Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оценка потенциальной опасности при прорывах горных озер

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Оценка потенциальной опасности при прорывах горных озер"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

ГЕОГРАФИЧЕСКИИ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

КИДЯЕВА Вера Михайловна

ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ОПАСНОСТИ ПРИ ПРОРЫВАХ ГОРНЫХ

ОЗЕР

Специальность 25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

2 и НАР 2014

МОСКВА-2014

005546280

005546280

Работа выполнена в НИЛ снежных лавин и селей и на кафедре гидрологии суши географического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова.

Научный руководитель: ЧЕРНОМОРЕЦ Сергей Семёнович

доцент, кандидат географических наук, старший научный сотрудник НИЛ снежных лавин и селей

Научный консультант: КРЫЛЕНКО Инна Николаевна

кандидат географических наук, старший научный сотрудник кафедры гидрологии суши

Официальные оппоненты: КОНОВАЛОВ Владимир Георгиевич

доктор географических наук, ведущий научный

Защита диссертации состоится «10» апреля 2014 г. в 17 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.68 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, г. Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, ауд. 18-01 (тел. +7 495 9391420, факс +7 495 9328836, e-mail: science@geogr.msu.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Фундаментальной научной библиотеки Московского государственного университета имени М.ВЛомоносова по адресу: Ломоносовский проспект, д. 27, А8. Автореферат размещен на сайте географического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова (http://www.geogr.msu.ru). Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес совета. Автореферат разослан «7» марта 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор геолого-минералогических наук,

сотрудник Института географии РАН КАРГАПОЛОВА Ирина Николаевна

кандидат географических наук, главный гидролог ООО «Эконгинжиниринг» (г. Москва)

Ведущая организация:

Северо-Кавказский институт по проектированию водохозяйственного и мелиоративного строительства, г. Пятигорск (ОАО «СЕВКАВГИПРОВОДХОЗ»)

профессор

Савенко B.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования горных озёр связана с решением проблемы увеличения угроз природных бедствий в горных регионах при прорывах озёр и образования паводков и селей в долинах. Прорывные потоки обладают катастрофической мощностью, могут вести к гибели людей и разрушению хозяйственной инфраструктуры, при этом задача оценки вероятности и прогнозирования их возникновения до сих пор не решена. Оценка опасности прорыва традиционно проводится экспертным путем на основе ограниченного числа данных. Работы по статистическому анализу прорывоопасности встречаются заметно реже. Существующие геоморфологические и гляциологические методы исследования горных озёр рассматривают процессы развития озёр и механизмы прорывов, но недостаточно учитывают как их гидрологические характеристики, так и особенности движения прорывных паводков по нижележащим речным долинам. Таким образом, для горных районов изучение озёр, условий их формирования и развития с точки зрения опасности прорывов является приоритетным.

Объектом исследования являются ледниковые (на примере озёр в Приэльбрусье, Центральный Кавказ, Россия) и завальные горные озёра (на примере оз. Танцзяшань, провинция Сычуань, Китай).

Актуальность выбора ледниковых озёр Приэльбрусья в качестве объектов исследования обусловлена ростом числа туристов и активным развитием туристической инфраструктуры в регионе в последние годы. В районе исследования располагаются населенные пункты Эльбрус, Терскол, Верхний Баксан, большое количество альплагерей (Джан-Туган, Уллу-Тау, Шхельда и др.), канатные дороги, термальные источники Джилы-Су и другие объекты. Общее количество мест в гостиницах Приэльбрусья составляет около 10 тысяч, что говорит о потенциально высокой концентрации туристов в этом регионе. Для ледниковых озёр Приэльбрусья накоплены обширные материалы полевых и дистанционных исследований.

Актуальность изучения завального озера Танцзяшань, образованного в 2008 г. в результате Вэньчуаньского землетрясения, заключается в высокой вероятности вторичных землетрясений в регионе, которые могут вызвать падение обвалов в озеро или разрушение плотины. Озеро расположено в густонаселенном горном районе провинции Сычуань (Китай). Ниже оз. Танцзяшань в долине реки расположен г. Мяньян с населением 4,6 млн чел. (в 70 км), разрушенный землетрясением г. Бэйчуань (в 8,5 км), около 40 поселков, четыре крупных гидротехнических сооружения (плотины Кучжуба, Тункоу, Тункоухэ, Цинлянь), несколько крупных мостов и автодороги. Исследование указанного водного объекта позволяет проследить процесс формирования завального озера практически с момента его возникновения.

Предметом исследования являются современное состояние горных озёр, тенденции их развития, факторы прорывной опасности и опасные гидрологические процессы в долинах, связанные с прорывами горных озёр.

Цель диссертационной работы - оценить потенциальную опасность при прорывах горных озёр. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1) исследовать гидрологические характеристики и режим горных озёр;

2) изучить тенденции развития горных озёр;

3) выявить факторы, влияющие на прорывы горных озёр;

4) оценить вероятность прорывов и ранжировать озёра по степени опасности;

5) провести гидродинамическое моделирование прорывных паводков и зонировать участки речных долин по максимальным характеристикам потоков;

6) оценить и зонировать потенциальную опасность в долинах при прорывах горных озёр.

Методика исследования и фактический материал. В работе использованы материалы исследования ледниковых озёр, собранные с 1999 г. селевым отрядом географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, который состоял из учёных и специалистов научно-исследовательской

лаборатории (НИЛ) снежных лавин и селей, НИЛ эрозии почв и русловых процессов, кафедр геоморфологии и палеогеографии, гляциологии и криолитологии, гидрологии суши, при активном участии автора диссертации с 2008 г. Ежегодные наблюдения за Башкаринскими озёрами были начаты в 1999 — 2000 гг. На озёрах у ледника Бирджалычиран проводились экспедиционные исследования в 2006, 2009 гг. и рекогносцировочные обследования в 2010 и 2013 гг. Для исследования некоторых объектов организовывались отдельные полевые экспедиции (оз. Малое Азау, Донгуз-Орункель, Сылтранкель, Азот, Микельчиран и др.), остальные озёра изучались дистанционно с использованием разновременных космических и аэрофотоснимков высокого разрешения.

Материалы по оз. Танцзяшань были получены при сотрудничестве с Институтом горных опасностей и окружающей среды Китайской академии наук (КАН) в ходе двух экспедиций 2010 и 2011 г. с участием автора.

Для анализа горных озёр в работе применяются различные методы: сравнительно-географические, районирование, геоинформационные,

картографические, математического моделирования и статистические. Картографический и геоинформационный анализы были проведены с использованием программных пакетов ESRI (ArcView GIS v.3.2a, ArcGIS v.9.3.1). Анализ данных был проведен в программах MS Excel 2010, StatSoft Statistica v.6.0, EViews 7. Моделирование движения потоков осуществлялось с использованием программных комплексов «River» (авторы - В.В. Беликов, А.Н. Милитеев) и FLO-2D (авторы - Дж. О'Брайен и др.).

В диссертации проанализированы научные и практические результаты работ отечественных и зарубежных учёных в области лимнологии (Богословского Б.Б., Хатчинсона Г.Е., Эдельштейна К.К. и др.), горной гидрологии (Панова В.Д.„ Керемкулова В.А., Сейновой И.Б., Ефремова Ю.В., Голубева Г.Н., Зимницкого A.B. и др.), исследования опасных гидрологических и гляциологических процессов в горах (Виноградова Ю.Б., Рейнольдса Дж., Строма А.Л., Докукина М.Д., Запорожченко Э.В., Петракова Д.А., Черноморца С.С., Ерохина С.А., Ильичева Ю.Г., Богаченко Е.М. и др.).

Основные защищаемые положения:

1. На фоне отступания ледников Приэльбрусья наблюдается закономерный рост ледниковых озёр, сопровождающийся активными изменениями их гидрологических характеристик и увеличением прорывоопасности.

