Факторы влияния на масштабы наводнения
| Вид наводнения | Факторы, оказывающие влияние на величину максимального подъема уровней воды |
| Половодье | Запас воды в снежном покрове перед началом весеннего таяния; атмосферные осадки в период снеготаяния и половодья; осенне-зимнее увлажнение почвы к началу весеннего снеготаяния; ледяная корка на почве; интенсивность снеготаяния; сочетание волн половодья крупных притоков речного бассейна; озёрность, заболоченность и лесистость бассейна; рельеф бассейна |
| Паводок | Количество осадков, их интенсивность, продолжительность, площадь охвата, предшествующее выпадение осадков, увлажненность и водопроницаемость почвы, рельеф бассейна, величина уклонов рек, наличие и глубина мерзлоты |
| Затор, зажор | Поверхностная скорость течения воды, наличие в русле сужений, излучин, мелей, крутых поворотов, островов и других русловых препятствий, температура воздуха в период ледостава (при зажоре) или в период ледохода (при заторе), рельеф местности |
| Нагон | Скорость, направление и продолжительность ветра, совпадение по времени с приливом или отливом, уклон водной поверхности и глубина реки, расстояние от морского побережья, средняя глубина и конфигурация водоема, рельеф местности |
| Затопления при прорывах плотин | Величина перепада уровня воды в створе плотины: объем, заполненный водой в водохранилище, на момент прорыва; уклон дна водохранилища и реки; размеры прорана и время образования прорана; расстояние от плотины, рельеф местности |
Наводнения, проходящие по рекам, делят по высоте:
- на низкие или небольшие (затапливаются низкие поймы);
- средние (затапливаются высокие поймы, частично заселенные);
- сильные или выдающиеся (частично затапливаются города, коммуникации, требуется эвакуация населения);
- катастрофические (существенно затапливаются города, требуются крупные аварийно-спасательные работы, массовая эвакуация).
В каждом районе случаются разные типы наводнений, причем сильные и катастрофические создаются обычно совпадением двух и более факторов (например, снеготаяние плюс ливни, ливни плюс прорыв плотин и т. п.), что позволило разработать классификацию наводнений с учётом масштабов их распространения и повторяемости (табл. 4.4).
Таблица 4.4
Классификация
| Класс наводнений | Масштабы наводнения | Повторяемость (годы) |
| Низкие (малые) | Наносят незначительный ущерб. Охватывают небольшие прибрежные территории. Затопляется менее 10 % сельскохозяйственных угодий, расположенных в низких местах. Почти не нарушают ритма жизни населения | 5–10 |
| Высокие | Наносят ощутимый материальный и моральный ущерб, охватывают большие земельные участки речных долин, затапливают 10–15 % сельскохозяйственных угодий. Существенно нарушают хозяйственный и бытовой уклад населения. Приводят к частичной эвакуации людей | 20–25 |
| Выдающиеся (сильные) | Наносят большой материальный ущерб, охватывая речные бассейны. Затапливают 50–70 % сельскохозяйственных угодий, некоторые населенные пункты. Парализуют хозяйственную деятельность и резко нарушают бытовой уклад населения. Приводят к необходимости массовой эвакуации населения и материальных ценностей из зоны затопления и защиты важных хозяйственных объектов | 50–100 |
| Катастрофи-ческие | Наносят огромный материальный ущерб и приводят к гибели людей, охватывая громадные территории в пределах одной или нескольких речных систем. Затапливается 70 % сельскохозяйственных угодий, множество населенных пунктов, промышленных предприятий и инженерных коммуникаций. Полностью парализуется хозяйственная и производственная деятельность, временно изменяется жизненный уклад населения | 100–200 |
Наводнения (не считая нагонных, которые сопровождают ураганы) занимают в мире первое место по числу создаваемых или стихийных бедствий (40 % всех ЧС), второе-третье место по числу жертв, место в первой тройке по средней многолетней и по максимальной разовой величине прямого экономического ущерба.
