора, дальность выброса лавины. Помимо этого важным условием выборки было наличие крупномасштабной карты лавиносбора, что позволяло измерить значения морфометри-ческих параметров лавиносбора. Итоговая выборка включала в себя 250 случаев схода лавин. Из них основную часть составили лавины нового снега - 200 случаев, на основе данных о которых проводился последующий анализ. Ключевую роль в формировании выборки имела достоверность описанных случаев схода лавин.

Для анализа были использованы данные о сходах лавин как на равнинной, так и в горной части острова. Зафиксированных данных о случаях формирования лавин на равнинных территориях для статистического анализа недостаточно. Кроме того, важно отметить, что для анализа необходимо исследовать лавиноопасные склоны, имеющие разные значения относительной высоты, а также лавины, имеющие разные значения объемов.

Данная работа посвящена анализу лавин нового снега, т.к. наиболее часто на низких склонах формируются лавины этого генетического класса, также более 50% всех случаев схода лавин на о. Сахалин, в т.ч. на горной территории, приходится на лавины генетического класса нового снега.

В литературных источниках приводятся методики расчета дальности выброса лавин, позволяющие на основе собранных данных провести их сравнительный анализ (Москалев, 1977; Северский,1978; С.М. Козик, 1962; Благовещенский, 1973, 1974; Дюнин и др., 1987; Снег (справочник), 1986). Были выбраны методики, наиболее часто встречающиеся в рекомендациях для снеголавинных расчетов при проектировании, а также используемые при проведении расчетов разными исследователями. Важным условием при выборе расчетных формул является и доступность определения входящих параметров. Часто встречающееся значение скорости лавины при определении дальности выброса затрудняет расчеты, поскольку существует большое количество разных формул для расчета этого параметра. В свою очередь, выбор формулы расчета скорости лавины также должен быть обоснованным и подтвержденным полученным в результате наблюдений достаточным рядом фактических значений. Однако инструментально зафиксировать скорость лавины удается достаточно редко, кроме того, несмотря на возможность фиксирования средней скорости лавины по всему участку пути, наблюдение за моментальной скоростью лавины в конкретной точке требует специально подготовленных наблюдений, включающих в себя использование технических приборов. Таким образом, использование значений скорости при расчете дальности выброса лавины предполагает наличие слишком больших погрешностей.

Для анализа были выбраны методики С. М. Козика, В. П. Благовещенского, И. В. Северского, Ю. Д. Москалева, В. Н. Аккуратова и методика, основанная на гидравлической модели движения лавин (табл. 1).

Таблица 1.

Отклонение расчетных величин дальностей выброса лавнн нового снега от фактических значений (на основе данных о 200 случаях схода лавнн нового снега на о. Сахалин)

Методика расчета дальности выброса лавин Пределы отклонений расчетных дальностей выброса от фактических, м Средняя Абсолютная ошибка, м Среднеквадратическая ошибка, м

С.М. Козик +35;+1640 421 513

Гидравлическая модель движения лавины -1790;+1 299 385

В.Н. Аккуратов -719;+516 113 152

В.П.Благовещенский -25; +680 171 188

И.В. Северский -1687;+427 175 269

Ю.Д.Москалев -132;+389 152 170

Анализ методик расчета дальности выброса лавин показал, что наименьшую величину средней квадратической ошибки имеет методика В.Н. Аккуратова, однако, эта методика показывает большой интервал пределов отклонений расчетных значений дальности выброса от фактических. Методика И. В. Северского имеет значительную величину среднеквадратиче-ской ошибки. Самые заниженные результаты дает методика, основанная на гидравлической модели движения лавин. Расчетная формула В.П. Благовещенского в ряде случаев завышает расчетные значения на 500-600 метров. Кроме того, данную методику нельзя использовать для расчетов дальностей выброса лавин в лавиносборах со средним уклоном меньше 25°, а для осовных склонов - с превышением меньше 200 м. Таким образом, характеристики части лавин по данной методике рассчитать не представилось возможным. Методика С.М. Козика часто используется в снеголавинной практике для расчета максимальной дальности выброса лавин, т.е. для лавин редкой повторяемости. Все значения, полученные по данной методике,

дали завышенные результаты, величина среднеквадратической ошибки - наибольшая среди остальных методик. Таким образом, при расчете дальности выброса лавин частой повторяемости использование методики С.М. Козика нецелесообразно. Примером может служить проектирование линейных сооружений, когда с экономической точки зрения должна учитываться частота расчистки лавинных завалов.

Многолетние наблюдения за лавинами на о. Сахалин, а также исследования других авторов дают основания утверждать, что ведущую роль в значении дальности выброса лавины играют морфологические и морфометрические характеристики лавиносбора (Козик, 1962; Благовещенский, 19746; Боброва, 2009; Боброва и др, 2009а; Боброва и др., 20096 и др.). Для подтверждения данной идеи на основе фактического материала о сходах лавин на о. Сахалин был проведен корреляционно-регрессионный анализ связи дальности выброса с традиционно используемыми в расчетных методиках входными параметрами (объем лавины, площадь зоны отрыва лавины, относительная высота и средний уклон лавиносбора, угол подхода лавины к подножию склона).

Для этого данные были ранжированы по генетическому классу лавин.

Выделение генетических классов лавин основано на выявлении основных причин ла-винообразования. которые обусловлены метеорологическими явлениями и физическими процессами, происходящими в снежной толще. Критериями выделения классов лавин в основном являются такие показатели, как водонасыщенность, плотность, возраст, степень перекристаллизации снежных слоев, текстура и структура снежной толщи (Дзюба, Золотарев, 1984; Аккуратов, 1959; Казаков, Генсиоровский, 20076; Казаков, Боброва, 2013). Эти характеристики во многом обусловливают характер движения лавины, ее скорость, давление, дальность выброса, высоту фронта.