2. Основными факторами прорывоопасности для озёр Приэльбрусья являются характеристики плотин: коэффициент устойчивости плотины на сдвиг и отношение высоты плотины до уреза воды к высоте. Ранжирование горных озёр на основе разработанных методов индексной оценки прорывоопасности с использованием бинарной логит-модели выявило наиболее опасные объекты - оз. Ледниковое, оз. Малое Азау, оз. Башкара.

3. Потенциальная опасность в горных долинах зависит от вероятности прорыва горных озёр и возможной интенсивности прорывного паводка (селя). Предложенная методика зонирования интенсивности потока на основе методов двумерного математического моделирования учитывает индекс прорывоопасности горных озёр и позволяет проводить сравнительный анализ условий в разных долинах по интегральной шкале потенциальной опасности.

Научная новизна работы:

1. При участии автора впервые получены морфометрические и гидрологические характеристики некоторых горных озёр и проанализированы их многолетние изменения. Для отдельных водных объектов впервые детально исследованы сезонные и суточные колебания уровня воды.

2. Предложен метод оценки вероятности прорыва горных озёр и расчёта индексов прорывоопасности на основе комплекса количественно выраженных факторов.

3. Для участков долин ниже опасных водных объектов адаптированы математические модели движения водных и селевых потоков, которые позволили оценить пространственное распределение характеристик прорывных паводков и селей.

4. Зонирование потенциальной опасности на участках долин проведено на основе интегральной шкалы, учитывающей не только интенсивность потока, но и вероятность возникновения прорывных паводков.

Личный вклад автора заключается в проведении батиметрических съемок и полевых исследований части ледниковых озёр и завального оз. Танцзяшань. Полевые материалы по многим озёрам были получены и проанализированы автором впервые. Диссертантом выявлены факторы, влияющие на опасность прорывов горных озёр, и предложены методы их расчета. Разработан метод оценки вероятности прорыва озёр на основе построения бинарной логит-модели и интегрального индекса. Предложен универсальный метод зонирования горных долин по степени потенциальной опасности.

Практическая значимость работы заключается в том, что результаты исследования гидрологических характеристик ледниковых и завальных озёр, а также разработанная система индексов прорывоопасности могут быть использованы при выявлении наиболее опасных объектов и создании систем их мониторинга. Полученные результаты по зонированию опасности в горных долинах могут стать основой для планирования водохозяйственной деятельности и оценки потенциального ущерба от наводнений и селей, а также для информирования населения и расчета рисков. Результаты исследования могут быть использованы в работе региональных отделений УГМС, МЧС России, районных и областных администраций, туристических организаций, например, ОАО «Курорт Эльбрус», альплагерей, например, УСБ «Джан-Туган», АУСБ «Шхельда», АУСБ «Уллутау» и др.

Результаты работы были использованы при выполнении проектов РФФИ: «Опасные гляциальные процессы на этапе современного сокращения оледенения» (№ 09-05-00934_а), «Оценка опасности и зон риска для селевых потоков России и Китая» (№ 08-05-92206-ГФЕН_а), «Исследование ключевых параметров сейсмогенных и вулканогенных селевых потоков большого объёма для оценки их опасности» (№ 12-05-91178-ГФЕН_а), а также проектов № 10-05-01127_а,

программы поддержки ведущих научных школ (проект НШ-3271.2010.5) и проекта NATO Science for Peace 982143.

Основные результаты работы нашли практическое применение при реализации государственного контракта № 14.515.11.0009 «Оценка природного риска, вызванного наводнениями, снежными лавинами и селевыми потоками на юге Европейской части России и их мониторинг» ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».

Апробация работы и публикации. Положения диссертационного исследования изложены на международной конференции «Первые Виноградовские чтения. Будущее гидрологии» (Санкт-Петербург, 2013), семинаре по гидрологическому моделированию (Кобленц, Германия, 2012), III всероссийской конференции «Ледовые и термические процессы на водных объектах России» (Онега, 2011), конференции молодых ученых, посвященной 55-летию Института прикладной геофизики (Москва, 2011), региональной конференции по устойчивости к климатическим рискам «Содействие устойчивости к отдаленным гео-угрозам» (Душанбе, 2010), международной конференции «Снижение риска природных катастроф в горах» (Бишкек, 2009), IV международной конференции «Земля из космоса - наиболее эффективные решения» (Москва, 2009), второй научной конференции молодых ученых и талантливых студентов ИВП РАН «Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность» (Москва, 2008).

Методические подходы исследования были апробированы на Конгрессе Европейской Ассоциации Региональной Науки (Палермо, 2013). Основные результаты исследования представлены на Международной научной конференции «Ломоносов» (Москва, 2013), на Генеральной Ассамблее Европейского Союза Наук о Земле (Вена, 2013) и на международной конференции «Опасные природные явления, изменение климата и водные ресурсы в горных районах» (Бишкек, 2013).

Результаты исследований опубликованы в 2 статьях в научных журналах, включенных в перечень рецензируемых научных изданий, и в 12 статьях и тезисах докладов в других изданиях общим объёмом 3 п.л.

Структура и содержание работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и трёх приложений. Общий объём работы 195 страниц, включая 64 рисунка, 19 таблиц. Список использованных источников включает 170 наименований, в том числе 45 - на иностранных языках.

Автор выражает благодарность научному руководителю доценту к.г.н. Черноморцу С.С., научному консультанту к.г.н. Крыленко И.Н. и к.г.н. Петракову Д.А. за методическую помощь в написании диссертации, ИТЦ «СканЭкс» и к.г.н. Алейникову A.A. за предоставленные космические снимки, вице-директору Института горных опасностей и окружающей среды КАН профессору Фанцяну Вэю, сотрудникам и студентам, работающим на гляциологической станции МГУ «Джанкуат» и участникам селевого отряда МГУ, в особенности Крыленко И.В., за помощь в сборе полевого материала.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи работы, перечислены основные защищаемые положения, показана научная новизна, практическая значимость исследования, приведены сведения об апробации результатов работы.

В первой главе «Горные озёра: основные понятия и опыт исследования» охарактеризованы объекты исследования, физико-географические условия их формирования, основные понятия и используемые термины.

Горные озёра рассматриваются как уникальные водные объекты, существующие ограниченный промежуток времени, состояние которых может быстро меняться во времени и подверженные особым условиям горных территорий. Из всего многообразия типов горных озёр в работе изучены ледниковые и завальные озёра.

Рисунок 1 - Расположение ледниковых озёр Приэльбрусья: 1 - Малое Азау; 2 — Ирик; 3 - Ирикчат; 4 - Сылтранкель; 5 - Донгуз-Орункель; 6 - Башкара; 7 - Лапа;

8 - Джаловчат; 9 — Азот; 10 - Кичкидарские озёра; 11 - Юном; 12 - Суллуколь; 13, 14 - Верхнее и Нижнее Сакашиль; 15, 16 - Верхнее и Нижнее Кюкюртлю; 17 — Микельчиран; 18 - группа озёр Бирджалычиран; 19 - группа озёр Чунгурчатчиран; 20 - группа озёр Балыксубаши; 21 - Карангуколь.

В Приэльбрусье в верховьях бассейнов р. Баксан и р. Малка (бассейн р. Терек) по результатам анализа космических снимков насчитывается 36 ледниковых озёр (рис.1), расположенных на абсолютных высотах от 2000 до 3500 м н.у.м. Наиболее крупными из них являются: в долине р. Баксан - озёра Сылтранкёль, Донгуз-Орункёль, Малое Азау, группа озёр у ледника Башкара, и в долине р. Малка - группы озёр у ледников Бирджалычиран, Чунгурчатчиран и Микельчиран. Большинство озёр (31) - моренно-запрудные, оз. Сылтранкёль, Джаловчат и оба озера у ледника Кюкюртлю - каровые, оз. Башкара - ледниково-запрудное, в регионе также периодически возникают и исчезают небольшие эфемерные озёра.