Нагонные наводнения возникают на приморских территориях при прохождении глубоких циклонов, особенно ураганов (тайфунов). Нагон воды представляет собой подъем уровня, вызванный воздействием ветра на водную поверхность. Нагоны, приводящие к наводнениям, случаются в морских устьях крупных рек, на больших озерах и водохранилищах. Нагон возникает на наветренном берегу водоема за счет касательного напряжения на плоскости раздела вода–воздух. Вовлекаемые ветром в движение в сторону наветренного берега, поверхностные слои воды испытывают лишь сопротивление нижних слоев воды. С образованием уклона водной поверхности, под действием силы тяжести нижние слои начинают двигаться в противоположном направлении, уже испытывая гораздо большее сопротивление шероховатости дна. Из-за неравенства расходов воды, движущейся в противоположных направлениях, возникает подъем уровня у наветреннего берега водоема и спад у подветренного.
Ветровой нагон (так же, как половодье, паводок, затор, зажор) является стихийным (особо опасным) гидрологическим явлением. Главным условием возникновения нагонных наводнений является сильный и продолжительный ветер. Основной характеристикой, по которой можно судить о величине нагона, является нагонный подъем уровня воды, выражающийся в метрах.
Другими величинами, характеризующими нагон, являютсяглубина распространения нагонной волны, площадь затопления, продолжительность затопления. На величину нагонного уровня в морских устьях рек влияют скорость и направление ветра. Для каждой конкретной местности, подверженной нагонным наводнениям, можно определить направление ветра над водоемом, при котором нагонные явления будут максимальными.
Общим для морских устьев рек является то, что нагон может совпасть по времени с приливом или отливом; соответственно он будет либо несколько большим, либо меньшим. Нагонная волна распространяется вверх по реке тем на большее расстояние, чем меньше уклон и больше глубина реки. Продолжительность затоплениясоставляет отнескольких часов до нескольких суток. На величину подъема нагонного уровня крупных водоемов влияют:
- скорость, направление ветра;
- длина разгона ветра над водоемом;
- средняя глубина водоема по длине разгона;
- величина и конфигурация водоема.
Чем крупнее водоем, меньше его глубина, чем ближе его конфигурация к кругу или эллипсу, тем больших размеров достигают нагоны и сгоны воды. Основными характеристиками последствий от нагонных наводнений являются практически те же характеристики, что и при паводковых наводнениях.
Нагонные наводнения обусловлены: барическим поднятием уровня моря (до 1 м, редко до 2,5 м); длинными волнами, обусловленными собственно нагоном (высота до 8–12 м); ветровыми короткими волнами. В итоге уровень воды может надолго подняться над нормальным на 4–5 м на Охотском побережье, на 6–8 м на атлантическом побережье Сев. Америки, на 8–10 м в Японии, на 12–13 м в Австралии. В областях воздействия среднеширотных циклонов высота нагонных наводнений не превышает 3–4 м. При этом гребни волн поднимаются еще выше – до 40–50 м над штилевым уровнем моря в Японии, Бангладеш и на берегах Сев. Атлантики (Массачусетс, США; Британские острова), до 30 м на о. Тайвань. Передняя волна нагона часто идет как «стена воды» высотой в несколько метров, опережая максимум скорости ветра на время до получаса. Вправо и влево от центра циклона расходятся более низкие боковые волны, достигающие берегов часто еще при безветрии. Высота нагона и гребней волн зависят от топографии прибрежной полосы. Максимальный уровень нагона держится недолго, иногда лишь 10–20 мин, затем несколько более низкий – до 10 ч. Продолжительность полного снижения уровня к норме определяется окончанием урагана и равна 1–1,5 сут., редко до 4 сут.
В России основную угрозу на Дальнем Востоке создают экстремальные осадки, снегозаносы, ливневые наводнения, зона которых распространяется до Прибайкалья.
Ливневые (дождевые) наводнения – наиболее распространенный тип наводнений. Они возможны повсеместно (даже в пустынях), кроме Арктики и Антарктики, но наиболее часты и сильны в районах с муссонным климатом, между 40° с. ш. и 40° ю. ш.