Казаков H.A. выделил в отдельный класс лавины перекристаллизации снежной толщи, которые образуются из сухого снега (старого снега) или смешанного снега (сухого старого и нового снега; сухого и влажного снега; сухого и мокрого снега), в котором вследствие процессов метаморфизма произошли преобразования структуры и текстуры снежных слоев и сформировались лавиноопасные слои (Казаков, 2000в). Такие лавины обладают наибольшими скоростями и объемами, внутренняя причина их формирования - перекристаллизация снежной толщи, в результате которой происходит образование лавиноопасного слоя. Также лавины перекристаллизации снежной толщи чаще всего имеют наибольшую дальность выброса, в отличие от лавин нового и мокрого снега. Так, в Восточно-Сахалинских горах, на Чамгинском перевале, зарегистрирована лавина с дальностью выброса 3 800м.

Вероятно, большой разброс отклонений среди методик связан как с применением в них различных входящих параметров, так и с недоучетом состояния снежной толщи в лави-носборе, т.е. генетическим классом лавины. Таким образом, анализ следует проводить отдельно для каждого генетического класса лавин. В данной работе рассматриваются только лавины генетического класса нового снега.

Значение относительной высоты лавиносбора используется почти во всех существующих методиках определения дальности выброса. Корреляционно-регрессионный анализ показал тесную связь между дальностью выброса лавины с одной стороны, и относительной высотой лавиносбора с другой (рис. 5). В интервалах превышения лавиносборов от 100 до 300 м наблюдается наибольшая теснота связи между исследуемыми параметрами, что говорит о большей зависимости дальности выброса от превышения в этих высотных отметках. При увеличении значений высоты лавиносбора теснота связи уменьшается.

Корреляции дальности выброса лавины от относительной высоты лавиносбора(для лавин нового снега)

* 800 А

S 700 в

I 600

я

£ 500 »о

1 400

£ 300

§ 200

^ 100 о

о

Рис. 5. Поле корреляции дальности выброса лавин нового снега и превышения лавиносбора.

Влияние объема лавины на значение дальности выброса лавин нового снега оказалось несущественным (рис. 6). При разных значениях объемов лавин нового снега значения дальности выброса были одинаковыми. Зафиксирован ряд случаев схода лавин в одних и тех же лавиносборах, когда при значениях объемов, отличающихся на порядок, дальность выброса их различалась несущественно (табл. 2).

Лавины нового снега на о. Сахалин отличаются небольшими объемами (в среднем 3 ООО м3), в то время как зависимости, полученные другими авторами, были основаны на объемах, значительно превышающих объемы лавин нового снега на о. Сахалин. Таким образом, можно говорить о том, что для лавин нового снега объемом от 25 м3 до 8 ООО м3 теснота связи между ее дальностью выброса и объемом низкая.

Анализ связи среднего уклона лавиносбора показал более тесную связь с дальностью выброса лавины, чем с ее объемом. Большинство значений уклонов лежат в интервалах между 28 и 35° (рис. 7).

График дальности uianpuca и объема лапины (дли лаини iiobui о снега)

1000

<НЮ >

800 • •. « •

7(H) • •••• •

600

SIM

400 ... f •• •

300 а.

200 »«•«• и JW *

100 • • •

I) -- -

■ Значения давности выброса.Тавнн нового снега

4*111=0,305

О 1000 2000 3000 4000 5000 МШ 7000 8000 УОШ _Объем лавины, м3__

• Значения дальности выброса лавин нового снега

НЮ 200 300 400 500 _Относительная высота дшиносбора, м_

Памп^в!» Птгор =0,867

—Линия регрессии дальности выброса ливты по относительной высоте лавиносбора

Рис. 6. Дальность выброса и объем лавин нового снега.

15

Таблица 2.

Фактические значения объемов и дальности выброса лавин нового снега в одних и тех же лавиносборах (Восточно-Сахалинские горы, Чамгинский перевал)

№№ лавиносбора Объем, м3 Фактическая дальность выброса лавин, м

49 300 145

49 120 165

49 800 190

49 1100 145

49 3000 190

49 7800 190

63 250 190

63 400 190

63 600 190

63 900 190

63 3000 190

112 420 255

112 660 255

112 700 255

112 1500 255

112 4000 255

114 300 180

114 525 180

114 600 180

114 1000 180

114 4000 180

Интересно, что в данном случае наблюдается обратная тенденция - с возрастанием величины среднего уклона лавиносбора убывает значение дальности. Но уклоны на протяжении пути движения лавины часто варьируются, так, уклон в зоне отрыва лавины может достигать 45°, а ближе к подножию склона уменьшаться до 10-15°, поэтому этот параметр не характеризует форму профиля склона.

Угол подхода лавины к подножию склона используется при расчете дальности выброса лавин по методике, основанной на гидравлической модели движения лавины. В данной методике не приводятся рекомендации для определения этого параметра, поэтому он принимался как угол между горизонтальной линией плоскости и отрезком пути движения лавины перед началом зоны аккумуляции, составляющим 15% от всей длины продольного профиля лавиносбора.

При условии, что участок склона у подножия имеет резкий перегиб, т.е. происходит резкое изменение уклонов от зоны транзита к зоне аккумуляции, определение угла подхода лавины к подножию склона не вызывает затруднений. В случае, когда профиль склона имеет плавный переход у подножия, однозначно определить границу зоны транзита и зоны аккумуляции невозможно. Таким образом, в некоторых случаях определение угла подхода лавины к подножию склона является условным.