Завальные озёра исследуются на примере оз. Танцзяшань, которое относится к типу завально-обвальных. Озеро образовалось в долине р. Цзяньцзян (бассейн р. Янцзы) во время Вэньчуаньского землетрясения 12 мая 2008 г. Объём обвала, сошедшего с г. Танцзяшань и образовавшего озеро, составил 2,437-107 м3

(Liu et al., 2009). Озеро расположено на абсолютной высоте около 700 м н.у.м. Поскольку после образования оз. Танцзяшань было нестабильно и могло прорваться, местные власти были вынуждены эвакуировать более 250 тыс. человек, а затем провести работы по частичному разрушению дамбы и спуску части воды из озера.

Под прорывом озера понимается быстрое опорожнение озерной котловины, вызывающее значительное повышение расхода воды в долине. Последствиями прорывов и переливов горных озёр могут стать паводки (прорывные, гляциальные паводки), селевые паводки, наносоводные паводки и сели в нижележащих речных долинах, связанные с увеличением расходов и поднятием уровней воды в реках.

Опасность, возникающая при прорывах горных озёр, - это угрожающее событие или вероятность проявления потенциально разрушительного явления с указанием места и времени его развития, то есть опасность определяется всем комплексом природных условий территорий, от которых зависит вероятность развития опасного явления и его интенсивность (Гладкевич, Фролова, Терский, 2011). Понятие потенциальная опасность можно рассматривать с двух позиций: опасность является потенциальной, если она не определена точно во времени, или если не определены объекты, на которые может воздействовать опасное явление, но очевидно, что в перспективе они могут появиться.

Обзор изученности озёр горных территорий мира и в особенности Кавказа показал, что оценка опасности прорывов горных озёр и образования паводков и селей является приоритетным направлением современных исследований.

Во второй главе «Методы исследований» описаны основные методы исследования, применённые в работе. Полевые исследования с участием автора охватили 11 горных озёр, они заключались в рекогносцировочных обследованиях озёр и долин, проведении промеров глубин, описании озёрных перемычек, наблюдении за уровенным режимом. Многие объекты были обследованы в полевых условиях впервые.

Полевые исследования являются наиболее информативными, но сложными, в связи с труднодоступностью озёр, поэтому в работе большая роль отведена

дистанционным методам, которые состояли из анализа космических и аэрофотоснимков высокого разрешения, топографических карт. Анализ разновременных материалов позволил проследить эволюцию озёр Приэльбрусья с 1887 по 2013 г., получить и проанализировать данные о расположении, площади, форме исследуемых озёр.

Результаты полевых и дистанционных исследований были систематизированы с использованием геоинформационных методов. Созданные ГИС-проекты содержат слои с космическими снимками, топографическими картами, контурами ледников, цифровыми моделями рельефа (ЦМР), контурами озёр и картами глубин, данными о расположении и отметках футштоков для наблюдения за уровнем воды, контурами населенных пунктов, поперечными профилями долин, результатами моделирования прорывных паводков и селей и другими данными.

Методы математического моделирования были применены для решения задач расчета динамики прохождения прорывных паводков по долинам рек. Для достижения целей данной работы были использованы двумерные математические модели, основанные на реализации численных методов решения системы уравнений Сен-Венана. Были использованы программные комплексы «River» и FLO-2D. Отличием программного комплекса FLO-2D является наличие селевого блока, позволяющего рассчитывать параметры движения селевого потока на основе уравнений движения неньютоновских жидкостей. Моделирование потоков в горных условиях имеет свои особенности в связи с недостатком или недостаточным разрешением исходных картографических материалов, ЦМР, отсутствием данных гидрологического мониторинга, оценочными параметрами гидрографов прорывов. Входные гидрографы прорывов и максимальные расходы воды оценивались по данным полевых наблюдений, эмпирическим формулам или литературным источникам.

Статистические методы анализа при исследовании горных озёр применялись с ограничениями в связи с небольшим количеством, разнородностью исследуемых объектов и непродолжительными рядами данных. Статистические

методы использовались для изучения факторов прорывоопасности озёр, для анализа связи этих факторов с реально произошедшими прорывами, для разработки индекса прорывоопасности и оценки вероятности прорывов. На основе выявленных факторов была построена бинарная логит-регрессия, описывающая связь между вероятностью прорыва и характеристиками озёр.

В третьей главе «Характеристики горных озёр ледникового и завального типов» приведены морфометрические характеристики исследованных озёр, проанализировано развитие озёрных котловин и динамика берегов, выявлена связь изменений горных озёр с деградацией оледенения, исследованы колебания уровенного режима.

Максимальные объёмы воды в озёрах Приэльбрусья сосредоточены в оз. Сылтранкель (2,2 млн м3), Башкара (0,8 млн м3), Донгуз-Орункель (0,5 млн м3). Эти же озёра характеризуются на настоящий момент наибольшими площадями водной поверхности (158, 70 и 69 тыс. м2 соответственно). В число наибольших озёр входило также озеро у ледника Бирджалычиран (Б-5 или Ледниковое) с объёмом 0,55 млн м3 и площадью 84 тыс. м2, оно прорвалось в августе 2006 г. Явления, связанные со спуском воды, наблюдались в последние годы также в озёрах: Микельчиран (2007), Башкара (2008), Малое Азау (2011) и Кривое (2013).

За период с 2001 по 2013 гг. были проведены многократные промеры 13 ледниковых озёр (всего 33 батиметрические съёмки), результаты которых позволили получить зависимости объёма озера от его площади (1) и максимальной глубины от средней (2):

W= 0,58-F1'62 (Я=0,95), (1)

/гтах = 2,78-/гсреД„ (Д=0,98), (2)

где W - объём озера, тыс. м3; F - площадь озера, тыс. м2; /гтах - максимальная глубина озера, м; /гсрсд„ - средняя глубина озера, м. Зависимости имеют региональный характер и подходят для относительно небольших объектов площадью до 200 тыс. м2, они использовались в работе для определения характеристик неизученных озёр.

Объём и площадь завального оз. Танцзяшань, промеры глубин которого были выполнены с участием автора в ноябре 2010 г., составляли 70 млн м3 и 3,8 млн м2 соответственно, что существенно превосходит аналогичные характеристики ледниковых озёр Приэльбрусья. Промеры проводились при уровне воды на отметке 700 м н.у.м, максимальный уровень озера через месяц после землетрясения был более, чем на 40 м выше. По оценкам, максимальный объём озера достиг 200 млн м3 (Chen et al., 2010).

Сравнительный анализ котловин ледниковых озёр по данным повторных промеров глубин выявил их активное переформирование. Особенно этот процесс характерен для озёр, подпруженных ледниками или находящихся рядом с ними. Ледниковые озёра - динамично развивающиеся водные объекты, меняются не только среднегодовые площади озёр, но и отметки дна, формы и очертания берегов, островов. Отметки дна от года к году максимально могут меняться на 1014 м, линия уреза может перемещаться на расстояние до 20 м. Оз. Кривое у ледника Бирджалычиран (рис. 2) и оз. Лапа у ледника Башкара увеличиваются с наибольшими темпами, их площади за последние 5 лет выросли более чем в 2 раза.

2009 (P^Ns 2009/ \j 2007 ' L '

Изменение глубин, м - урез озера в 2006 г. Шкала глубин, м мв _2 _ _•) , -урез озера в 2007 0 - 2 Ш 4 - 6 |—I 1" п , ! " , и в 2009 гг. ИИ2-4И6-8 □„-1 —

Рисунок 2 - Береговая линия и глубины оз. Кривое (Запятая, Подкова, Б-2) у ледника Бирджалычиран и их изменения за период 2006 - 2009 гг.

Анализ разновременных топографических карт и данных дистанционного зондирования Земли показал, что за последние 100 лет в Приэльбрусье на фоне деградации оледенения прослеживается закономерное увеличение площадей ледниковых озёр, что приводит к росту нестабильности приледниковых моренных комплексов и краевых частей ледников.

