Оценка опасности и рисков наводнений в г. Барнауле (пос. Затон)

Вестник Томского государственного университета. 2013. № 373. С. 183-188

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 504.05

А.Б. Голубева, В.А. Земцов ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ И РИСКОВ НАВОДНЕНИЙ В г. БАРНАУЛЕ

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта «Современные географические процессы Сибири: динамика, закономерности развития и экологические аспекты» (соглашение № 14В37.21.2025 от 14.11.2012 г.) в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

Дается оценка опасности и рисков наводнений на примере р. Обь около Барнаула. Определена методика исследования опасности затопления территории, наиболее подходящая для локального масштаба. На основе статистического анализа вычислены максимальные уровни половодья р. Обь в Барнауле малой обеспеченности. Методом картографического моделирования определены границы зон затопления при наводнениях с максимальными уровнями воды разной расчетной обеспеченности. Проведённые расчёты проверены с помощью метода реального года на примере половодья 2010 г. В результате исследования получена оценка исследуемой территории по степени опасности затопления, социального и экономического риска наводнений. Ключевые слова: наводнения; оценка опасности; оценка риска; цифровая модель рельефа; определение границ зон затопления.

Введение

Одним из приоритетных направлений в области практической гидрологии является изучение опасных природных процессов и явлений (ОППЯ). Наводнение - это одно из наиболее опасных явлений, вызывающих чрезвычайные ситуации и причиняющих материальный ущерб промышленным и сельскохозяйственным объектам, населению, наносящих урон здоровью людей и приводящих к их гибели. На территории Обь-Иртышского бассейна наиболее часты наводнения, вызванные половодьями, паводками, заторными и зажор-ными явлениями.

Для Барнаула наводнения являются опасной проблемой и приносят наибольший ущерб. Около 10% территории города подвергается систематическому затоплению и подтоплению в период половодья на Оби. Только в 2001 г. ущерб от наводнения составил 25,6 млн руб. [1]. По существующим оценкам, затраты на прогнозирование и обеспечение готовности к природным событиям чрезвычайного характера в 15 раз меньше величины возможного ущерба.

Около Барнаула опасный уровень воды в 500 см над нулем водомерного поста за период с 1937 по 2011 г. превышался 50 раз. В этот же период 40 раз был превышен критический уровень воды (520 см), в результате чего происходило затопление поселков Затон и Ильича. Наводнения разной интенсивности периодически приводят к затоплению земель и расположенных на них строений и инженерных сооружений.

Однако с точки зрения хозяйственной деятельности прибрежные территории были и остаются наиболее привлекательными для освоения. Таким образом, встаёт вопрос о приемлемом уровне риска и ущерба, с которым общество готово согласиться для своего экономического развития. В данном исследовании мы используем понятия «опасность» и «риск», которые определяются следующим образом: опасность - это процесс, свойство или состояние природы или техники, представляющее угрозу для жизни или благосостояния людей, объектов, а риск - угроза наступления в любой

системе негативного события с определёнными во времени и пространстве последствиями [2].

При изучении вопросов, связанных с оценкой опасностей и рисков наводнений, для принятия управленческих решений на разных уровнях законодательной и исполнительной власти существует необходимость использования картографических материалов. Как правило, непосредственное изучение этих опасных явлений затруднительно, а в некоторых случаях и невозможно, поэтому метод картографического моделирования является не только приемлемым, но и оптимальным.

Территория исследования

Город Барнаул находится в лесостепной зоне Западно-Сибирской равнины, на северо-востоке Приобского плато, в верхнем течении Оби, в месте впадения в нее р. Барнаулка. Основная часть города расположена на левом берегу р. Обь, а незначительная территория (пос. Затон) - в пойме на правом берегу. Рельеф территории определяется расположением города на Приобском плато и в долинах Оби и Барнаулки.

Площадь бассейна Оби до водпоста в Барнауле составляет 169 000 км2. Максимальные расходы воды в реке наблюдаются в период весенне-летнего половодья и, по данным наблюдений, изменяются в пределах от 3 370 м3/с в 1953 г. до 12 600 м3/с в 1969 г. Кроме 1969 г., высокие расходы воды отмечались в 1936 (7 950), 1937 (9 690 м3/с), 1958 (7 410 м3/с), 1966 (8 060) гг. Во все эти годы происходило затопление поймы.

Около Барнаула р. Обь имеет смешанное водное питание и, как следствие, сложный гидрограф. Причиной этого является то, что Обь образуется от слияния горных рек Бия и Катунь и ее режим отражает в основном условия формирования стока в Горном Алтае и в меньшей степени - на равнинной части водосбора.

Методы исследования, оценка опасности и риска

Общая методология оценки опасностей и рисков от ОППЯ основывается:

- на выявлении физических характеристик опасностей (показатели опасности);

- расчёте вероятностей их возникновения;

- определении зон поражения;

- расчёте возможных потерь (социальных, экономических и т.д.).

