Наводнения, механизм их образования и проявления

Наводнение - это временное затопление водой значительной части территории, прилегающей к реке, водохранилищу, озеру или морю, в результате подъема воды по причинам снеготаяния, ветровых нагонов, заторов и т.п.

В зависимости от причин возникновения различают шесть основных типов наводнений:

1) Половодье – периодически повторяющийся относительно продолжительный подъем уровня воды в реках, вызываемый обычно таянием снега на равнинах или дождевыми осадками, а также весенне-летним таянием снега в горах; его следствием является затопление низких участков местности.

2) Паводок– интенсивный периодический, сравнительно кратковременный подъем уровня воды в реке, вызываемый обильными дождями, ливнями, иногда быстрым таянием снега при зимних оттепелях.

3) Затор– нагромождение льдин во время весеннего ледохода в сужениях и излучинах русла реки, стесняющее движение и вызывающее подъем уровня воды в месте скопления льда и некоторых участках выше его.

4) Зажор – скопление рыхлого ледового материала во время ледостава (в начале зимы) в сужениях и излучинах русла реки, вызывающее подъем уровня воды на некоторых участках выше него.

5) Ветровой нагон – подъем уровня воды, вызванный воздействием ветра на водную поверхность, случающийся обычно в морских устьях крупных рек, а также на наветренном берегу больших озер, водохранилищ и морей.

6) Наводнения при прорыве плотин – это интенсивный, обычно значительный подъем уровня воды в реке (водотоке), вызванный прорывом плотины, дамбы или естественной природной преградой в горных районах при оползнях, обвалах горных пород, движении ледников и других экстремальных явлениях.

Сравнительно редко происходят наводнения вызванные подводными землетрясениями, извержениями подводных или островных вулканов. Они наблюдаются в основном на побережьях морей и океанов, в районах активной сейсмической деятельности. Примером такого явления является серия наводнений вызванных цунами в Бискайском заливе в конце 2004 года (Индонезия, Индия, Таиланд и др. государства).

Основным поражающим фактором наводнения является поток воды, характеризующийся высокими уровнями, а при прорывах плотин и паводках – также значительными скоростями течения.

Наводнение характеризуется основными параметрами водного режима реки – уровнем и расходом воды, а также объемом наводнения. Уровень воды отсчитывается от нуля поста или ординара.

Нуль поста– высота плоскости воды в реке (озере, водоеме и т.д.) на условной горизонтальной поверхностью сравнения. При организации поста эту плоскость выбирают таким образом, чтобы она была на 0,3-0,5 м ниже самого низкого возможного уровня.

Ординар– среднее за много лет наблюдений положение уровня воды в реках, заливах и отдельных пунктах морского побережья. Колебания уровня воды отсчитывается выше и ниже нуля в метрах и сантиметрах при помощи установки футштоков.

Футшток –рейка с делениями, устанавливаемая на водомерных постах рек, озер, морей для наблюдения за уровнем воды. Превышение поверхности воды в реке над поверхностью моря определяется в результате сложения уровня воды на посту с отметкой нуля поста по ординару и дает величину абсолютной отметки в метрах. В России исчисление абсолютных высот ведется от уровня Финского залива Балтийского моря у г. Кронштадта.

Расходом водыназывается количество воды (сток воды), протекающей через замыкающий створ реки за секунду. Он выражается в кубических метрах за секунду.

Объем наводнения определяется посредством умножения средних суточных расходов воды за половодье (паводок) на коэффициент 0,0864 (число миллионов секунд в сутках).

Основным критерием наводнения является максимальный уровень воды за время его действия.