Суммарная площадь озёр в предпольях ледников Эльбруса (Малый Азау, Кюкюртлю, Микельчиран, Бирджалычиран и Чунгурчатчиран, Ирик и Ирикчат) в 1957 г. составила 77,6 тыс. м2, к 1997 г. площадь озёр увеличилась на 18%, а за период с 1997 по 2007 г. на 44%. При этом площадь оледенения всего Эльбруса за 50 лет уменьшилась с 129,3 км2 до 114,3 км2 (Панов, 1993; Золотарёв, 2009). Активные изменения как числа горных озёр, так и их гидрологических характеристик повышают общую потенциальную опасность в Приэльбрусье.

Одной из важнейших характеристик для оценки изменений озёр являются данные о режиме сезонных и многолетних колебаний уровня воды.

Среднегодовые колебания на ледниковых озёрах Приэльбрусья могут достигать 1 - 5 м. Аномальные отклонения уровней от среднемноголетних значений могут приводить к повышению прорывоопасности озера, что наблюдалось автором на оз. Башкара в 2008 г. (рис. 3). Прорывы ледниковых озёр в результате изменений режима сезонных колебаний уровня воды имеют водно-балансовый генезис, они могут возникнуть в результате превышения критических температур воздуха и количества осадков. Опасность данных процессов повышается при отсутствии поверхностного стока воды.

При анализе сезонного режима уровней воды оз. Башкара была получена линейная зависимость между размахом колебаний уровня воды и размахом колебаний температуры воздуха. Максимальный размах колебаний уровня воды относительно тренда составил 0,6 м, средний - 0,2 - 0,3 м. Полученная линейная зависимость описывается следующим уравнением:

Рн =0,03 -Рт-0,03, (Д=0,56) (3)

где Рн — размах колебаний уровня воды за исследованный период, м; Р, - размах колебаний температуры воздуха за исследованный период, °С; коэффициент при Рт имеет размерность (м/°С).

2591

//. м н.у.м.

25X7

25X6

2585

Октябрь

--1 — 2

-7 -—8

•10 ▲ 11

Рисунок 3 — Сезонные колебания уровня воды в оз. Башкара в теплый период (июнь - октябрь) за годы: 1 - 1999; 2 - 2000; 3 - 2001; 4 - 2002; 5 - 2003; 6 - 2004;

7 - 2005; 8 - 2007; 9 - 2008; 10 - 2009; 11 - нуль футштока 2586,55 м н.у.м.

В связи с некоторой инертностью реакции системы ледник-озеро на изменение температуры, понижение температуры воздуха вызывает более сильное по модулю понижение уровня воды, чем её повышение. Данная зависимость может служить для определения колебаний уровня озера дистанционными методами.

В четвертой главе «Оценка возможной прорывной опасности горных озёр» рассмотрены и применены различные методы для оценки прорывной опасности, исследованы факторы прорывоопасности, предложена балльная шкала для зонирования потенциальной опасности в долинах.

В диссертационной работе было сделано предположение, что вероятность прорыва горного озера может быть рассчитана с помощью бинарной логит-регрессии, зависимой переменной в которой является наличие/отсутствие

прорыва за последние 10 лет (I - наличие прорыва, 0 - отсутствие прорыва), а независимыми переменными - факторы прорывной опасности.

На основании данных хорошо изученных объектов исследования (31 озеро) после применения процедур факторного анализа были выбраны пять наиболее устойчивых и наименее скоррелированных между собой переменных: объём озера, объём, который может накопить котловина до начала стока, коэффициент устойчивости плотины на сдвиг, отношение ширины плотины к ее относительной высоте, отношение высоты плотины до уреза воды к высоте плотины.

Для расчета коэффициента устойчивости на сдвиг использовалась формула для гравитационных плотин (Чугаев, 1970; Кумсиашвили, 1998):

^(C-W + CS ? (4)

где G - вес плотины (кгхм/с2); Р - гидростатическое давление воды на подошву плотины (кгхм/с2); /— коэффициент трения по материалу грунта основания; С -коэффициент сцепления тела плотины с основанием (кг/мхс2); В - площадь основания плотины (м2); ZR - сумма гидростатических давлений воды со стороны верхнего R\ и нижнего бьефов Ri (кгхм/с2).

Для расчета функции прорывоопасности показатели были возведены в степень таким образом, чтобы уменьшить асимметрию выборки, а также были нормированы по методу «мин-макс» (или методом линейного масштабирования).

Установлено, что значимыми переменными регрессии являются коэффициент устойчивости плотины на сдвиг и отношение высоты плотины до уреза воды к высоте плотины. Параметризованное уравнение регрессии со свободным членом имеет следующий вид:

ехр(2,88 -13,05 х / (coeff°A) - 8,49 х I(plot)) Г ~ 1 + ехр(2,88 -13,05 х ¡(coeff0'') - 8,49 х I(plot)) £'

где Рг - вероятность прорыва исследуемого озера в сравнении с другими озёрами

Приэльбрусья; I(coeff"A) — нормированный индекс коэффициента устойчивости

плотины на сдвиг, возведенного в степень 0,1; I(plot) - нормированный индекс

отношения высоты плотины до уреза воды к высоте плотины, е - остатки.

Для дальнейшего использования при зонировании долин предложен интегральный индекс прорывоопасности:

I(proriv) = 0,5 х /(vo/0'05) + 0,35 х (1 - I{coeff0A)) + 0,15 х (1 - I(plot)), (6) где I(proriv) - интегральный индекс прорывоопасности исследуемого озера; /(vo/0'05)- нормированный индекс объёма озера, возведенного в степень 0,05; I(coeffu) - нормированный индекс коэффициента устойчивости на сдвиг, возведенного в степень 0,1; I(plot) - нормированный индекс отношения высоты плотины до уреза воды к высоте плотины. В построенной логит-модели оценка влияния переменной «Объём озера» оказалась неоднозначной, так как сам по себе объём может и не влиять на вероятность прорыва. Но для оценки потенциальной опасности для нижележащих долин эта переменная значима, так как от неё зависит потенциальный объём прорывного паводка, поэтому переменная включена в качестве дополнительного параметра в индекс.

Рисунок 4 — Индекс прорывоопасности ледниковых озёр Приэльбрусья.

Правомерность использования указанного индекса (рис. 4) подтверждается формой зависимости между ним и функцией прорывоопасности, напоминающей логистическую кривую (рис.5). Наиболее высокий индекс прорывоопасности был получен для оз. Ледниковое (по данным за 2006 г.).

♦ ь

♦ ♦

♦ ♦ ♦

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Индекс прорывоопасности

Рисунок 5 - Соотношение между индексом прорывоопасности и вероятностью

прорыва.

Интенсивность наводнения в речной долине определяется удельной энергией потока, которая в свою очередь зависит от глубины, плотности потока и квадрата его скорости (Беликов, 2005; Методика..., 2003):

Руд.=0,5рН-У2 (7),

где р — плотность жидкости (водного или селевого потока), кг/м3; Н — глубина потока, м; V— модуль скорости течения, м/с. Скорости течения и глубины могут быть получены на основе численного моделирования движения волн прорыва. Так как удельная энергия потока изменяется в широком диапазоне от нуля до нескольких миллионов, шкалу баллов разрушений удобно разделить на пять классов по преобладающим типам разрушений (табл.1).

_Таблица 1 - Шкала интенсивности наводнений. _ _

Баллы интенсивности 1 2 3 4 5

Удельная энергия потока, РУд., кг/с2 <62,5 62,51000 10004500 4500171500 >171500

Разрушения Нет, возможен смыв с/х угодий Низкие Средние Сильные Катастрофические

Заключительным этапом в разработке методики оценки потенциальной опасности при прорывах горных озёр стала разработка интегральной шкалы для зонирования потенциальной опасности (рис. 6).

Интенсивность 5 5 4 3 2 1

4 4 3.2 2.4 1.6 0.8

3 3 2.4 1.8 1.2 0.6

2 2 1.6 1.2 0.8 0.4

1 1 0.8 0.6 0.4 0.2

1 0.8 0.6 0.4 0.2

проры Индекс воопасности

Рисунок 6 - Шкала зонирования потенциальной опасности при прорыве горных

озёр.