Для характеристики опасности наводнений используют следующие показатели: повторяемость (частота) превышения критического уровня воды в реке во время половодья или паводка, мощность паводка (определяемая превышением максимальных зафиксированных уровней воды над критическим уровнем), максимальное время стояния воды выше критического уровня за год (в сутках), площадь затопления прибрежных территорий [3]. Представляют интерес и такие частные гидрологические показатели, как, например, расположение участков русла, где вода выходит на пойму, интенсивность подъема уровня воды при затоплении, направление и наибольшие скорости течения воды на затопленных участках.

Река Обь у Барнаула имеет растянутое весеннелетнее половодье с двумя характерными пиками: в апреле (формируется притоками с равнинной части бассейна) и в июне - июле (за счет более многоводных притоков с горной территории). Для оценки уровенно-го режима р. Обь у Барнаула нами использовались данные об ежедневных уровнях воды в период половодья на водомерном посту Барнаула за однородный период с 1985 по 2011 г.

Анализ половодий р. Обь о!

Анализ гидрографов Оби за этот период времени показал (табл. 1), что начинается половодье в первых числах апреля и продолжается до середины мая - в это время проходит его первый пик. Средние даты критических максимальных уровней - с 20 апреля по 5 мая. Приблизительно с 15 мая начинается второй пик половодья. Средние даты критических уровней воды второго пика половодья приходятся на конец мая - начало июня. Второй пик заканчивается в третьей декаде июня. Наблюдающиеся поздние дождевые паводки, как правило, не приводят к критическому превышению уровня воды в реке, однако дожди часто вызывают подъём уровня грунтовых вод и подтопление территории. Средняя продолжительность первой волны половодья составляет 28 дней, а второй волны - 56 дней.

За 27 лет, с 1985 по 2011 г., опасный уровень воды у Барнаула в 500 см над нулем водомерного поста превышался 18 раз (1985, 1987, 1989, 1991, 1992, 1993, 1994, 1995, 1996, 2000, 2001, 2002, 2004, 2005, 2006, 2007, 2010 и 2011 гг.), а критический уровень воды в 520 см был превышен 14 раз (в 1987, 1991, 1992, 1993, 1994, 1995, 2001, 2002, 2004, 2005, 2006, 2007, 2010 и 2011 гг.), в результате чего происходило затопление поселков Затон и Ильича. За указанный период пять раз (в 1993, 1995, 2001, 2006 и 2010 гг.) наблюдалось превышение уровня воды в реке над отметкой 600 см над нулем поста, приводившее к затоплению значительной части города (см. табл. 1).

Т а б л и ц а 1

о Барнаула с 1985 по 2011 г.

Год Первая волна половодья Вторая волна половодья

Дата прохождения Продолжи- тельность, дни Максимальный уровень воды, см Превышение уровня 520 см, см Дата прохождения Продол-житель -ность, дни Максимальный уровень воды, см Превышение уровня 520 см, см

1985 5.04 - 30.04 25 516 - * 22.05 - 20.07 60 519 -

1986 8.04 - 2.05 24 492 - 3.05 - 18.06 47 495 -

1987 10.04 - 6.05 26 442 - 15.05 - 30.06 47 558 38

1988 8.04 - 16.05 38 489 - 18.05 - 2.07 46 492 -

1989 1.04 - 23.04 22 400 - 4.05 - 30.06 58 510 -

1990 1.04 - 7.05 36 385 - 8.05 - 22.06 46 477 -

1991 10.04 - 10.05 30 529 9 12.05 - 5.06 25 511 -

1992 13.04 - 11.05 28 488 - 19.05 - 25.06 38 550 30

1993 11.04 - 11.05 30 504 - 26.05 - 14.07 50 633 113

1994 1.04 - 7.05 36 371 - 8.05 - 28.06 52 554 34

1995 1.04 - 27.04 26 445 - 7.05 - 30.07 85 603 83

1996 16.04 - 7.05 21 463 - 22.05 - 19.07 59 501 -

1997 1.04 - 3.05 32 472 - 3.05 - 13.06 42 476 -

1998 11.04 - 28.04 17 395 - 29.04 - 14.07 77 438 -

1999 10.04 - 29.04 19 367 - 30.04 - 12.07 65 462 -

2000 1.04 - 30.04 29 418 - 7.05 - 27.07 82 517 -

2001 1.04 - 7.05 26 502 - 9.05 - 3.07 56 637 117

2002 1.04 - 11.05 40 393 - 12.05 - 26.07 76 526 6

2003 10.04 - 11.05 31 484 - 2.06 - 26.06 24 426 -

2004 3.04 - 7.05 35 570 50 16.05 - 1.07 47 587 57

2005 13.04 - 23.05 41 548 28 4.06 - 12.07 39 487 -

2006 16.04 - 15.05 30 593 73 16.05 - 9.07 55 601 81

2007 4.04 - 1.05 27 423 - 17.05 - 4.07 48 577 57

2008 3.04 - 8.05 36 377 - 13.05 - 20.06 39 449 -

2009 6.04 - 14.05 39 442 - 17.05 - 19.07 64 482 -

2010 16.04 - 20.05 35 590 70 23.05 - 20.07 59 643 123

2011 3.04 - 16.05 44 545 45 18.05 - 16.07 60 405 -

! Превышения критического уровня в 520 см не было.

