Системный анализ факторов заторообразования на реках севера европейской части России

УДК 556.535.5

А.В. Ильков, Р.Л. Белоусов

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ФАКТОРОВ ЗАТОРООБРАЗОВАНИЯ НА РЕКАХ СЕВЕРА ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ

В статье представлены результаты системного анализа факторов заторообразования. Полученные результаты позволяют установить влияние факторов заторообразования на подъем уровня воды в реках севера европейской части России на примере узла слияния рек Сухона - Юг и Малая Северная Двина у г. Великий Устюг Вологодской области. Предлагается планировать и проводить превентивные мероприятия для снижения вероятности образования заторов в районе города Великий Устюг с учетом особенностей этих факторов.

Ключевые слова: наводнение, факторы заторообразования, ущерб, превентивные мероприятия по снижению риска возникновения наводнений, вызванных заторами.

A. Ilkov, R. Belousov

SYSTEM ANALYSIS OF FACTORS CONGESTION FORMATION ON RIVERS

NORTHERN EUROPEAN RUSSIA

The article presents the results of a system analysis of the factors congestion formation. The results allow us to establish the influence of factors congestion formation on the rise in water level in the rivers of the North European part of Russia on an example of the confluence of the site Sukhona - South and Malaya Northern Dvina from Veliky Ustyug, Vologda Oblast. It is proposed to plan and carry out preventive measures to reduce the possibility of congestion near the town of Veliky Ustyug, taking into account the characteristics of these factors.

Keywords: flood, congestion formation , damage, preventive measures to reduce the risk of flooding caused by congestion.

Введение

На сегодняшний день из всех природных чрезвычайных ситуаций (ЧС) наводнения занимают одно из первых мест по суммарному среднегодовому ущербу. Большой ущерб наносят наводнения, обусловленные заторами льда. Заторные явления - неотъемлемая составная часть процесса вскрытия рек севера европейской территории России [1]. В качестве примера рассмотрим территорию Вологодской области, где в условиях весеннего половодья, интенсивного роста уровней воды и одновременного прохождения ледохода на реках Сухона, Юг и Малая Северная Двина происходит формирование затора в районе г. Великий Устюг. При этом большая часть города подвержена затоплению (подъем уровня воды на 6 м и выше), которое вызвано ледовыми заторами (рис.1).

Рис. 1 Затапливаемые территории в районе города Великий Устюг

Анализ заторных явлений в районе города Великий Устюг [2, 3] свидетельствует о высокой вероятности подъема заторного уровня воды выше критической отметки (600 см). Так, с 1902 г. по 2015 г. в узле слияния рек Сухоны и Юга произошло 15 наводнений с уровнем воды выше нулевой отметки на 8 м (1903, 1906, 1929, 1936, 1942, 1946, 1956, 1957, 1959, 1969, 1984, 1992, 2005, 2010, 2013 гг.) и 4 наводнения с уровнем воды около 9 м (1953, 1979, 1991, 1998 г.). Еще 12 раз максимальные уровни воды в период половодья колебались между отметками 6,5 м и 7 м. Таким образом, за 100 лет регулярных инструментальных наблюдений г. Великий Устюг подвергался масштабным наводнениям более 30 раз.

Для минимизации возможного ущерба от заторов, а также для снижения риска возникновения заторных наводнений (рис. 2) необходимо проводить как предупредительные мероприятия (1), так и мероприятия для борьбы с уже образовавшимися заторами (2) [4]. В свою очередь, превентивные мероприятия (1) по снижению риска возникновения заторов на реках можно осуществлять как в долгосрочной перспективе, то есть до установления ледостава на реках, так и единовременно (оперативно) - до начала ледохода.

Рис. 2 Мероприятия по снижению риска возникновения наводнений, вызванных заторами на

реках

Снижение ущерба от наводнений, вызванных заторами, во многом зависит от порядка выполнения превентивных мероприятий, показанных на рис. 2.