им»

400 800 700 0«> 500 400 300 200 11*1

15 211 25 311 35 4(1 45 5(1

СргдииМ \KJIUH лнииыосйири. I РИД

Кй|1|1Г^ШЦНЯ ДНИ.11Ш1 М выброси 11111И НЫ 111 С)>ГДМПЧ> уклон» 1Н11Ы 11|1<1111{1.1 <ДЛН ЛЛННН НОВОГО 111Г1 II )

■ • Значения сальности шСроса ъшш

■ . * тлим снега

-Линиярегрессии оаяьиохпт сы^юса »сняты 1*1 среонелгу уклону лсшннлсмрч

ПпчкММ

Рис. 7. Поле корреляции дальности выброса лавин нового снега и среднего уклона лавиносбора (в выделенной области находится наибольшее скопление точек, которое определяет линию регрессии).

Регрессионно-корреляционный анализ связи дальности выброса лавины и угла подхода лавины к подножию склона показал достаточно тесную связь этих двух параметров. Так же, как и для среднего уклона лавиносбора, с возрастанием величины угла подхода лавины к подножию склона убывает значение дальности выброса лавины (рис. 8).

На основе проведенного анализа были получены значения, характеризующие тесноту связи между фактическими значениями дальности выброса лавины и параметрами, входящими в расчетные формулы дальности выброса лавин в исследуемых в данной работе методиках (табл. 3).

Теоретическое и эмпирическое корреляционные отношения выражают тесноту связи между изучаемой величиной (в данном случае это дальность выброса) и независимым фактором (относительная высота лавиносбора, объем лавины, площадь лавиносбора и т.д.). Чем ближе значение корреляционного отношения к единице, тем полнее (сильнее) корреляционная связь между признаками, тем меньшее влияние оказывают прочие факторы (Сампер, 1981).

их«)

900

г

2 800 х

5 700 £

« 600 I 500

I

1 400

| зоо | 200

14 100 О

О

Рис. 8. Поле корреляции дальности выброса лавин нового снега и угла подхода лавины к подножию склона.

10 20 30 40 50

Угол иидхода лавины к подножию склона, град

—Линия регрессш аапьносши выброса лавины но углу ноохооа лавины к иооножпю склона

• Пэмп=0,7в8

^иор =0,698

Корреляция дальности выброса лавины от угла подхода лавины к подножию склона (для лавин нового снега)

.¿х- • ^ • Значения оальносиш выброса

', лавин нового снега

Эмпирическое корреляционное отношение рассчитывается непосредственно по исходным данным на основе правила сложения дисперсий как корень квадратный из отношения межгрупповой дисперсии изучаемой величины (дальность выброса) к общей дисперсии этой величины.

Теоретическое корреляционное отношение определяется на основе теоретических значений, рассчитанных по уравнению регрессии. Теоретическое корреляционное отношение представляет собой корень квадратный из отношения дисперсий теоретического и эмпирического ряда значений изучаемой величины (Математическая статистика, 1975).

Таблица 3.

Показатели тесноты связи между фактическими значениями дальности выброса лавины и параметрами, входящими в расчетные формулы дальности выброса

Параметры, входящие в формулы расчета дальности выброса лавины (по методикам С.М. Козика, В.П. Благовещенского, И.В.Северского, Ю.Д. Москалева. В.Н. Акку-ратова и методике, основанной на гидравлической модели движения лавин) Эмпирическое корреляционное отношение, Теоретическое корреляционное отношение, Птеор

Относительная высота лавиносбора, м 0,819 0,867

Объем лавины, м3 0,305 -

Площадь зоны отрыва лавины, км2 0,378 -

Средний уклон лавиносбора, град 0,606 0,491

Угол подхода лавины к подножию склона, град 0,768 0,698

Таким образом, совокупность уклонов на разных участках пути лавины (форма профиля лавиносбора) оказывает наиболее значительное влияние на дальность выброса лавины.

Для подтверждения данного предположения для каждого случая схода лавины было найдено отношение высоты лавиносбора к дальности выброса лавины (Н/Ь). По значениям Н/Ь все лавины были разбиты на классы. Для подробного описания профиля склона в каждом лавиносборе были разделены три участка, для которых были определены средние уклоны (табл. 4).

Таблица 4.

Таблица диапазонов уклонов лавиносборов.

Классы лавин по значению отношений Н/Ь Классы лавин Уклоны в разных зонах лавиносбора, град Средний уклон лавиносбора, град.

Верхняя часть Средняя часть Нижняя часть

0,4-0,5 Лавины с максимальной дальностью выброса 30 28 20 26

0,5-0,6 Лавины с большой дальностью выброса 35 31 24 30

0,6-0,7 Лавины со средней дальностью выброса 38 35 29 34

>0,7 Лавины с малой дальностью выброса 39 38 34 37

Оказалось, что дальность выброса лавин разных классов зависит от значений уклонов лавиносборов. Из таблицы видно, что чем меньше среднее значение интервала уклонов, тем более высокие значения дальности выброса имеет лавина (табл. 4).

Рис. 9. Характерные для разных классов лавиносборов формы профилей (а - для лавин с максимальной дальностью выброса; б - для лавин с большой

дальностью выброса; в - для лавин со средней дальностью выброса; г - для лавин с наименьшей дальностью выброса); Ь - относительная высота лавиносборов.

На рисунке 9 показаны характерные для разных классов формы продольных профилей лавиносборов.

Было отмечено, что наиболее часто лавины нового снега формируются в лавиносборах, имеющих уклон в верхней части (который характеризует зону отрыва лавины), равный 38°.

Кроме того, дальность выброса лавины нового снега сильно зависит от уклона лави-носбора в зоне выхода лавины к подножию склона. Вероятно, что скорость лавины гасится в момент удара о резко выполаженную поверхность подножия. Таким образом, на склонах, имеющих резкие перегибы, формируются лавины с небольшими значениями дальности выброса.

Проведенный анализ дает основания говорить о существенной зависимости дальности выброса лавины от уклонов на разных участках пути лавины, т.е. от формы продольного профиля лавиносбора.