Для оценки наводнений используются следующие понятия:

уровень подъема воды – это показатель подъема воды относительно среднего многолетнего показателя уровня воды или нуля поста;

площадь затопления – размеры покрытой водой и прилегающей к реке местности;

продолжительность затопления – время с выхода воды на пойму и до входа в русло;

скорость подъёма уровня воды– величина характеризующая прирост уровня воды и процесса наводнения за определенное время по отношению к первоначальному уровню;

расход воды – количество воды (сток воды), протекающей через замыкающий створ реки за секунду;

объем воды – показатель количества воды, измеряемый в млн. куб. м;

скорость течения воды – скорость перемещения воды в единицу времени;

состав водного потока – перечень компонентов, находящихся в водном потоке;

критический уровень воды – уровень по ближайшему гидрологическому посту, с превышения которого начинается затопление территории;

карта затопления – крупномасштабная топографическая карта с указанием мест и значений.

При весеннем половодье величина максимального уровня и максимального расхода воды зависят от следующих факторов:

- запасов воды в снежном покрове перед началом весеннего таяния;

- количества атмосферных осадков в период снеготаяния и половодья;

- глубины промерзания почвы к началу снеготаяния;

- наличия и толщины ледяной корки на почве;

- интенсивности снеготаяния;

- сочетания половодья крупных притоков бассейна;

- озерности, заболоченности и лесистости бассейна.

Наводнение – это обилие разбушевавшейся воды, разрушительной, все сокрушающей на своем пути. По статистике ЮНЕСКО, только от речных наводнений за последние 20 лет погибло около 200 тыс. человек (не включая жертв наводнений, вызванных тропическими тайфунами, цунами). По мнению некоторых гидрологов, эта цифра сильно занижена. Вторичный ущерб при наводнениях еще более значителен. Наводнения влекут за собой болезни и голод, множество экологических проблем. Убытки составляют десятки млрд. долларов, достигая в некоторых странах 15% валового национального продукта. В последние годы все большую роль в увеличении частоты и разрушительной силы наводнений стали играть антропогенные факторы. Среди них в первую очередь следует назвать сведение лесов (максимальный поверхностный сток возрастает на 250-300%) и нерациональное ведение сельского хозяйства (в результате снижения инфильтрационных свойств почв резко увеличивается поверхностный сток и интенсивность паводков). Значительный вклад в усиление интенсивности паводков и половодий внесли: продольная распашка склонов, переуплотнение полей при использовании тяжелой техники, переполивы в результате нарушения норм орошения. Примерно втрое увеличился ущерб, наносимый паводками на урбанизированных территориях в связи с ростом водонепроницаемых покрытий и застройкой. Существенное увеличение максимального стока связано с хозяйственным освоением пойм, являющихся природными регуляторами стока. Помимо сказанного следует назвать еще несколько причин, непосредственно приводящих к формированию наводнений: неправильное осуществление паводкозащитных мер, ведущее к прорыву дамб, обвалование, разрушение искусственных плотин, аварийные сработки водохранилищ и др.

Общеизвестно, что состояние и развитие как биосферы, так и человеческого общества находится в прямой зависимости от состояния водных ресурсов. В последние десятилетия все большее число специалистов и политических деятелей среди проблем, стоящих перед человечеством, под номером 1 называют проблему воды. Водные проблемы возникают в четырех случаях: когда воды нет или ее недостаточно, когда качество воды не отвечает социальным, экологическим и хозяйственным требованиям, когда режим водных объектов не соответствует оптимальному функционированию экосистем, а режим ее подачи потребителям не отвечает социальным и экономическим требованиям населения и, наконец, когда от избытка воды обжитые территории страдают от наводнений.