Интегральная шкала учитывает индекс прорывоопасности и интенсивность возникающих наводнений. Шкала состоит из 5 классов, каждый из которых представляет собой степень (балл) разрушения сооружения, помноженную на оценку вероятности его возникновения. Зонирование с использованием данной шкалы позволяет сравнить потенциальную опасность в речных долинах между собой благодаря единым подходам к оценке вероятности.

В пятой главе «Анализ потенциальной опасности при прорывах горных озёр» для ключевых участков речных долин ниже Башкаринских озёр, оз. Ледниковое и оз. Танцзяшань построены гидродинамические модели движения прорывных водных паводков (на основе программного комплекса «River») и селей (на основе программного комплекса FLO-2D).

Для каждой из долин на основе материалов полевых наблюдений и данных предыдущих исследований сформулированы задачи оценки потенциальной опасности на основе различных сценариев опасных процессов.

Для участка речной долины ниже оз. Башкара и Лапа (р. Адыл-Су) первый сценарий представляет собой прорыв оз. Башкара с последующим вовлечением в паводок нижнего озера, этот сценарий изучен в работах (Гнездилов, Иващенко, Красных, 2007; Норин, Крыленко, 2008; Petrakov et al, 2012). Во втором сценарии предполагается, что при отступании ледника Башкара объём оз. Лапа увеличится до 500 тыс. м3, тогда максимальный расход прорывного паводка составит 200 м3/с.

По данным моделирования максимальный расход паводка второго сценария наблюдается через 250 мин. после начала прорыва. От верхнего створа до альплагеря «Джан-Туган» (3 км ниже по течению) волна добегает за 15-20 мин., что соответствует скорости 2-2,5 м/с. Среднее время добегания от места прорыва до устья р. Адыл-Су менее 1 ч. Трансформации гидрографа практически не происходит. Максимальные глубины в районе альплагеря достигают 8 м, максимальные скорости в русле реки 9 м/с.

Для участка долины ниже оз. Ледниковое (р. Бирджалы-Су) были воспроизведены параметры селевого потока, образовавшегося при прорыве озера в августе 2006 г. Максимальный расход гидрографа прорыва был оценен в 20 м3/с, при времени излияния около 20 ч, а селевого потока - 150 м3/с.

По результатам моделирования, затопление минеральных источников поляны Джилы-Су, расположенных в 10 км ниже озера, произошло через 11-12 ч после начала прорыва, максимальная глубина затопления составила 3 м, а максимальные скорости 4 м/с. В районе источников поток имел максимальную транспортирующую способность и разрушительную силу. Ширина селевого потока в 100 м выше источников составляла около 30 м, в районе источников выше слияния с р. Кизилкол около 15 м, в месте слияния - около 90 м. Большая часть транспортируемых наносов отложилась в районе источников, ниже поток из селевого трансформировался в водный. Мощность отложений по данным моделирования могла составить до 3 м, что соответствует результатам полевых наблюдений (Черноморец и др., 2007; Запорожченко, 2008).

Моделирование прорывных паводков ниже оз. Танцзяшань было проведено на участке речной долины длиной 27 км по двум сценариям. Первый сценарий основан на исследовании событий «прорыва» озера после землетрясения в июне 2008 г., когда была искусственно разрушена дамба и частично спущен большой объём воды. Калибровка модели была проведена на основе сравнения смоделированных гидрографов образовавшейся паводочной волны и данных натурных измерений (Chen et. al, 2010; Zhang, 2010).

Максимальный смоделированный расход воды в створе г. Бэйчуань (в 8,5 км ниже озера) составил 6389 м3/с, что несколько ниже измеренного (рис. 7), а в створе Тункоу (в 26,8 км ниже озера) - 6271 м3/с, что практически совпадает с измеренным значением.

Рисунок 7 - Сравнение измеренных и смоделированных гидрографов в створах

г. Бэйчуань.

Второй сценарий предполагает стабильность дамбы оз. Танцзяшань к разрушениям, а паводок в долине образуется в результате крупного обвала при повторном землетрясении, который в случае падения достаточно близко к дамбе может вызвать волны перелива. Вероятный неустойчивый участок берега озера расположен приблизительно в 3 км от створа дамбы, объём обвала был принят равным 1 х 106 м3. Гидрограф перелива воды был получен с использованием программного комплекса «River». Для этого было создано два файла с рельефом дна - один без изменений, а второй с отметками, которые были бы при падении на дно обвала. При расчетах первый файл был заменен на второй без остановки процесса счета. Максимальный расход в створе дамбы составил около 5000 м3/с, основной объём воды прошел через створ за 10 мин. (рис. 8).

Максимальные глубины паводка, при этом сценарии наблюдаются на дамбе и в 1 км ниже нее - до 18,7 м. В районе г. Бэйчуань максимальные глубины достигают 5 м. В поселках ниже по течению глубины затопления уменьшаются до 2-3 м, а паводок распластывается и затапливает довольно плоское дно долины.

Скорости течения потока велики - у дамбы оз. Танцзяшань они достигают 13,7 м/с. Ниже дамбы максимальные скорости достигают 4-5 м/с в наиболее узких участках долины, на остальных участках долины максимальные скорости не более 3 м/с.

Рисунок 8 - Гидрограф перелива через дамбу оз. Танцзяшань при падении в озеро

обвала.

Зонирование потенциальной опасности в исследованных долинах осуществлено с использованием разработанной шкалы. Интенсивность потока в долине р. Адыл-Су выше альплагеря Джан-Туган составила 4 и 5 баллов, что говорит о возможных разрушениях мостов, грунтовых дорог, переходов коммуникаций на участках врезанного русла. В расширении у альплагеря интенсивность до 3 баллов, но разрушению подвержен палаточный городок. Потенциальная опасность у альплагеря соответствует 2 и 3 баллам при индексе прорывоопасности для обоих озёр 0,96.

Интенсивность селевого потока при подходе к минеральным источникам Джилы-Су составила 3 и 4 балла, что соответствует средним и сильным разрушениям объектов в зоне затопления. В районе источников были разрушены купальни, крытые павильоны, железный мост через реку, что как раз и должно было произойти при расчетной удельной энергии потока. Потенциальная опасность составила также 3 и 4 балла при высоком индексе прорывоопасности (рис. 9).

\\ %

Ч

******* .»я»'"

Р- Малка

мин. источники

250 500

1000

1 > ! Ъ

\

,Р- Малка

мин.источники

-г'

р.6ирджаль/,с

Интенсивность селевого патока, балл

2 3 4 5

Г'

р.6ирджалЬ/,с

V

Потенциальная опасность, балл

1 ВЯ 2 з >м Х1! 0 250 500 1 000 м

Рисунок 9 - Зонирование части долины р. Бирджалы-Су по интенсивности и степени потенциальной опасности при прохождении селевого потока.

Зонирование интенсивности наводнения в долине ниже оз. Танцзяшань показало, что наибольшим разрушениям (3 и 4 балла) будут подвержены населенные пункты на протяжении 10-12 км ниже дамбы, включая г. Бэйчуань. Расположенные на пониженных участках долины дороги, легкие деревянные жилые дома, небольшие кирпичные дома будут разрушены. Наибольшая интенсивность потока наблюдается в русле - 4 балла, что говорит о возможных разрушениях мостов и различных переходов через реку. Зонирование потенциальной опасности не представляется возможным в связи с отсутствием региональных данных, необходимых для построения индекса прорывоопасности.

Для оценки величины средней по профилю удельной энергии потока в других долинах в условиях недостатка исходных данных для детальных расчетов

можно использовать зависимость, полученную в результате численных экспериментов для долины р. Адыл-Су (рис. 10), вида:

Руд.=а- 10п-6"к, (8)

где Ь - ширина поймы, м; к - безразмерный коэффициент, степень при 6; (ах 10п) -коэффициент в уравнении, его размерность (кг-мк/с2); степень п меняется от 7 до 9 при максимальных расходах воды паводков (2тах) 0Т 62 до 247 м3/с.