Постановка задачи

Для планирования и проведения комплекса превентивных мероприятий, направленных на снижение вероятности образования заторов, необходимо знать и учитывать особенности факторов заторообразования на участках реки. Для этого требуется провести системный анализ этих факторов и установить их влияние на подъем заторного уровня воды в реке в районе г. Великий Устюг.

Построение дерева целей системы факторов заторообразования

Проблематика

Для снижения ущерба от наводнений, вызванных заторами, требуется контролировать или управлять уровнем подъема воды в реке. На сегодняшний день для контроля уровня воды в реке проводятся берегоукрепительные работы и используются гидротехнические сооружение (ГЭС, ГРЭС, дамбы). Такие подходы можно отнести к классу «стационарных», т.е. требующих для эксплуатации постоянного и длительного обслуживания.

Также выделяются «нестационарные» подходы для контроля уровня воды в реке, к которым относится снижение вероятности образования затора на реке. В статье рассматриваются факторы образования затора. Влияние на факторы заторообразования сводится к уменьшению степени их негативного воздействия на паводковую обстановку, вызванную заторами.

Цель исследования

В качестве цели исследования Р0 определено снижение вероятности образования затора.

Формирование критериев

На образование затора оказывают совокупное влияние как природные, так и антропогенные факторы [1] . Например, природные факторы - температура окружающей среды, солнечная радиация, толщина льда; антропогенные факторы - сброс теплых вод с промышленных предприятий, наличие гидротехнических сооружений (рис. 3).

Факторы затороо&риз овимия

1 * 1 1

1йро1 теплых Оод с ИрОНЫШЛГНИЫХ иррйприяами Влияние ма режим (пока и иияенсибношь ледохода ироЬиОииыии игронриятикии Нилиниг «освой Г ТС. с т« плющи* ((фКОИШИг) рдело реки

Затеи бойы В (неге

*

Ампропогеюшг Природные

факторы фи* лары

РщлоВые ЗиилсЛониг, Завертки промена

ГшЦюнеягоро преоят тАим ЗП2(ИИМ1*Ни (к крытой ма реках,

«¿иткиг (перекопы. отпели, е русла тек дои к 1 вги ни

крцтыг майораны) реки (Икер

Температура ВохЭувд

1олиемнии Пасхой

ридиоиия ВиОы

Увлажнение пичВы с жени

I олщини льйи

Уровень 6ос)и & периой лейоипиви

Рис. 3 Факторы заторообразования

Природные факторы формирования заторов отражают особенности водного и ледового режимов реки, направления течения рек, особенности строения участка реки и особенности строения русла, а также наличие русловых препятствий: перекатов, мелей, островов. Большую роль в процессе заторообразования играют и погодные условия подготовки ледяного покрова к вскрытию.

Антропогенные факторы (факторы деятельности человека) - это различные водохозяйственные гидротехнические сооружения, стесняющие (сужающие) русло реки, а также действия людей при проведении работ, влияющих на режим стока и интенсивность ледохода.

На большинство природных и часть антропогенных факторов не представляется возможным оказывать влияние, т.е. искусственно менять их состояние. Например, невозможно изменить температуру воздуха окружающей среды или изменить существующее местоположение водохозяйственных гидротехнических сооружений. Такие факторы отнесем к неуправляемым.

Таким образом, при планировании мероприятий, направленных на снижение вероятности возникновения заторов на реках, необходимо учитывать те факторы заторообразования, на которые можно воздействовать, т.е. оказывать на них влияние. Такие факторы отнесем к управляемым (рис. 4). В качестве критериев кь к2 достижения поставленной цели будут использоваться управляемые и неуправляемые факторы заторообразования соответственно.