В глобальном аспекте первые три проблемы явились порождением уходящего века, а четвертая сопутствует человеческому обществу с древнейших времен. И как это ни парадоксально, на протяжении многих веков человечество, предпринимающее неимоверные усилия для защиты от наводнений, никак не может преуспеть в этом мероприятии. Наоборот, с каждым веком ущерб от наводнений продолжает расти. Особенно сильно, примерно в 10 раз, он возрос за вторую половину ушедшего века. По нашим расчетам, площадь паводкоопасных территорий составляет на Земном шаре примерно 3 млн. кв. км, на которых проживает около 1 миллиарда человек. Ежегодные убытки от наводнений в отдельные годы превышают 200 миллиардов долларов. Гибнут десятки и более тысяч людей. О наводнениях написано много статей и сотни книг. Но, к сожалению, в большинстве из них дается простая констатация о происшедших наводнениях, причиненном ими ущербе, или же рассматриваются отдельные аспекты этого феномена, такие как прогноз наводнений, причины, вызывающие наводнения, инженерные методы защиты от них. В последние десятилетия, особенно в США и в первую очередь усилиями Джильберта Уайта начали рассматривать возможности внедрения неинженерных методов для уменьшения бедствий, причиняемых наводнениями. В отечественной литературе в первую очередь следует назвать книги Р.А. Нежиховского "Наводнения на реках и озерах", А.А. Таратутина "Наводнения на территории Российской Федерации", а также специальные главы в работах о водных проблемах России, вышедших в 1996-1999 гг. в г. Екатеринбурге в издательствах "Виктор" и "Аэрокосмология" под ред. проф. А.М. Черняева.

Но до настоящего времени ни в одной из опубликованных работ не дается представления о наводнениях в масштабе Земного шара, не разработана классификация наводнений по масштабу социального и экологического ущерба, не разработаны научные основы рационального использования территорий, подверженных затоплению, не разработана системная концепция мероприятий, которые необходимо осуществить на паводкоопасных территориях в периоды: до, во время и после наводнения.

В настоящей главе даны представления о причинах наводнений, о крупнейших наводнениях, происшедших в прошлые века, о наводнениях в масштабе Земного шара в 1997-1999 годах, и о методах и способах защиты от наводнений.

Основными причинами наводнений являются: обильный и сосредоточенный приток воды при таянии снега и ледников, продолжительные ливни, ветровые нагоны в устья рек и на морское побережье, загромождение русла реки льдом или бревнами, при сплаве леса (заторы), закупоривание русла реки внутренним льдом (зажоры), цунами, прорыв гидротехнических сооружений, оползни и обвалы в долинах водотоков, внезапный выход на поверхность обильных грунтовых вод.

В большинстве районов Земного шара наводнения вызываются продолжительными, интенсивными дождями и ливнями в результате прохождения циклонов.

Наводнения на реках Северного полушария происходят также в связи с бурным таянием снегов, зажорами, заторами льда.

Предгорья и высокогорные долины подвергаются наводнениям, связанным с прорывами внутриледниковых и завальных озер.

В приморских районах при сильных ветрах нередки нагонные наводнения, а при подводных землетрясениях и извержениях вулканов наводнения, вызываемые волнами цунами.

Более 300 раз с момента основания подвергался наводнениям Санкт-Петербург. Одним из самых трагических по своим последствиям был штормовой нагон в 1824 г., когда уровень воды в устье Невы поднялся выше 4 метров. Это наводнение А.С. Пушкин увековечил в "Медном всаднике".

«…Нева вздувалась и ревела,

котлом клокоча и клубясь,

и вдруг, как зверь, остервенясь,

на город кинулась. Пред нею

все побежало, все вокруг

вдруг опустело – воды вдруг

втекли в подземные подвалы,

к решеткам хлынули каналы,

и всплыл Петрополь, как тритон,

по пояс в воду погружен»

В последние столетия, в особенности в ХХ веке, все большую роль в увеличении частоты и разрушительной силы наводнений играют антропогенные факторы. Среди них в первую очередь следует назвать сведение лесов (максимальный поверхностный сток возрастает на 250-300 %), нерациональное ведение сельского хозяйства (в результате снижения инфильтрационных свойств почв, по некоторым расчетам в центральных районах России с IX по XX век поверхностный сток увеличился в 4 раза и резко возросла интенсивность паводков). Значительный вклад в усиление интенсивности паводков и половодий внесли: продольная распашка склонов, переуплотнение полей при использовании тяжелой техники, переполивы в результате нарушения норм орошения. Примерно втрое увеличились средние расходы паводков на урбанизированных территориях в связи с ростом водонепроницаемых покрытий и застройкой. Существенное увеличение максимального стока связано с хозяйственным освоением пойм, являющихся природными регуляторами стока. Помимо сказанного следует назвать несколько причин, непосредственно приводящих к формированию наводнений: неправильное осуществление паводкозащитных мер, ведущее к прорыву дамб обвалования, разрушение искусственных плотин, аварийные сработки водохранилищ и др.