3. Методика расчета дальности выброса лавин нового снега, позволяет на основе данных об относительной высоте лавиносбора и форме его продольного профиля рассчитывать дальность выброса лавин нового снега объёмом до 8 ООО м3.

Анализ методик расчета дальности выброса показал, что наиболее часто используемые в практике снеголавинных расчетов методики не позволяют адекватно оценивать дальность выброса лавин нового снега небольших объемов (до 8 ООО м3). Между тем, такие лавины ежегодно формируются не только на равнинной и горной территории о. Сахалин, но и на всей

И

И

территории России (в том числе, на её равнинной территории). Практически все лавины, формирующиеся на невысоких склонах равнинных территорий, имеют небольшие объемы и относятся к генетическому классу лавин нового снега.

Собранные статистические данные о лавинах нового снега, сошедших на равнинной и горной территории о. Сахалин, дают возможность разработки статистической методики расчета дальности выброса лавин нового снега, позволяющей более точно оценивать исследуемый параметр для лавин этого генетического класса.

Результаты проведенного анализа дают основания полагать, что достаточным условием для расчета дальности выброса лавин нового снега являются данные о форме продольного профиля лавиносбора и его относительной высоты.

Для более подробного описания формы продольного профиля лавиносбора необходимо разбить профили на большее количество участков с равными проложениями (рис. 10). В качестве числовой характеристики каждого участка был выбран его средний уклон.

L

Рис. 10. Продольный профиль лавиносбора, разбитый на 9 участков с одинаковым проложением. Н- относительная высота лавиносбора, L - проложение лавиносбора,

/- участок проложения.

Очевидно, что, чем больше количество таких участков, тем большее число параметров будет получено. Классические методы восстановления регрессии не подходят для такого числа переменных. Поэтому возможно, что методы восстановления регрессии, основанные на машинном обучении, могут дать лучшие результаты. Машинное обучение - обширный подраздел искусственного интеллекта, изучающий методы построения алгоритмов, способных обучаться (Журавлев и др., 2006). Методы машинного обучения позволяют восстанавливать зависимость между зависимой переменной и набором независимых переменных. В данном случае был использован метод Random Forest, реализованный в пакете программ MatLab. Данный метод, как и большинство методов, основанных на машинном обучении, решают две основные задачи: задача классификации и задача восстановления множественной регрессии. Данный алгоритм обладает хорошей обобщающей способностью даже при сравнительно небольшом размере обучающей выборки (Hastie, 2009).

В итоге был получен обученный алгоритм, с помощью которого, подставляя данные, характеризующие форму продольного профиля лавиносбора, и значение относительной высоты лавиносбора можно рассчитывать дальность выброса лавин нового снега.

Результаты работы построенных алгоритмов представлены в табл. 5.

Таблица 5.

Характеристики предлагаемой автором методики расчета дальности выброса лавин.

Пределы отклонений расчетных дальностей выброса от фактических, м Средняя абсолютная ошибка, м Среднеквадратическая ошибка, м

-54; +145 20 31

Величина среднеквадратической ошибки у предлагаемой автором методики наименьшая среди рассмотренных в работе методик (табл. 2, 5). Среднее отклонение расчетных дальностей выброса от фактических - 20 м, среднеквадратическая ошибка -31м. Методика была отдельно апробирована на случаях схода лавин со склонов относитльной высотой от 5 до 50 м. Расчет дальности выброса таких лавин показал, что максимальная величина ошибки составляет 7 м. Диапазон фактических дальностей выброса составляет 15-75 м. Диапазон расчетных дальностей выброса составил 14-82 м.

Ограничения применения методики:

• генетические классы лавин - лавины нового снега;

• относительная высота лавиносборов - до 500 м;

• объёмы лавин - до 8 ООО м3.

Преимуществами методики является;

• большая точность расчета дальности выброса лавин нового снега;

• минимальный набор параметров и доступность их определения;

• возможность производить расчет дальности выброса лавины для любого лавинос-бора при наличии крупномасштабной карты района исследования;

• возможность быстрого получения расчетных значений дальности выброса лавин с помощью компьютерной программы (МаЛаЬ), возможность работать с алгоритмом специалисту без специальных технических знаний;

• возможность последующего обучения алгоритма как для увеличения точности расчетов дальности выброса лавин нового снега, так и для нового обучения алгоритма на данных о сходах лавин в других регионах, т.е. возможность адаптации методики.

Область применения:

• расчёт дальности выброса лавин при проектировании линейных сооружений (автомобильных и железных дорог, трубопроводов наземной и надземной прокладки) и при территориальном планировании селитебных территорий, расположенных у подножия лавиноопасных склонов;

• расчет дальности выброса лавин нового снега небольшого объема, сходящих как с низких склонов (5-30 м), так и для склонов относительной высотой, не превышающей 500 м.

ВЫВОДЫ

Основные результаты исследований по теме диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Установлено, что лавиноопасными являются склоны (в т.ч. антропогенные) с относительной высотой от 5 метров и уклоном от 30° до 50°.

2. На равнинных территориях о. Сахалин выделено 4 типа природных лавинных комплексов о. Сахалин: 1) морских террасированных низменностей; 2) морских равнин; 3) долин равнинных рек; 4) долин горных и полугорных рек в среднем и нижнем течении. Лавины формируются на склонах речных и низких морских террас, бугров пучения, дюн, проса-дочных впадин, образованных термокарстом. Относительная высота лавиносборов 5 — 50 м, площадная пораженность лавинными процессами - 1-10 %, максимальные объемы лавин 100-500 м3, повторяемость - 1-3 раза в год. Преобладающий генетический класс - лавины нового снега.