Ливневые наводнения создаются обильными осадками и изменяются по характеру в зависимости от конкретных условий погоды и стока. Особенно резкое (до стократного) увеличение максимальных расходов относительно среднегодовых происходит в аридных районах (поскольку среднегодовые расходы малы) и в районах с малой водопоглощающей способностью грунтов – в горах с большой долей скальных поверхностей, в области распространения многолетней мерзлоты, в асфальтированных городах. Особо быстрое повышение расходов создается при относительно кратких грозовых ливнях, когда месячная норма осадков выливается за немногие часы. Но они охватывают относительно небольшие водосборы (площадь до 1000 км2) и опасны, в основном, для городов.
Более распространены и дорогостоящи наводнения, обусловленные длительными интенсивными фронтальными дождями.
В странах Западной Европы зоны вероятного затопления при катастрофических наводнениях занимают до 4 % территории, в них проживает 1–4 % населения. В 80-х гг. сильные ливневые наводнения отмечались в Португалии, Испании, Франции, Бельгии, Великобритании, Германии, Швейцарии, Австрии и других странах. Повреждались населенные пункты, дороги, ЛЭП, сельскохозяйственные угодья.
В России ливневые наводнения наиболее часты на Дальнем Востоке с его муссонным климатом и западнее до Читинской области, куда достигает влияние тихоокеанских циклонов, а также на Северном Кавказе и в Закавказье. Уровень р. Амур и других на Дальнем Востоке может подниматься на 10 м и более. В июле 1990 г. при тайфуне в Приморье, когда выпало более двух месячных норм осадков, ущерб от наводнения превысил 100 млн руб. В июле 1991 г. ливневые дожди в верховьях р. Амур и в Восточном Прибайкалье (выпадение нормы осадков) привели к наводнениям с экономическим ущербом более 600 млн руб.
Половодья и паводки снеготаяния распространены в областях, где бывает снежный покров, приблизительно на 1/3 площади суши. На равнинах половодья длятся 15–20 дней на малых и до 2–3 месяцев на больших реках, в горах – все лето. Паводки – пики половодья длятся до 15–35 дней. В северной части умеренного пояса и во внутриконтинентальных районах, где обильные ливни редки, паводки снеготаяния могут быть главной причиной наводнений. На территории России сильные (выдающиеся) наводнения этого типа происходят один раз в 10–25 лет. Для них требуется сочетание обильного осеннего увлажнения грунта и бурного снеготаяния, обеспечиваемого приходом масс теплого воздуха с дождями. При этом количество снега должно соответствовать количеству пришедшего тепла таким образом, чтобы в снежном покрове могли возникнуть озерки талой воды, дружно прорывающиеся под воздействием дождя. В оврагах и в холмистых местностях при этом возникают водоснежные потоки (сели снеготаяния). Эффекты прорыва талых вод прогнозируются трудно. Примером служит наводнение в Башкирии в апреле – мае 1990 г. Бурное снеготаяние сопровождалось проливными теплыми дождями, уровень рек поднялся на 9 м выше обычного (в р. Белой) и на 3 м выше прогнозного. Затронуты более 130 населенных пунктов, включая г. Уфу, разрушено 90 мостов, 100 животноводческих ферм; прямой экономический ущерб – около 250 млн руб. Погибло 12 человек.
Зажорные и заторные наводнения приурочены к предгорным и равнинным участкам рек, покрывающихся льдами. Зажоры представляют собой скопление шуги и мелкобитого льда, образующиеся в зимнее время, заторы – скопления льдин во время весеннего ледохода. На территории бывшего СССР на 1100 реках насчитывается более 2400 зажорных и заторных участков. Толщина зажорных скоплений льда на Ангаре, Амударье достигает 10–15 м, длина – 25 км, сокращение площади сечения русла – на величину до 80 %. Продолжительность существования зажоров меняется, в зависимости от обстановки, от нескольких дней до всей зимы. Глубина воды увеличивается в 4–5 раз в сравнении с открытым руслом. Несмотря на малую водность рек в зимнее время, зажорный подъем уровня может превышать паводочный и создавать угрозу наводнений на Кавказе, Карелии, Средней Азии, местами в верховьях Енисея, на Камчатке. Зажорный подъем уровня достигает 5–6 м на Сев. Двине, Зап. Двине, реках Алтая, 6–7 м на Ангаре и Енисее, до 12 м на р. Нарын.