Легенды о великом потопе, в котором погибло почти все человечество, распространены по всему миру. Многие исследователи полагают, что значительная часть преданий о потопе основывается на действительно происшедших катастрофах в разных районах Земного шара на протяжении нескольких последних тысячелетий.

Исследованиями археологов, географов, историков и этнографов установлено, что в первой половине четвертого и третьем тысячелетии до нашей эры в Месопотамии произошли грандиозные наводнения. Населению, проживавшему в долине Тигра и Евфрата, обжитые ими районы между горами и пустыней представлялись целым миром. Поэтому катастрофические наводнения, в которых погибла большая часть жителей долины, у немногих оставшихся в живых ассоциировались с всемирным потопом. Высказываются предположения, что именно одно из этих наводнений, о котором говорится в Шумерской легенде, послужило основанием для рассказа о всемирном потопе в Ветхом завете.

Сейчас историками, археологами и другими специалистами проделана большая работа по исследованию сказаний о великом потопе в разных странах. Из перечня этих сказаний следует, что крупные наводнения, как и в наше время, происходили практически во всех районах Земного шара. Весьма впечатляет один лишь перечень сказаний о великом потопе: Вавилонское, Еврейское, Древнегреческое, Древнеиндийское, а также сказания о великом потопе в Восточной Азии, на островах Малайского архипелага, в Австралии, в Новой Гвинее и Меланезии, в Полинезии и Микронезии, в Южной Америке, в Центральной Америке и Мексике, в Северной Америке, в Африке.

С ростом населения, сведением лесов и многими другими видами деятельности человека наводнения, в том числе и разрушительные, стали происходить все чаще и чаще.

Так, на р. Хуанхэ в период с ХХI по ХVI век до нашей эры наводнения происходили примерно каждые 50 лет. В период с 206 года до нашей эры по 25 год нашей эры в правление династии Хэн было отмечено 12 наводнений с интервалом в 20 лет. С 618 по 907 год нашей эры в период правления династии Тэн произошло 31 наводнение с интервалом 9 лет. В период династии Кинг с 1644 по 1911 годы было отмечено 480 наводнений с интервалом 0,55 года.

Еще более поразительны цифры стремительного роста ущерба от наводнений. Если в начале ХХ века среднегодовой ущерб от наводнений в США составил 100 млн. долларов, то в его второй половине он превышал 1 млрд. долларов, а в отдельные годы последнего десятилетия - 10 млрд. долларов.

Многие наводнения живут в памяти людей столетия, поскольку причиненные ими разрушения и число погибших людей сопоставимы с самыми кровопролитными войнами. Одно из самых катастрофических наводнений произошло в 1332 г. на р. Хуанхэ в Китае. В результате его и свирепствовавшей в последующие годы "Черной смерти" (чумы) погибло 7 млн. человек. Не менее крупное наводнение произошло осенью 1887 г. Было затоплено 11 городов и 300 деревень. По официальным данным, наводнение унесло жизни 900 тыс. человек, а по данным неофициальных источников, жертвами наводнения стали от 2 до 6 млн. человек.

Немало наводнений, принесших неисчислимые бедствия людям, произошло и в 20-м столетии. Только в 1998 г. с 12 июня по 30 августа в Китае произошло 13 наводнений, которые затронули почти всю территорию страны. От наводнений пострадало 240 млн. человек, то есть в 1,5 раза больше, чем проживает в России. Свыше 56 млн. человек пришлось временно эвакуировать. Тысячи людей погибли.

Особенно страшны наводнения там, где высота дна реки, огороженной дамбами, превышает отметки прилегающей местности.