Уровень Воды В период ледостаВа

1 1

РуглоВые препятствия (перекаты, отмели) ЗаилиВание, загрязнение русла реки

Толщина льда

А

Влияние на режим стока и интенсивность ледохода проВодимыми мероприятиями СВрос теплых Вод с промышленных предприятий

Рис. 4 Структура управляемых факторов заторообразования

Генерирование альтернатив

Для снижения вероятности образования заторов на реках органы управления, силы и средства территориальной подсистемы РСЧС проводят комплекс превентивных мероприятий в различных режимах функционирования (рис. 2), тем самым оказывают влияние на управляемые факторы заторообразования.

Среди комплекса превентивных мероприятий по снижению вероятности образования заторов выделяют два множества альтернатив.

1) Множество альтернатив А = {а1, а2, а3} - мероприятия, проводимые до установления ледостава на реках, где а1 - расчистка русел рек, а2 - дноуглубительные работы, а3 -русловыпрямительные работы.

2) Множество альтернатив В = {Ь1, Ь2 Ь3, Ь4: Ь5, Ь6} - мероприятия, проводимые ежегодно после установления льда и до начала ледохода на реках (способы ослабления и разрушения ледового покрова реки), где Ь1 - химический способ, Ь2 - термический способ, Ь3 - чернение льда, Ь4 -ледорезные работы, Ь5 - ледокольные работы, Ь6 - взрывные работы.

На рис. 5 представлено дерево целей исследуемой системы факторов заторообразования в виде иерархической структуры. Изображенное дерево целей является первым результатом системного анализа.

Анализ влияния факторов образования затора на подъем уровня воды в реке

На рис. 4 изображены управляемые факторы образования затора, т.е. такие, на которые можно воздействовать.

В отдельные группы выделены следующие факторы: 1) уровень воды в период ледостава, 2) толщина льда. Группы факторов выделены следующим образом: на уровень воды в период ледостава влияют русловые препятствия, заиливание и загрязнение русла, а на толщину льда - сброс теплых вод с промышленных предприятий, влияние на режим стока и интенсивность ледохода проводимыми мероприятиями по ослаблению льда.

Для исследования зависимости максимального подъема уровня воды в реке Нтах (см) будем использовать выделенные группы факторов: Нлдст - уровень воды в период ледостава (см), Тльда -толщина льда (см).

В табл. 1 содержится фрагмент экспериментальных данных с гидрологического поста у г. Великий Устюг [2, 3]. Статистические данные представляют собой выборку за 65 лет.

Таблица 1

Экспериментальные данные с гидрологического поста у г. Великий Устюг

Год Нлдст см Тльдю СМ Нтах СМ

1950 148 76 340

1951 186 74 520

1952 409 80 969

... ... ... ...

2015 48 60 320

Для выявления зависимости подъема уровня воды Нтах от уровня воды в период ледостава Н^ст и толщины льда Тльда применяются элементы регрессионного анализа, в частности, для определения степени линейной зависимости используется выборочный коэффициент корреляции г:

п

гх,у —

п^г Соу

^Уаг(х)Уаг(у) 1 П

Сор(х,у) — (х - х)(уг - у), п

(=1

1 П

Уаг(х) — — } (х( — X)2, п

(=1

где Соу(х, у) - выборочная ковариация; Уаг(х) - выборочная дисперсия.

о

Снижение ущерба от наводнений, вызванных^ заторами

Контроль уровня Воды

ТГррргоукррпцтр/ъкыр _роботы_

Пратибопабодкобы р _бонбы_

Антропогенные факторы Природные факторы

Долговременные мероприятия (до установления ледостава) Рр*1#1 повседневной деятельности ОУ РСЧС

£диноврекенные мероприятия (ежегодные, до начала ледохода) Режим повышенной готовновсти ОУ РСЧС

Мероприятия, направленные на ликвидацию заторов Режим ЧС

X

X

Е

X

X

Дноу г лубите льные Руслобыпрямитель Расчистка Ледокольше Ледореэные Чернение Термический Химический Взрывные

работы М ные работы

Рис. 5 Дерево целей системы факторов заторообразования

На рис. 6 представлены данные из табл.1, отражающие зависимость между Нтах и Нлдст. Коэффициент корреляции между Нтах и Нлдст, вычисленный по формуле (1) равен:

г1=0,47.