3. Установлено, что формирование лавин происходит на антропогенных склонах железнодорожных, автомобильных насыпей, выемок, каналов, карьеров, отвалов (снега, грунта, горных пород, мусора и т.д.) высотой более 5 метров и уклоном от 30 до 50°. Преобладающий генетический класс - лавины нового снега (метелевого и свежевыпавшего). Преобладающий морфологический тип лавиносборов - осовные склоны.

4. Установлено, что применяемые в лавиноведении методики расчета дальности выброса лавин дают высокие показатели отклонений расчетных величин дальностей выброса

лавин нового снега от фактических значений, что не позволяет проводить адекватную оценку дальности выброса лавин нового снега небольших объемов (до 8 ООО м3).

5. Установлено, что дальность выброса лавин нового снега в наибольшей степени зависит от формы продольного профиля лавиносбора и в наименьшей степени от объема лавины и площади лавиносбора.

6. Установлено, что наиболее часто лавины нового снега формируются в лавиносборах, имеющих уклон в верхней части (который характеризует зону отрыва лавины) равный 38°.

7. Установлено, что дальность выброса лавины нового снега сильно зависит от уклона лавиносбора в зоне выхода лавины к подножию склона: на склонах, имеющих резкие перегибы продольного профиля в зоне выхода лавины к подножию склона, формируются лавины с небольшими дальностями выброса.

8. Разработана рациональная методика расчета дальности выброса лавин нового снега объёмом до 8 ООО м3, позволяющая с большей точностью, используя минимальный набор параметров, определять границы воздействия лавин частой повторяемости при проектно-изыскательских и научно-исследовательских работах.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ: Статьи, опубликованные в изданиях списка ВАК

1. Генсиоровский, Ю. В. Влияние снежных лавин на формирование стока рек центрального Сахалина / Ю. В. Генсиоровский, Д. А. *Кононова, О. В. Иванова // Материалы гляциологических исследований. - 2007. - вып. 103.-С. 177-179.

2. Боброва, Д. А. Зависимость дальности выброса лавин от морфологии и морфомет-рии лавиносбора в условиях Сахалина / ДА. Боброва // Геориск. - вып. 4. - 2009. - С. 14-17.

3. Боброва, Д. А. Построение карт лавинной опасности территорий населенных пунктов (на примере Сахалинской области) / ДА. Боброва // Геориск. - вып. 4. - 2010. - С. 38-41.

4. Боброва, Д. А. Расчетная и фактическая максимальная дальность выброса лавин / Д. А. Боброва// Геориск. - вып. 4. - 2011. - С. 24-26.

5. Боброва, Д. А. Исследование снежной толщи в условиях антропогенно измененного ландшафта / Д. А. Боброва, И. А. Кононов, С. В. Рыбальченко // Вестник ДВО РАН. -2012.-вып. 6.-С. 101-103.

6. Боброва, Д. А. Факторы лавинообразования на равнинных территориях о. Сахалин / Д. А. Боброва // Лед и снег. - вып. 4. - 2013. - С. 60-66.

7. Боброва, Д. А. О возможности использования данных об объектах, вовлеченных в лавину, для оценки ее параметров / Д. А. Боброва, И. А. Кононов, Н. А. Казаков // Криосфе-ра Земли. - 2014. - т. XVIII. - №1. - С. 101-105.

Работы, опубликованные в материалах международных, всероссийских и региональных конференциях

8. Генсиоровский, Ю. В. Влияние снежных лавин на формирование стока рек центрального Сахалина / Ю. В. Генсиоровский, Д. А. ^Кононова, О. В. Иванова // Материалы III Международной конференции «Лавины и смежные вопросы». - 2006 - С. 171-178.

9. Казакова, E.H. Зависимость динамических характеристик лавин на Сахалине от их генетических типов / Е. Н. Казакова, Д. А. Боброва, С. В Рыбальченко // Материалы Международной научной конференции «Гляциология в начале XXI века». - 2009. - С. 192-197.

10. Боброва, Д. А. Определение динамических характеристик лавин по натурным наблюдениям / Д. А. Боброва и др. // Тезисы докладов IV Международной конференции «Лавины и смежные вопросы». — 2011. - С. 62.

11. Боброва, Д. А. Методика исследования и построение схем лавинной и селевой опасности населенных пунктов Сахалинской области / Д. А. Боброва, Е. Н. Казакова, С. В. Рыбальченко // Сборник трудов III Международного экологического конгресса (V Международный научно—технической конференции) «Экология и безопасность жизнедеятельности

промышленно-транспортных комплексов» промышленно-транспортных комплексов». -2011. - том №4. - С. 41-47.

12. Боброва, Д. А. Лавинная опасность равнинных территорий о. Сахалин / Д. А. Боброва // Материалы Всероссийского совещания и молодежной школы «Современная геодинамика Центральной Азии и опасные природные процессы: результаты исследований на количественной основе» (том 2). - 2012. - С. 97-99.

13. Боброва, Д. А. Лавинная опасность равнинных территорий (на примере о. Сахалин) / Д. А. Боброва // Тезисы докладов II Международного симпозиума «Физика, химия и механика снега». - 2013. - С. 85-86.

14. Кононов, И.А. О методе расчета дальности выброса лавин по форме продольного профиля лавиносбора / И. А. Кононов, Д. А. Боброва // Тезисы докладов II Международного симпозиума «Физика, химия и механика снега». - 2013. - С. 108-109.

15. Казаков, Н. А. Динамика лавин разных генетических классов и проблемы моделирования лавин / Н. А. Казаков, Д. А. Боброва // Тезисы докладов II Международного симпозиума «Физика, химия и механика снега». - 2013. - С. 93-97.

16. Боброва, Д. А. Формирование лавин в долинах рек юга о. Сахалин / Д. А. Боброва // Тезисы докладов научной конференции «Геодинамические процессы и природные катастрофы в Дальневосточном регионе». — 2011. - С. 150-151.