Перед проведением основных расчётов гидрологические ряды максимальных уровней воды (наблюдения за уровнями воды ведутся с 1937 г.) проверены на од-

нородность при помощи критериев однородности выборочных дисперсий (Фишера) и средних значений (Стьюдента) [4].

В качестве однородного выбран 42-летний период с 1970 по 2011 г.

Определение вероятностей возникновения максимальных уровней по кривой обеспеченности выполнено с использованием программы «Гидростатистика» [5] (табл. 2). Расчеты проведены графоаналитическим методом подбора аналитической кривой обеспеченности,

так как на практике он дает лучшее совпадение теоретической кривой с эмпирической.

Расчёты выполнены по максимальным уровням воды на водпосту Барнаула с 1970 по 2011 г. Уровни воды обеспеченностью более 50% далее не рассматривались, так как они не представляют опасности с точки зрения затопления территории.

Т а б л и ц а 2

Определение ординат аналитических кривых распределения вероятностей ряда максимальных годовых уровней воды

р, % 1 2,33* 5 10 25 50

Уровень, см 658 643 621 597 564 530

Уровень с учётом уклона в пос. Затон** 672 657 635 611 578 544

Уровень, м БС 134,61 134,46 134,24 133,99 133,67 133,33

4 Уровень затопления при наводнении 2010 г.; ** уклон поверхности воды 7 см/км.

Для уточнения границ участков, испытывающих систематическое затопление, определены границы зон затопления при уровнях половодья с заданной расчетной обеспеченностью 1; 2,33; 5; 10; 25 и 50%. Для каждого наводнения с максимальным уровнем воды заданной обеспеченности на основе материалов режимных наблюдений прорабатывается сценарий развития событий. Дальнейший алгоритм работы был следующим.

Для определения зон затопления на локальном уровне использовался метод картографического мо-

делирования [6]. Он позволяет при наличии общедоступной статистической и картографической информации рассчитывать значения необходимых показателей по всей исследуемой территории на основе дискретно распределенных данных. Для этого используются методы геостатистического анализа, в основе которых лежат интерполяция, экстраполяция, аппроксимация данных и различные способы картографического изображения, основанные на классификации данных.

Рис. 1. Зона затопления пос. Затон при максимальном уровне воды р. Обь у Барнаула обеспеченностью 1%.

Условные обозначения: 1 - гидросеть; 2 - затопленная территория; 3 - незатопленная территория; 4 - строения жилые и нежилые

О 300 600 1 200 1 800 2 400

І І > 1 > —І І і Метры

Рис. 2. Зона затопления пос. Затон при максимальном уровне воды р. Обь у Барнаула обеспеченностью 2,33%

0 300 600 1 200 1 800 2 400

I---1 І----1 1 1 3 Метры

Рис. 3. Зона затопления пос. Затон при максимальном уровне воды р. Обь у Барнаула обеспеченностью 25%

Расчёт ущербов и рисков наводнений

р, % Кол-во населения в зоне затопления, чел. Социальный риск, чел/год Кол-во жилых строений в зоне затопления Кол-во нежилых строений в зоне затопления Экономический ущерб, тыс. руб. Экономический риск, тыс. руб ./год*

1 2547 25,47 512 11 100 000* 1 000

2,33 2178 50,74 431 5 95 000 2 213,5

5 1822 91,1 388 4 40 000 2 000

10 648 64,8 141 3 17 000 1 700

25 342 85,5 76 3 5 000 1 250

50 54 27 12 2 2 000 1 000

: по состоянию на 2010 г.

Рис. 4. Ход уровня воды р. Обь у Барнаула в половодье с 1.04. по 30.07. 2010 г.

Моделирование позволяет с учетом разных факторов выполнить комплексную оценку и провести районирование территории по ее пригодности для проживания и хозяйственной деятельности людей [6].

В среде ЛгеИБ на основе плана города в масштабе 1 : 2 000 (шаг между горизонталями 0,5 м) была создана цифровая модель рельефа (ЦМР). После определения зон затопления по уровням расчетной обеспеченности на ЦМР можно выделить объекты инфраструктуры (дома, дороги, мосты, ЛЭП и др.), попадающие в эти зоны, и количество человек, проживающих в их пределах.