Китайская писательница Дин Лин в своем очерке "Наводнение" нарисовала картину двух прибрежных деревень во время ночного паводка: "Вода прибывала с громовым ревом, невидимыми во тьме бурными, страшными потоками. Обезумевшие люди кричали так, словно хотели взорвать своим криком этот проклятый мир. В диких воплях таяли голоса тех, кто не потерял голову и уговаривал прекратить панику, спасти дамбу… В плотине появлялись все новые и новые промоины. Небо оставалось бесчувственным, отчаяние охватило души этих, не знающих устали тружеников. Проклятия сотрясали небо и землю. Они могли бы заставить расплакаться самого дьявола ... Внезапно раздался громовой удар - разом рухнул участок дамбы ... Стена воды словно с самого неба обрушилась на людей, животных, дома, все сметая на своем пути. Крики постепенно смолкли. Вода овладела неоглядными просторами полей, похоронив сотни тружеников-крестьян вместе с их семьями".

Катастрофические наводнения происходят не только в долинах рек, но и на побережьях океанов и морей. Крупнейшее нагонное наводнение XX века произошло в дельте Ганга в 1970 г. 10-метровая морская волна, гонимая штормовым ветром, повернула вспять священную реку. Было затоплено около 20 тыс. кв. км территории. С лица земли были снесены десятки городов и сотни деревень. Погибло 1,5 млн. человек. Поскольку наводнением были уничтожены почти все колодцы, пострадавшие районы остались без воды. Сотни тысяч людей умерли от голода и вспыхнувших эпидемий холеры и тифа.

Самое катастрофическое наводнение в Европе в нашем столетии охватило территорию Нидерландов, Великобритании и Германии в 1953 г. При штормовом ветре необычайной силы на северное побережье Европы обрушились огромные волны. Они вызвали резкий подъем воды на 3 - 4 метра в эстуариях Рейна, Мааса, Шельды и других рек. Более всего пострадали Нидерланды. Вода проникла вглубь страны более чем на 100 км, затопив 8 процентов территории страны. Погибло 2 тысячи человек.

Описанием наводнений в разных странах мира, в результате которых гибли десятки и сотни тысяч человек, можно было бы заполнить многие тома книг. Но картины, дающей представление о наводнениях в масштабе Земного шара, нет ни в одном литературном источнике.

Впервые удалось это сделать благодаря работе, проводимой коллективом Дартмутской обсерватории при Ганноверском колледже в США.

Сотрудники этой обсерватории с 1996 г. собирают данные о наводнениях, используя самые разные источники: официальные правительственные сообщения, данные метеорологических служб, телевизионные и радио новости, газетные и журнальные материалы.

Учитывая разнохарактерность и неполноту материала, полученного по отдельным странам из разных источников и основанного на различных методах расчета ущерба от наводнений, в настоящее время нет оснований утверждать, что обработанные материалы дают адекватную картину бедствий, причиненных наводнениями 1997-1999 гг. Но первые шаги в этом направлении, несомненно, сделаны. На основании данных, по 339 наводнениям, происшедшим в 1997-1999 гг. в мире, следует, что за три года от наводнений погибло более 170 тыс. человек, свыше 150 млн. были временно эвакуированы из своих жилищ, а общий ущерб от наводнений превысил 250 млрд. долларов. Очень важно, чтобы мировое сообщество не прекращало и год от года совершенствовало методику сбора данных о наводнениях в разных странах и выработку единой методики подсчета последствий ущерба от наводнений.

Обработка и анализ данных сотрудников обсерватории при Ганноверском колледже дают возможность с достаточной степенью достоверности утверждать о количестве наводнений, об их распределении по материкам, месяцам, о продолжительности наводнений. На диаграммах (рис. 7, 8) приведены сведения о количестве и продолжительности наводнений в 1997-1999 гг.

Рис. 7. Количество наводнений в 1997-1999 гг. по месяцам.

Рис. 8. Распределение наводнений в 1997-1999 гг. по их продолжительности в днях.