-(3=62 мЗ/с -(3=123.5 мЗ/с -(2=186 мЗ/с -<2=247 мЗ/с

Рисунок 10 - Зависимости интенсивности потока от ширины поймы, полученные для различных расходов воды.

Оценка средней по профилю Руд. для однородных по морфометрии участков долины переводится в баллы интенсивности потока, затем, с учетом индекса прорывоопасности в баллы потенциальной опасности. Данное уравнение можно использовать только при допущении, что исследуемая горная долина имеет сходные с долиной р. Адыл-Су морфометрические характеристики и характер пойм. Для более корректного использования данного метода необходимо в дальнейшем добавить другие горные долины для построения зависимости более общего вида.

В Заключении сформулированы основные выводы диссертации:

1. Полученные региональные зависимости для ледниковых озёр Приэльбрусья позволяют дистанционно оценить такие важные характеристики неизученных озёр, как объём воды и максимальная глубина.

2. Сравнительный анализ котловин ледниковых озёр за разные годы выявил их активное переформирование. Особенно этот процесс характерен для озёр, подпруженных ледниками или находящихся рядом с ними. Отметки дна максимально могут меняться на 10-14 м, линия уреза может перемещаться на расстояние до 20 м в год. Оз. Кривое и Лапа являются наиболее быстро растущими в Приэльбрусье, их площади за последние 5 лет увеличились вдвое.

3. Сравнение многолетней изменчивости площадей ледников Эльбруса с площадью ледниковых озёр, расположенных их в предпольях, показало, что в регионе на фоне деградации оледенения прослеживается закономерный рост ледниковых озёр. Суммарная площадь озёр на склонах Эльбруса за последние 50 лет увеличилась более чем на 40%.

4. Среднегодовые колебания уровня воды ледниковых озёр Приэльбрусья могут достигать 1 - 5 м. Полученная зависимость между размахом колебаний уровня и размахом колебаний температуры воздуха в сезонном разрезе позволяет сделать вывод об инертности реакции системы ледник-озеро на изменение температуры воздуха. Прорывы ледниковых озер в результате изменений режима колебаний уровня имеют водно-балансовый генезис.

5. В зависимости от обеспеченности данными о морфометрических характеристиках озёр, составе пород и типе плотин можно использовать различные методы оценки прорывной опасности (экспертный, балльной оценки, метод индексов). Предложенный новый метод на основе построения бинарной логит-регрессии позволил оценить вероятность прорыва 31 ледникового озера. Вероятность прорыва озёр Приэльбрусья зависит от коэффициента устойчивости плотины озера на сдвиг и отношения высоты плотины до уреза воды к высоте. Предложен индекс прорывоопасности, который связан с вероятностью прорыва б-образной функцией и учитывает также объём озера. Наиболее высокий индекс

был получен для оз. Ледниковое на северном склоне Эльбруса, которое прорвалось в августе 2006 г.

6. Зонирование потенциальной опасности в долинах при прорывах горных озёр предложено проводить с использованием интегральной шкалы, учитывающей индекс прорывоопасности и интенсивность возникающих наводнений. Шкала состоит из 5 классов, каждый из которых представляет собой степень (балл) возможных разрушений в долине в зависимости от интенсивности потока, помноженную на оценку вероятности прорыва озера.

7. Математическое моделирование движения прорывных водных и селевых потоков, позволило оценить пространственное распределение максимальных скоростей течения и глубин, на основе которых было проведено зонирование интенсивности потоков в баллах. С использованием предложенной методики построены карты зонирования потенциальной опасности в долинах при прорывах горных озёр.

8. Результаты экспериментальных расчетов позволили получить номограммы для оценки средней удельной энергии потока в створе для заданного расхода воды и ширины поймы. С использованием номограмм можно проводить приблизительную оценку интенсивности и потенциальной опасности прорывных паводков в долинах при недостатке исходных данных.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в ведущих научных журналах, которые включены в перечень рецензируемых научных изданий:

1. Кидяева В.М., Крыленко И.Н., Крыленко И.В., Петраков Д.А., Черноморец С.С. Колебания уровня воды горных ледниковых озёр Приэльбрусья. // Геориск, № 3, 2013. С. 8-15.

2. Petrakov D.A., Tutubalina O.V., Aleinikov A.A., Chernomorets S.S., Evans S.G., Kidyaeva V.M., Krylenko I.N., Norin S.V., Shakhmina M.S., Seynova I.B. Monitoring of Bashkara Glacier lakes (Central Caucasus, Russia) and modelling of their potential outburst. //Natural Hazards, vol. 61, № 3, 2012. P. 1293-1316.

Публикации в других журналах и сборниках:

3. Кидяева В.М. Расчет гидрографов прорывов горных озёр. // Первые Внноградовскне чтения. Будущее гидрологии. Сборник тезисов. - Санкт-Петербург, 2013. С.65-66.

4. Zemtsov S., Kidyaeva V., and Fadeev M. Socio-economic risk assessment of flooding for Russian coastal regions. // European Regional Science Association conference papers [Electronic resource], - Palermo: University of Palermo, 2013. -№01271.

5. Kidyaeva V. Methods of mountain lake outburst hazard assessment and zoning. // Natural Hazards, Climate Change and Water in Mountain Areas. - Bishkek, 2013. P. 101.

6. Кидяева В.М. Зонирование опасности в речных долинах при прорыве горных озёр // Тезисы конференции «Ломоносов 2013» // Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2013» / Отв. ред. А.И. Андреев, А.В. Андриянов, Е.А. Антипов, К.К. Андреев, М.В. Чистякова. [Электронный ресурс] — М.: МАКС Пресс, 2013. — 1 электрон, опт. диск (DVDROM).

7. Kidyaeva V., Krylenko I., Chernomorets S., and Petrakov D. Development stages of hazardous mountain lakes and simulation of their outbursts (Central Caucasus, Russia; Sichuan mountain region, China). // Geophysical Research Abstracts, Vol. 15, EGU2013-12905-3,2013 / EGU General Assembly 2013.

8. Krylenko I., Kidyaeva V. Scenarios of evolution of Tangjiashan dammed lake, Sichuan, China. // NSFC-RFBR Seminar on Debris Flow Movement Behavior, Numerical Simulation and Hazard Assessment. - Dujiangyan, China, 2012. P. 14.

9. Кидяева B.M., Крыленко И.Н. Особенности термического режима ледниковых озёр Приэльбрусья (Кавказ). // III Всероссийская конференция «Ледовые и термические процессы на водных объектах России». - Онега, 2011. С. 118-125.

10. Кидяева В.М. Использование гидрологических характеристик ледниковых озёр Приэльбрусья при моделировании их прорывов. // Тезисы

докладов Конференции молодых ученых, посвященной 55-летию ИПГ. - М., 2011. С. 36.

11. Шикунова Е.Ю., Орлова М.С., Кидяева В.М. Комплексное использование геоинформационных технологий для уточнения морфометрических характеристик водохранилищ. // Тезисы докладов Конференции молодых ученых, посвященной 100-летию академика Е.К. Федорова. Выпуск 88. М.: ИПГ, 2010. С. 191-195.

12. Петраков Д.А., Алейников A.A., Кидяева В.М., Крыленко И.Н., Норин С.В., Сейнова И.Б., Тутубалина О.В., Черноморец С.С., Шахмина М.С. Современная эволюция приледниковых озёр в Приэльбрусье (Центральный Кавказ, Россия). // Снижение риска природных катастроф в горах. Материалы Международной конференции. / Отв. ред. Т.В. Тузова. Бишкек: Салам, 2009. С. 69-74.

13. Кидяева В.М., Крыленко И.Н., Петраков Д.А., Алейников A.A., Мухина Ю.С. Дистанционный мониторинг высокогорных ледниково-озёрных комплексов Приэльбрусья. // «Земля из космоса - наиболее эффективные решения», четвертая международная конференция. Сборник тезисов. - М.: Инженерно-технологический центр СканЭкс, НП «Прозрачный мир», ООО «Издательство БИНОМ», 2009. С. 49-52.