17. Боброва, Д. А. Факторы лавинообразования на равнинных территориях о. Сахалин / Д. А. Боброва // Материалы 4-й всероссийской конференции молодых ученых «Современные проблемы геологии, геохимии и геоэкологии Дальнего Востока России». - 2012а. - С. 15-16.

18. Боброва, Д. А. Результаты исследований характеристик снежного покрова в лави-носборах с разным типом растительности / Д. А. Боброва, А. М. Бобров // Тезисы докладов II Международного симпозиума «Физика, химия и механика снега». - 2013. - С. 85-86.

19. Боброва, Д. А. Расчетная и фактическая максимальная дальность выброса лавин / Д. А. Боброва, Е. Н. Казакова, С. В. Рыбальченко // Проблемы снижения природных опасностей и рисков. Материалы Международной конференции «Геориск - 2009». - 2009. - С. 106-110.

20. Боброва, Д. А. Исследование влияния антропогенных факторов на снежный покров / Д. А. Боброва, И. А. Кононов, С. В. Рыбальченко // Сборник трудов III Международного экологического конгресса V Международной научно-технической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов». - 2011. -том№4.-С. 48-53.

21. Боброва, Д. А. Исследование характеристик снежной толщи в условиях антропогенно измененного ландшафта / Д. А. Боброва и др.// Тезисы докладов Международного симпозиума «Физика, химия и механика снега». - 2011. - С. 130-133.

22. Казакова, Е. Н. Давление лавины на препятствие в низкогорье и высокогорье на примере Сахалина и Западного Кавказа (тезисы) / Е. Н. Казакова, Д. А. Боброва, С. В. Рыбальченко // Проблемы снижения природных опасностей и рисков. Материалы Международной конференции «Геориск - 2009». - 2009. - С. 310-314.

*Кононова - девичья фамилия автора

БОБРОВА Дарья Андреевна

ОЦЕНКА ЛАВИННОЙ ОПАСНОСТИ НА РАВНИННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ о. САХАЛИН

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Подписано в печать 09.04.2014 г. Усл. печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,7. Формат 60x84/16. Бумага «Paper one» Тираж 100 экз. Заказ 7733. Печать офсетная

ФГБУН Институт морской геологии и геофизики Дальневосточного отделения Российской академии наук 693022, г. Южно-Сахалинск, ул. Науки, 1Б. Офсетный цех.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Боброва, Дарья Андреевна, Южно-Сахалинск

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

БОБРОВА Дарья Андреевна

ОЦЕНКА ЛАВИННОЙ ОПАСНОСТИ НА РАВНИННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

о. САХАЛИН

Специальность 25.00.36 - «Геоэкология» (науки о Земле)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель:

кандидат геол.-мин. наук Н.А. Казаков

Южно-Сахалинск - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................4

ГЛАВА I. ИЗУЧЕННОСТЬ ВОПРОСА..................................................................15

1.1. Лавинные процессы на равнинных территориях о. Сахалин........................15

1.2. Лавинные процессы на искусственно созданных склонах................................21

1.3. Динамические характеристики лавин и методики расчета дальности выброса лавин............................................................................................................22

Выводы по главе........................................................................................................30

ГЛАВА II. ЛАВИННЫЕ ПРОЦЕССЫ НА РАВНИННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ О. САХАЛИН...............................................................................................................31

2.1. Основные факторы лавинообразования на территории равнинного класса природных лавинных комплексов (ПЛК) о. Сахалин...........................................38

2.1.1. Основные факторы лавинообразования на территории ПЛК морских террасированных низменностей о. Сахалин.......................................................38

2.1.2. Основные факторы лавинообразования на территории ПЛК морских равнин о. Сахалин..................................................................................................44

2.1.3. Основные факторы лавинообразования на территории ПЛК долин равнинных рек о. Сахалин....................................................................................47

2.1.4. Основные факторы лавинообразования на территории ПЛК долин горных и полугорных рек о. Сахалин.................................................................56

2.2. Геоэкологический аспект формирования лавин на равнинных территориях о. Сахалин...................................................................................................................64

Выводы по главе........................................................................................................69

ГЛАВА III. ДАЛЬНОСТЬ ВЫБРОСА ЛАВИН НА О. САХАЛИН..................73

3.1. Характеристики лавинных процессов на о. Сахалин.................................73

3.1.1 Ущерб от лавин.............................................................................................78

3.1.2. Геоморфологические факторы лавинообразования...................................81

3.1.3. Метеорологические факторы лавинообразования......................................86

3.1.4. Снежный покров в лавиносборе................................................................89

3.1.5. Метаморфизм снежного покрова...............................................................91

3.1.6. Растительность в лавиносборе.....................................................................93

3.1.7. Метелевый перенос......................................................................................95

3.1.8. Лавинный режим в Сахалинской области................................................96

3.2. Анализ применения методик расчета дальности выброса лавин на примере о. Сахалин...................................................................................................................97

3.2.1. Описание методик расчета дальности выброса лавин, применяемых для анализа....................................................................................................................97

3.2.2. Анализ методик расчета дальности выброса лавин на примере фактических данных о сошедших лавинах на о. Сахалин..............................102

Выводы по главе......................................................................................................119

ГЛАВА IV. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ДАЛЬНОСТИ ВЫБРОСА ЛАВИН НОВОГО СНЕГА.................................................................122

Выводы по главе......................................................................................................127

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

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................................130

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. С точки зрения лавинной угрозы для населения и хозяйства Сахалинская область относится к наиболее опасным территориям Российской Федерации. Лавинная активность в Сахалинской области проявляется на высотах от 1600 м в горных лавинных комплексах до 0 м на морских побережьях и речных террасах, где лавины пересекают всю производственно-селитебную деятельность населения. Лавиноопасные территории охватывают до 70 % территории Сахалинской области (География лавин, 1992). Лавинная угроза зарегистрирована для 64 населенных пунктов области, из которых 13 городских поселений и 51 сельское поселение. На о. Сахалин в лавиноопасной зоне расположено 57 населенных пунктов (из которых 11 городских и 46 сельских поселений) (Боброва, 2010).