Эти данные составляют основу для расчёта ущерба и дальнейшей оценки экономического и социального риска.

По данным за 2010 г., население пос. Затон составляло 3 150 человек. Зная количество жилых домов и количество проживающих в них людей, вычисляем численность населения, попадающего в зоны затопления, и показатели социального риска (см. рис. 1-3; табл. 3).

Наиболее сложным является расчёт экономического ущерба. Каждый год меняются стоимость основных фондов, стоимость земель, затраты на восстановление ЛЭП и дорог, единовременные выплаты гражданам и т.п. После каждого наводнения Управление по делам ГО и ЧС Барнаула рассчитывает ущербы, и, зная, каким уровням воды в реке соответствуют их размеры, можно построить кривую ущербов, выражающую зависимость между уровнем воды и величиной ущерба.

Результаты расчётов в сопоставимых ценах, по данным Управления по делам ГО и ЧС, приведены в табл. 3. Ущербы, примерно соответствующие уровням воды, превышающим максимальный уровень 25%-ной обеспеченности, становятся практически неприемлемыми по экономическим соображениям.

Проведённые таким образом расчёты проверим, используя метод реального года. Из общего количества лет, которые приняты для расчета, в 2010 г. наблюдался наибольший максимальный уровень воды 643 см, что соответствует обеспеченности 2,33%. Половодье 2010 г. отличалось весьма высокой водностью - обе волны половодья существенно превышали критический уровень (см. рис. 4). Этому способствовали следующие факторы:

- позднее формирование снежного покрова осенью предшествующего 2009 г., вследствие чего произошло глубокое промерзание грунтов;

- многоснежная зима 2009-2010 гг.;

- высокие температуры воздуха в период снеготаяния, наблюдавшиеся как в бассейнах равнинных рек, так и в горах Алтая, что определило дружный характер поступления талых вод в реки.

Границы рассчитанной по высотным отметкам рельефа зоны затопления 2010 г. нанесены на космический снимок, дата съёмки которого соответствует времени максимального затопления. Границы расчетной зоны затопления и зоны затопления на космоснимке практически совпали, что подтвердило достоверность проведённых исследований.

На основании вышесказанного можно сделать следующие выводы.

Метод картографического моделирования является оптимальным при определении территории затопления, однако его применение возможно только при наличии точной ЦМР (при использовании грубой ЦМР погрешность в проведении границ увеличивается).

Проведённые исследования показали, что затопление посёлка Затон происходит не только со стороны р. Обь и через ее протоки, но и со стороны поймы. Таким образом, дамбы у проток при больших наводнениях не полностью защищают территорию посёлка от затопления.

Заселение территорий, расположенных ниже уровня затопления, соответствующего максимальному уровню обеспеченности около 25%, оказалось экономически нецелесообразным. Риск затопления для таких территорий слишком велик и является недопустимым. Для уменьшения риска рекомендуется провести расселение людей за пределы подверженной такому затоплению территории.

Результаты работ по определению границ территории с высоким экономическим и социальным риском затопления могут найти применение при экономическом планировании, планировании застройки города, в том числе для создания системы поддержки принятия решений, а также выработки рекомендаций для администрации города.

ЛИТЕРАТУРА

1. Безопасность населения и территорий Алтайского края : крат. справ. / В.Н. Белоусов и др. ; Комиссия по чрезвычайным ситуациям и обес-

печению пожарной безопасности Алтай. края. Барнаул : Азбука, 2006. Ч. 1 : Основы природно-техногенной безопасности. 2006. 317 с.

2. Природные опасности России. Т. 6 : Оценка и управление природными рисками / под ред. А.Л. Рагозина. М. : КРУК, 2003. 320 с.

3. Природные опасности России. Т. 5 : Гидрометеорологические опасности / под ред. Г.С. Голицына, А.А. Васильева. М. : КРУК, 2002. 348 с.

4. СП 33-101-2003. Свод правил по проектированию и строительству. Определение основных расчётных гидрологических характеристик. М. :

Госстрой России, 2004. 72 с.

5. Расчет аналитических кривых обеспеченности (Гидростатистика): свидетельство № 200060667 Рос. Федерация / В.А. Жоров, Е.К. Воробьев,

О.В. Ловцкая, С.Г. Яковченко; правообладатель Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения Российской академии наук. Заявка № 2000610563; зарегистрирована в Реестре программ для ЭВМ 20.07.2000.

6. Основы геоинформатики : в 2 кн. Кн. 1 : Учебное пособие для студ. вузов / Е.Г. Капралов, А.В. Кошкарев, В.С. Тикунов и др. ; под ред.

В.С. Тикунова. М. : Академия, 2004. 352 с.

Статья представлена научной редакцией «Науки о Земле» 30 апреля 2013 г.