14. Кидяева В.М. Особенности водного режима озера Башкара. // Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность. / Сборник трудов ИВП РАН. М„ 2008. С. 97-99.

Заказ № 23-Р/03/2014 Подписано в печать 07.03.14 Тираж 120 экз.

ООО "Цифровичок", тел. (495) 797-75-76 www.cfr.ru; е-таП:т/о@с/г.ги

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Кидяева, Вера Михайловна, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

04201456844

КИДЯЕВА Вера Михайловна

ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ОПАСНОСТИ ПРИ ПРОРЫВАХ ГОРНЫХ

ОЗЕР

Специальность 25.00.27 — гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель: ЧЕРНОМОРЕЦ С.С.

кандидат географических наук, доцент

Научный консультант: КРЫЛЕНКО И.Н.

кандидат географических наук

МОСКВА - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ГЛАВА 1. ГОРНЫЕ ОЗЁРА: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПЫТ ИССЛЕДОВАНИЯ......................................................................................................11

1.1. Основные понятия............................................................................................11

1.2. Мировой опыт исследования горных озёр..................................................18

1.3. Изученность горных озёр Кавказа................................................................24

1.4. Объекты исследования - ледниковые и завальные озёра и физико-географические условия их формирования.......................................................28

1.4.1. Ледниковые озёра Приэльбрусья..............................................................28

1.4.2. Завальное оз. Танцзяшань..........................................................................32

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...............................................................37

2.1. Методы полевых исследований....................................................................37

2.2. Дистанционные методы исследования.......................................................41

2.3. Геоинформационные системы и базы данных............................................44

2.4. Методы расчета гидрографов прорыва.........................................................47

2.5. Гидродинамическое моделирование............................................................49

2.6. Статистические методы..................................................................................53

ГЛАВА 3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОРНЫХ ОЗЁР ЛЕДНИКОВОГО И ЗАВАЛЬНОГО ТИПОВ.............................................................................................63

3.1. морфометрические характеристики изучаемых озёр...............................63

3.2. Развитие озёрных котловин, динамика берегов.........................................71

3.3. Ледниковые озёра и деградация горного оледенения...............................85

3.4. Колебания уровня воды и водное питание ледниковых озёр..................87

3.4.1. Генетические составляющие изменчивости уровня воды......................87

3.4.2. Многолетние колебания уровня................................................................88

3.4.3. Сезонные колебания уровня......................................................................90

3.4.4. Суточные колебания уровня......................................................................95

3.4.4. Влияние отдельных генетических составляющих изменчивости уровней воды на опасность прорывов ледниковых озёр.................................................97

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОЙ ПРОРЫВНОЙ ОПАСНОСТИ ГОРНЫХ

ОЗЁР.............................................................................................................................102

4.1. Методы оценки прорывной опасности......................................................102

4.1.1. Оценка на основе генетических классификаций...................................102

4.1.2. Стадии развития озёр................................................................................104

4.1.3. Графическая (балльная) оценка...............................................................107

4.2. Факторы прорывной опасности...................................................................111

4.3. Индекс и вероятность прорывоопасности.................................................119

4.4. Баллы опасности и зонирование долин.....................................................128

ГЛАВА 5. АНАЛИЗ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ОПАСНОСТИ ПРИ ПРОРЫВАХ ГОРНЫХ ОЗЕР..........................................................................................................133

5.1 .Построение гидродинамических моделей для ключевых участков речных долин..........................................................................................................133

5.1.1. Долина р. Адыл-Су...................................................................................133

5.1.2. Долина р. Бирджалы-Су...........................................................................138

5.1.3. Долина р. Цзяньцзян.................................................................................143

5.2. Оценка характеристик прорывных паводков и построение карт потенциальной опасности..................................................................................149

5.2.1. Долина р. Адыл-Су...................................................................................149

5.2.2. Долина р. Бирджалы-Су...........................................................................159

5.2.3. Долина р. Цзяньцзян.................................................................................164

5.2.4. Карты опасности для участков неизученных долин.............................168

5.3. Рекомендации по снижению опасности...................................................172

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................177

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................180

ПРИЛОЖЕНИЕ А (К ГЛАВЕ 3)............................................................................196

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (К ГЛАВЕ 4).............................................................................209

ПРИЛОЖЕНИЕ В (К ГЛАВЕ 5).............................................................................234

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования горных озёр связана с проблемой увеличения угроз природных бедствий в горных регионах при прорывах озёр и образования паводков и селей в долинах. Прорывные потоки обладают катастрофической мощностью, могут вести к гибели людей и разрушению хозяйственной инфраструктуры, при этом задача оценки вероятности и прогнозирования их возникновения до сих пор не решена. Оценка опасности прорыва традиционно проводится экспертным путем на основе ограниченного числа данных. Работы по статистическому анализу прорывоопасности встречаются заметно реже. Существующие геоморфологические и гляциологические методы исследования горных озёр рассматривают процессы развития озёр и механизмы прорывов, но недостаточно учитывают как их гидрологические характеристики, так и особенности движения волн прорывных паводков по нижележащим речным долинам. Таким образом, для горных районов изучение озёр, условий их формирования и развития с точки зрения опасности прорывов является приоритетным.

Объектом исследования являются ледниковые (на примере озёр в Приэльбрусье, Центральный Кавказ, Россия) и завальные горные озёра (на примере оз. Танцзяшань, провинция Сычуань, Китай).

Актуальность выбора ледниковых озёр Приэльбрусья в качестве объектов исследования обусловлена ростом числа туристов и активным развитием туристической инфраструктуры в регионе в последние годы. В районе исследования располагаются населенные пункты Эльбрус, Терскол, Верхний Баксан, большое количество альплагерей («Джан-Туган», «Уллу-Тау», «Шхельда» и др.), канатные дороги, термальные источники Джилы-Су и другие объекты. Общее количество мест в гостиницах Приэльбрусья составляет около 10 тысяч, что говорит о потенциально высокой концентрации туристов в этом регионе. Для ледниковых озёр Приэльбрусья накоплены обширные материалы полевых и дистанционных исследований.

Актуальность изучения завального озера Танцзяшань, образованного в 2008 г. в результате Вэньчуаньского землетрясения, заключается в высокой вероятности вторичных землетрясений в регионе, которые могут вызвать падение обвалов в озеро или разрушение плотины. Озеро расположено в густонаселенном горном районе провинции Сычуань (Китай). Ниже оз. Танцзяшань в долине реки расположен г. Мяньян с населением 4,6 млн чел. (в 70 км), разрушенный землетрясением г. Бэйчуань (в 8,5 км), около 40 поселков, четыре крупных гидротехнических сооружения (плотины Кучжуба, Тункоу, Тункоухэ, Цинлянь), несколько крупных мостов и автодороги. Исследование указанного водного объекта позволяет проследить процесс формирования завального озера практически с момента его возникновения.

Предметом исследования являются современное состояние горных озёр, тенденции их развития, факторы прорывной опасности и опасные гидрологические процессы в долинах, связанные с прорывами горных озёр.

Цель диссертационной работы - оценить потенциальную опасность при прорывах горных озёр. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1) исследовать гидрологические характеристики и режим горных озёр;

2) изучить тенденции развития горных озёр;

3) выявить факторы, влияющие на прорывы горных озёр;

4) оценить вероятность прорывов и ранжировать озёра по степени опасности;

5) провести гидродинамическое моделирование прорывных паводков и зонировать участки речных долин по максимальным характеристикам потоков;

6) оценить и зонировать потенциальную опасность в долинах при прорывах горных озёр.