В России площадь паводкоопасных территорий составляет 400 тыс. кв. км. Ежегодно подвергается затоплению около 50 тыс. кв. км территорий. Наводнениям с катастрофическими последствиями подвержена территория в 150 тыс. кв. км, где расположены 300 городов, десятки тысяч населенных пунктов, большое количество хозяйственных объектов, более 7 млн. га сельхозугодий.

В России наиболее часто наводнения происходят на юге Приморского края, в бассейне Средней и Верхней Оки, Верхнего Дона, на реках бассейнов Кубани и Терека, в бассейне Тобола, на притоках Среднего Енисея и Средней Лены. Эти районы являются чрезвычайно опасными в отношении наводнений. Разливы воды наблюдаются здесь чаще, чем один раз в 2 года, а максимальные затопления прибрежных территорий могут превышать 3 м. В отдельные годы пойма затапливается здесь более чем на 90%.

Весьма опасными являются бассейны Уссури, Верхнего Енисея, Тавды, Конды, Средней и Нижней Лены, Колымы, Белой, Верхнего Днепра, рек Заволжья и Сахалина. Затопления прибрежных территорий в этих районах происходят довольно часто (1 раз в 3-5 лет), максимальные слои затопления поймы могут достигать 2.0-3.0 м. В период наводнений прибрежные территории могут быть затоплены на 75-90%.

Опасными считаются бассейны Верхней Волги, Суры, Вятки, рек северо-запада европейской части страны, притоков Дона и Верхнего Енисея, бассейны рек Верхней Оби, Среднего и Нижнего Амура, рек Юга Иркутской области. Наводнения в этих районах происходят 1 раз в 5-10 лет. Максимальные слои затопления поймы могут достигать 1,5-2,0 м, а площади затопления 60-75%.

Умеренно опасные районы – бассейны Северного Донца, Нижней Оки, северных притоков Волги, Верхней и Средней Печоры, Средней и Нижней Оби,Иртыша,Ишима, Ангары, рек Южного Урала, Забайкалья, верхнего течения Амура, Алдана, Зеи, рек Камчатского полуострова. Повторяемость наводнений в этих районах 1 раз в 10-12 лет; максимальные слои затопления поймы могут достигать 0.70-1.5 м, а площади затопления – 40-60%.

Мало опасные районы - бассейны Онеги, большая часть бассейна Северной Двины, Нижней Печоры, Мезени, Ветлуги, Камы, Низовья Терека, бассейн Аргуни. Повторяемость наводнений здесь 1 раз в 12-15 лет; максимальные слои затопления почвы составляют 0.30-0,70 м, площади затопления – 20-40%.

К незначительно опасным районам относятся бассейны рек Карелии, Кольского полуострова и Калмыкии. Здесь наводнения происходят реже, чем 1 раз в 15-20 лет; максимальные слои затопления поймы не превышают 0,30 м

Следует отметить, что приведенное районирование отражает лишь преобладающий тип процессов наводнений, что совершенно не исключает возникновения в том или ином районе и более опасного наводнения. Так в 1994 году в Калмыкии, относящейся к незначительно опасной в отношении наводнений территории, в период весеннего половодья произошло наводнение близкое к катастрофическому.

Обострение проблемы наводнений в России связано также с прогрессирующим старением основных фондов водного хозяйства вследствие постоянного уменьшения капиталовложений в водную отрасль в течение последних 10 лет. Ухудшение технического состояния напорных ГТС резко увеличивает риск их разрушений во время паводков и половодий.

Дополнительными факторами риска антропогенного характера является изменение характера стока на хозяйственно освоенных и подвергнутых трансформациям водосборных территориях; хозяйственное в нижних бьефах гидроузлов и размещение там хозяйственных объектов и жилья, стеснение живого сечения потока рек. Все это приводит к наводнениям с тяжелыми и катастрофическими последствиями, нанесению значительного ущерба объектам экономики, здоровью людей и к человеческим жертвам.