В Сахалинской области основной ущерб от лавин заключается в завалах автомобильных и железных дорог, разрушениях и повреждениях частных жилых домов, муниципальных зданий, промышленных и хозяйственных объектов, однако здесь происходили лавинные катастрофы, в которых погибали десятки человек. Почти ежегодно сходят катастрофические лавины (т. е. лавины, вызвавшие значительный материальный ущерб и человеческие жертвы). Преобладающее большинство катастрофических лавин (69% случаев и 88% погибших) сошло на территории населенных пунктов (Казакова, Лобкина, 2007). Более 50% случаев схода лавин на о. Сахалин приходится на генетический класс лавин нового снега (мете-левого и свежевыпавшего).

Традиционно в лавиноведении лавиноопасными принято считать только горные территории. Так, например, низкие склоны речных террас часто не считают лавиноопасными, и при оценке лавинной опасности эти зоны выделяют как территории, не представляющие угрозы для населения. Тем не менее, в некоторых районах Российской Федерации, в т.ч. на о. Сахалин, на равнинных территориях, отмеченных на картах как нелавиноопасные, были зарегистрированы случаи попадания и гибели людей в лавинах со склонов относительной высотой всего 5

метров. Таким образом, можно говорить о том, что лавинные процессы, характерные для горных территорий, накладывают заметный отпечаток на хозяйственное развитие также на равнинах.

Под влиянием лавинных процессов происходит изменение природно-территориальных комплексов, и возникают природные лавинные комплексы (ПЛК). Оценка геоэкологических последствий схода снежных лавин заключается в исследовании взаимодействия лавинных процессов с природной средой, а также с хозяйственной деятельностью человека. Данная проблема является малоизученной на равнинных территориях. Одним из аспектов изучения взаимного влияния лавинных процессов с хозяйственной деятельностью человека является активизация лавинных процессов в связи с деятельностью человека. Например, создание искусственных склонов увеличивает площадную пораженность территории лавинными процессами и затрудняет ведение хозяйства.

Другим важным геоэкологическим аспектом изучения лавинных процессов на территории равнин является определение границ лавиноопасных зон, что позволяет вести хозяйственную деятельность с учетом активности проявления опасных природных процессов, а именно с учетом формирования снежных лавин. Эта проблема включает в себя два основных направления: составление обзорных карт лавинной опасности, включающих в себя выделение территорий, на которых развиты лавинные процессы, и определение границ дальности выброса конкретного лавиносбора.

В 1965 году впервые была составлена карта лавинной опасности территории о. Сахалин, однако в результате исследований лавинных процессов возникала необходимость расширения границ лавиноопасных территорий. Так, за 45-летний период было составлено более 7 карт лавинной опасности территории о. Сахалин, самой полной из которых является карта «Природные лавинные комплексы Сахалинской области» в масштабе 1:1 ООО ООО, составленная группой авторов из лаборатории лавинных и селевых процессов ДВГИ ДВО РАН (Разработка методики построения карт природных лавинных и селевых комплексов для малоизученных территорий, 1999; Жируев и др, 2011). Впервые на карте лавинной опасности был

выделен равнинный класс природных лавинных комплексов (площадная пора-женность территории лавинными процессами <10%, максимальный объем лавин

о

не превышает 500 м ).

Тем не менее, на некоторых участках территории, выделенной как нелавиноопасная, были зарегистрированы случаи попадания людей в лавины со склонов относительной высотой более 5 метров. Эти участки также необходимо выделять на карте и обозначать как территории с низкой площадной пораженностью лавинными процессами (<10%). Формами рельефа, представляющими собой лавиноопасные склоны, являются дюны, просадочные впадины, речные террасы разных уровней, овраги, также лавины формируются на антропогенно измененных территориях, а именно: авто- и железнодорожные насыпи, отвалы, выемки, карьеры. Преобладающим типом лавин, формирующихся на равнинных и антропогенно измененных территориях, являются лавины нового снега.

Данная проблема характерна как для острова Сахалин, так и для других регионов Российской Федерации (табл. 1). Ежегодно в России в лавинах погибает в среднем более 20 человек. При этом 1-2 человека гибнут в снежных обвалах на равнинных территориях (Селиверстов, [электронный ресурс]).

Таким образом, лавинные процессы, характерные для горных территорий, накладывают заметный отпечаток на хозяйственное развитие также на равнинах.

Под влиянием лавинных процессов происходит изменение природно-территориальных комплексов, и возникают природные лавинные комплексы. Оценка геоэкологических последствий схода снежных лавин заключается в исследовании взаимодействия лавинных процессов с природной средой, а также с хозяйственной деятельностью человека. Данная проблема является малоизученной на равнинных территориях. Одним из аспектов изучения взаимного влияния лавинных процессов с хозяйственной деятельностью человека является активизация лавинных процессов в связи с деятельностью человека. Например, создание искусственных склонов увеличивает площадную пораженность территории лавинными процессами и затрудняет ведение хозяйства. Таким образом, необходимо расширять границы лавиноопасных территорий не только для о. Сахалин, но и

для других регионов страны. В связи с малой изученностью некоторых обширных равнинных регионов страны и невозможностью полного обследования данной территории следует отмечать эти регионы как потенциально лавиноопасные, а в случаях проектирования сооружений на потенциально лавиноопасной территории на стадии инженерного изыскания проводить более детальную оценку степени лавинной опасности.