Методика исследования и фактический материал. В работе использованы материалы исследования ледниковых озёр, собранные с 1999 г. селевым отрядом географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, который состоял из учёных и специалистов научно-исследовательской

лаборатории (НИЛ) снежных лавин и селей, НИЛ эрозии почв и русловых процессов, кафедр геоморфологии и палеогеографии, гляциологии и криолитологии, гидрологии суши, при активном участии автора диссертации с 2008 г. Ежегодные наблюдения за Башкаринскими озёрами были начаты в 1999 — 2000 гг. На озёрах у ледника Бирджалычиран проводились экспедиционные исследования в 2006, 2009 гг. и рекогносцировочные обследования в 2010 и 2013 гг. Для исследования некоторых объектов организовывались отдельные полевые экспедиции (оз. Малое Азау, Донгуз-Орункель, Сылтранкель, Азот, Микельчиран и др.), остальные озёра изучались дистанционно с использованием разновременных космических и аэрофотоснимков высокого разрешения.

Материалы по оз. Танцзяшань были получены при сотрудничестве с Институтом горных опасностей и окружающей среды Китайской академии наук (КАН) в ходе двух экспедиций 2010 и 2011 г. с участием автора.

Для анализа горных озёр в работе применяются различные методы: сравнительно-географические, районирование, геоинформационные,

картографические, математического моделирования и статистические. Картографический и геоинформационный анализы были проведены с использованием программных пакетов ESRI (ArcView GIS v.3.2a, ArcGIS v.9.3.1). Анализ данных был проведен в программах MS Excel 2010, StatSoft Statistica v.6.0, EViews 7. Моделирование движения потоков осуществлялось с использованием программных комплексов «River» (авторы - В.В. Беликов, А.Н. Милитеев) и FLO-2D (авторы - Дж. О'Брайен и др.).

В диссертации проанализированы научные и практические результаты работ отечественных и зарубежных учёных в области лимнологии (Богословского Б.Б., Хатчинсона Г.Е., Эделынтейна К.К. и др.), горной гидрологии (Панова В.Д.„ КеремкуловаВ.А., Сейновой И.Б., Ефремова Ю.В., Голубева Г.Н., Зимницкого A.B. и др.), исследования опасных гидрологических и гляциологических процессов в горах (Виноградова Ю.Б., Рейнольдса Дж., Строма А.Л., Докукина М.Д., Запорожченко Э.В., Петракова Д.А., Черноморца С.С., Ерохина С.А., Ильичева Ю.Г., Богаченко Е.М. и др.).

Основные защищаемые положения:

1. На фоне отступания ледников Приэльбрусья наблюдается закономерный рост ледниковых озёр, сопровождающийся активными изменениями их гидрологических характеристик и увеличением прорывоопасности.

2. Основными факторами прорывоопасности для озёр Приэльбрусья являются характеристики плотин: коэффициент устойчивости плотины на сдвиг и отношение высоты плотины до уреза воды к высоте плотины. Ранжирование горных озёр на основе разработанных методов индексной оценки прорывоопасности с использованием бинарной логит-модели выявило наиболее опасные объекты - оз. Ледниковое, оз. Малое Азау, оз. Башкара.

3. Потенциальная опасность в горных долинах зависит от вероятности прорыва горных озёр и возможной интенсивности прорывного паводка (селя). Предложенная методика зонирования интенсивности потока на основе методов двумерного математического моделирования л учитывает индекс прорывоопасности горных озёр и позволяет проводить сравнительный анализ условий в разных долинах по интегральной шкале потенциальной опасности.

Научная новизна работы:

1. При участии автора впервые получены морфометрические и гидрологические характеристики некоторых горных озёр и проанализированы их многолетние изменения. Для отдельных водных объектов впервые детально исследованы сезонные и суточные колебания уровня воды.

2. Предложен метод оценки вероятности прорыва горных озёр и расчёта индексов прорывоопасности на основе комплекса количественно выраженных факторов.

3. Для участков долин ниже опасных водных объектов адаптированы математические модели движения водных и селевых потоков, которые позволили оценить пространственное распределение характеристик прорывных паводков и селей.

4. Зонирование потенциальной опасности на участках долин проведено на основе интегральной шкалы, учитывающей не только интенсивность потока, но и вероятность возникновения прорывных паводков.

Личный вклад автора заключается в проведении батиметрических съемок и полевых исследований части ледниковых озёр и завального оз. Танцзяшань. Полевые материалы по многим озёрам были получены и проанализированы автором впервые. Диссертантом выявлены факторы, влияющие на опасность прорывов горных озёр, и предложены методы их расчета. Разработан метод оценки вероятности прорыва озёр на основе построения бинарной логит-модели и интегрального индекса. Предложен универсальный метод зонирования горных долин по степени потенциальной опасности.

Практическая значимость работы заключается в том, что результаты исследования гидрологических характеристик ледниковых и завальных озёр, а также разработанная система индексов прорывоопасности могут быть использованы при выявлении наиболее опасных объектов и создании систем их мониторинга. Полученные результаты по зонированию опасности в горных долинах могут стать основой для планирования водохозяйственной деятельности и оценки потенциального ущерба от наводнений и селей, а также для информирования населения и расчета рисков. Результаты исследования могут быть использованы в работе региональных отделений УГМС, МЧС России, районных и областных администраций, туристических организаций, например, ОАО «Курорт Эльбрус», альплагерей, например, УСБ «Джан-Туган», АУСБ «Шхельда», АУСБ «Уллутау» и др.

Результаты работы были использованы при выполнении проектов РФФИ: «Опасные гляциальные процессы на этапе современного сокращения оледенения» (№ 09-05-00934_а), «Оценка опасности и зон риска для селевых потоков России и Китая» (№ 08-05-92206-ГФЕН_а), «Исследование ключевых параметров сейсмогенных и вулканогенных селевых потоков большого объёма для оценки их опасности» (№ 12-05-91178-ГФЕН_а), а также проектов № 10-05-01127_а,

программы поддержки ведущих научных школ (проект НШ-3271.2010.5) и проекта NATO Science for Peace 982143.

Основные результаты работы нашли практическое применение при реализации государственного контракта № 14.515.11.0009 «Оценка природного риска, вызванного наводнениями, снежными лавинами и селевыми потоками на юге Европейской части России и их мониторинг» ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».

Апробация работы и публикации. Положения диссертационного исследования изложены на международной конференции «Первые Виноградовские чтения. Будущее гидрологии» (Санкт-Петербург, 2013), семинаре по гидрологическому моделированию (Кобленц, Германия, 2012), III всероссийской конференции «Ледовые и термические процессы на водных объектах России» (Онега, 2011), конференции молодых ученых, посвященной 55-летию Института прикладной геофизики (Москва, 2011), региональной конференции по устойчивости к климатическим рискам «Содействие устойчивости к отдаленным гео-угрозам» (Душанбе, 2010), международной конференции «Снижение риска природных катастроф в горах» (Бишкек, 2009), IV международной конференции «Земля из космоса - наиболее эффективные решения» (Москва, 2009), второй научной конференции молодых ученых и талантливых студентов ИВП РАН «Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность» (Москва, 2008).

Методические подходы исследования были апробированы на Конгрессе Европейской Ассоциации Региональной Науки (Палермо, 2013). Основные результаты исследования представлены на Международной научной конференции «Ломоносов» (Москва, 2013), на Генеральной Ассамблее Европейского Союза Наук о Земле (Вена, 2013) и на международной конференции «Опасные природные явления, изменение климата и водные ресурсы в горных районах» (Бишкек, 2013).

Результаты исследований опубликованы в 2 статьях в научных журналах, включенных в перечень рецензируемых научных изданий, и в 12 статьях и тезисах докладов в других изданиях общим объёмом 3 п.л.

Структура и содержание работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и трёх приложений. Общий объём работы 195 страниц, включая 64 рисунка, 19 таблиц. Список использованных источников включает 170 наименований, в том числе 45 - на иностранных языках.

Автор выражает благодарность научному руководителю доценту к.г.н. Черноморцу С.С., научному консультанту к.г.н. Крыленко И.Н. и к.г.н. Петракову Д.А. за методическую помощь в написании диссертации; ИТЦ «СканЭкс» и к.г.н. Алейникову A.A. за предоставленные космические снимки и помощь в