Рис. 6 Зависимость максимального подъема уровня воды от уровня воды в период ледостава

На рис. 7 представлены данные из табл.1, отражающие зависимость между Нтах и Тль Коэффициент корреляции между Нтах и Тльда равен:

Г2=0,13.

Рис. 7 Зависимость максимального подъема уровня воды от толщины ледяного покрова

Коэффициенты корреляции г1=0,47 и г2=0,13 достаточно низкие, что свидетельствует о нелинейной зависимости между максимальным подъемом уровня воды Нтах и управляемыми факторами Нлдст и Тльда. Это обусловлено тем, что на подъем уровня воды также оказывают влияние и неуправляемые факторы. Основными из которых являются солнечная радиация, температура окружающей среды, запас воды в снеге и др.

Для ранжирования выявленных управляемых факторов Н^ст и Тльда проводится нормировка коэффициентов корреляции по формуле (4):

^ = ™г—

А/=1 }

= г = 0 47+^3 = ^ - весовой коэффициент фактора Нлдст. т 013

= -¡Г^Т = 0 47'+0 13 = °'3 - весовой коэффициент фактора Тльда.

Поскольку Нлдст является более значимым управляемым фактором, то при планировании комплекса превентивных мероприятий большее внимание следует уделять дноуглубительным и русловыпрямительным работам, расчистке русел рек (множество альтернатив А).

С учетом того, что аналитической базой планирования превентивных мероприятий являются прогнозные оценки подъема уровня воды Нтах, то основным управляемым фактором, по которому можно делать оценку подъема, является уровень воды в период ледостава Нлдст. Соответственно, для исследуемого участка реки в г. Великий Устюг прогноз вероятности образования затора до вскрытия реки может основываться на учете максимального уровня воды в начальный период ледостава Нлдст, как основного фактора, и на учете толщины льда Тльда, как дополнительного. При этом горизонт прогноза может достигать четырех месяцев.

Заключение

В статье описаны результаты системного анализа факторов заторообразования. Для исследуемой системы построено дерево целей в виде иерархической структуры. В качестве критерия планирования мероприятий выбраны управляемые факторы заторообразования, т.е. такие факторы, на которые можно оказывать воздействие.

Среди управляемых факторов заторообразования в отдельные группы выделены: 1) уровень воды в период ледостава Нлдст и 2) толщина льда Тльда. При этом уровень воды в период ледостава Нлдст является более значимым фактором, влияющим на образование затора. Поэтому, в комплексе превентивных мероприятий следует акцентировать внимание на такие мероприятия, которые способны оказывать максимальное воздействие на этот фактор заторообразования. К таким мероприятиям относятся дноуглубительные и русловыпрямительные работы, а также работы по расчистке русел рек.

Литература

1. Бузин В.А. Заторы льда и заторные наводнения на реках. - СПб., Гидрометеоиздат. 2004. - 204 с.

2. Исследование ледохода и условий заторообразования в узле рек Сухона, Юг и Малая Северная Двина, а также эффективности мероприятий по предотвращению заторов. - Отчет Северного УГМС, Архангельск, 1961. - 136 с.

3. Комплексные исследования русловых процессов и формирования заторов льда в узле слияния рек Сухона-Юг-Малая Северная Двина с целью регулирования процессов заторооборазования и разработки противопаводковых мероприятий у г. Великий Устюг. - Отчет ФГБУ «Северное УГМС», Архангельск, 2013.

4. ГОСТ - ВСН - 028-70 «Методические указания по борьбе с заторами и зажорами льда». Минэнерго СССР, 1970.

Рецензент: кандидат технических наук, доцент Рыбаков А.В.