Другим важным геоэкологическим аспектом изучения лавинных процессов на территории равнин является определение границ лавиноопасных зон, что позволяет вести хозяйственную деятельность с учетом активности проявления опасных природных процессов, а именно с учетом формирования снежных лавин.

При определении границ лавиносбора наиболее важной и сложной задачей является задача определения дальности выброса лавины.

Существует множество моделей движения лавин, для применения которых необходимо знать параметры, в основном зависящие от характера рельефа и массы снежного пласта на склоне, а также требуется определять коэффициенты, характеризующие сопротивление движению лавины. Анализы расчетов дальности выброса лавины, скорости лавины и давления лавины на препятствие, проведенные разными исследователями по различным методикам, показали, что полученные значения часто сильно отличаются от реальных наблюденных данных. При этом для сравнения использовались значения дальности выброса как лавин, которые наиболее часто повторяются на протяжении нескольких зимних сезонов, так и лавин редкой повторяемости, имеющих высокие значения дальности выброса (Северский, 1978; Москалев, 1997; Боброва Д.А., 2009 б; Казакова, 2011). Так, например, полученные расчетные значения дальности выброса лавин по методике С.М. Козика для низких склонов часто дают сильно завышенные результаты, что делает эту методику для расчёта характеристик лавин нового снега малоэффективной.

Проблема оценки динамических характеристик снежных лавин некоторых генетических классов не имеет удовлетворительного решения, что не всегда позволяет адекватно оценивать степень лавинной опасности для объектов и соору-

жений. В связи с высокой частотой формирования лавин нового снега необходима разработка методики, позволяющей максимально точно определять дальность выброса лавин этого генетического класса. Решение этой задачи должно отвечать требованиям применения методик для расчета дальности выброса лавин в неизученных и малоизученных районах.

Объектом исследования являются лавинные процессы.

Предмет исследования: лавины нового снега, формирующиеся на склонах высотой более 5 метров, расположенных на равнинных территориях, и определение дальности выброса лавин нового снега.

Цель работы: оценить лавинную опасность равнинных территорий о. Сахалин.

Задачи исследования:

• Определить условия формирования и характеристики лавин и лавинного режима на равнинных территориях о. Сахалин.

• Построить карту природных лавинных комплексов равнинных территорий о. Сахалин.

• На основе фактических данных о случаях схода лавин на о. Сахалин определить границу дальности выброса лавин нового снега.

• Определить степень зависимости дальности выброса лавин нового снега от параметров лавины и лавиносбора, используемых в расчетных методиках.

• Разработать методику расчета дальности выброса лавин нового снега.

Фактический материал и методы исследований. В основу диссертации

вошли материалы 9-летних полевых работ и стационарных наблюдений, проведенных автором на территории о. Сахалин. В работе использованы архивные и полевые материалы лаборатории лавинных и селевых процессов Сахалинского филиала ФГБУН ДВГИ ДВО РАН, материалы Сахалинского управления по гидрометеорологии и контролю окружающей среды (СахУГМС), архивные материалы AHO НИЦ «Геодинамика».

При сборе и анализе материалов использовались традиционные методы географических исследований. Решение основных задач диссертационной работы осно-

вывалось на применении сравнительно-географического, картографического, экспедиционного, стационарного и других методов исследований динамичных природных систем. Для анализа данных многолетних наблюдений за лавинными процессами использованы методы статистического анализа и методы машинного обучения.

Теоретической и методологической основой диссертационного исследования послужили работы отечественных и зарубежных специалистов в области лавинове-дения (Тушинский Г.К, Войтковский К.Ф., Казаков Н.А., Гофф А.Г., Оттен Г.Ф., Бо-жинский А.Н., Лосев К.С., Благовещенский В.П. и др.).

Научная новизна.

1. Установлено, что лавиноопасными являются равнинные территории, где лавины формируются на склонах с относительной высотой от 5.

2. Выделены участки равнинных территорий о. Сахалин, на которых развиты лавинные процессы, и определены характеристики лавин и лавинного режима.

3. Установлено, что лавины на равнинных территориях о. Сахалин сходят со склонов дюн, бугров пучения, просадочных впадин, речных террас.

4. Установлено, что лавиноопасными могут быть искусственно созданные склоны авто- и железнодорожных насыпей, отвалов, выемок, каналов, карьеров и т.д.

5. Предложен новый метод расчета дальности выброса лавин нового снега, построенный на основе статистических данных о сходах лавин нового снега на о. Сахалин. Методика позволяет определять дальность выброса лавин частой повторяемости генетического класса нового снега.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. На о. Сахалин лавинные процессы развиваются на равнинных территориях, в том числе на антропогенных формах рельефа, при относительной высоте склона более 5 м; максимальные объемы лавин достигают 500 м3; площадная по-раженность равнинных территорий лавинными процессами составляет 1-10 %. Выделено четыре типа природных лавинных комплексов равнинных территорий о. Сахалин.

2. Дальность выброса лавин нового снега объемом до 8 ООО тыс. м3 в меньшей степени зависит от значений объема лавины и площади лавиносбора и в большей степени зависит от формы продольного профиля лавиносбора.

3. Методика расчета дальности выброса лавин нового снега позволяет на основе данных об относительной высоте лавиносбора и форме его продольного профиля рассчитывать дальность выброса лавин нового снега объёмом до 8 ООО м3.

Личный вклад автора. Основные результаты и положения, выносимые на защиту, получены автором лично. Автор принимал участие в сборе и обработке материалов полевых наблюдений.

Практическое значение работы. Основной результат исследования - карта «Природные лавинные комплексы равнинных территорий о. Сахалин» в масштабе 1:1 ООО ООО - рекомендуется для использования на ранних стадиях проектно-изыскательских работ при разработке проектов