Затор льда образуется в весенний период при вскрытии рек во время разрушения ледяного покрова. Затор состоит из крупно- и мелкобитых льдин. Главной причиной образования затора льда является задержка процесса вскрытия на тех реках и больших по длине участках рек, где кромка ледяного покрова весной смещается сверху вниз по течению. При этом движущийся сверху раздробленный лед встречает на своем пути ненарушенный ледяной покров. При величинах поверхностной скорости течения воды (во время вскрытия ледяного покрова), равных 0,6–0,8 м/с и более, происходит торошение льда, подвижки и пр. Наличие разного рода русловых препятствий (крутых поворотов, сужений, островов) усиливает процесс образования затора льда. В районах таких русловых препятствий у верхнего края ледяного покрова под напором приносимого течением ледового материала происходит торошение льда и образуется хаотическое нагромождение крупно- и мелкобитых льдин. Русло здесь в наибольшей мере стеснено льдом, в результате чего уровень воды в реке повышается, в том числе на некотором участке выше места стеснения, т. е. в пределах зоны подпора.
Заторы характерны для рек, вскрытие которых ото льда начинается с верховьев и происходит механическим путем. Это – все реки, текущие на север, прежде всего реки Сибири и севера европейской части России. В низовьях Лены длина заторов достигает 50–100 км. Продолжительность существования заторов – до 12–15 дней. Заторный подъем воды над максимальным уровнем половодья достигает 4–6 м, максимум до 10 м. Максимальная на территории России высота поднятия заторного уровня воды отмечена на Нижней Тунгуске в сужениях долины – до 35–40 м. Для образования заторов необходимо большое количество льда и дружное весеннее половодье. На крупных реках Сибири такие условия выдерживаются почти ежегодно, повторяемость заторов 70–100 %. Наиболее известны заторные наводнения на Сев. Двине у Архангельска (повторяемость один раз в 4 года, высота поднятия уровня воды до 10 м); на Оби и ее притоках, где под постоянной угрозой находятся Тобольск, Кемерово и другие города; на Енисее и его притоках.
Зажор льда наблюдается в начале зимы в период формирования ледяного покрова. Решающее значение при образовании зажора имеет поверхностная скорость течения воды (более 0,4 м/с), а также температура воздуха в период замерзания. Образованию зажоров способствуют различные русловые препятствия: острова, отмели, валуны, крутые повороты и сужения русла, участки в нижних бьефах гидроэлектростанций. Скопления шуги и другого рыхлого ледового материала, образующиеся на этих участках в результате непрерывного процесса образования внутриводного льда и разрушения ледяного покрова, вызывают стеснение водного сечения русла реки, следствием чего является подъем уровня воды выше по течению. Образование сплошного ледяного покрова в месте зажора задерживается.
Завальные и прорывные наводнения менее регулярны, чем наводнения предшествующих типов. Они бывают в горных районах и связаны с оползнями и обвалами (преимущественно сейсмогенными) и подвижками ледников.
С 1910 г. такие события в мире случаются в 10–15 раз в год (в том числе разрушения крупных плотин – раз в 2–3 года).
Из последствий завалов в бывшем СССР наиболее известно Сарезское озеро глубиной до 500 м, возникшее на р. Мургаб на Памире вследствие землетрясения 1911 г.
Более или менее регулярные подвижки ледников возможны во всех ледниковых районах мира. Около 5% горных ледников относятся к пульсирующим (с интервалом в годы – десятилетия). При подвижке они перекрывают водотоки и обеспечивают накопление временных, раньше или позже, прорывающихся озер. Длительно существующие приледниковые озера также могут прорываться, если они подпружены рыхлым льдосодержащим моренным валом. Волны прорыва проходят вниз по долинам, принимая характер селей. Паводки такого рода случаются в горных долинах не реже одного раза в 10–20 лет, а по каждому горному району в целом один раз в 2–5 лет.
В Гималаях за последние 200 лет отмечено 35 катастрофических прорывных паводков.
Изменение русел, увеличивающее высоту наводнений, происходит путем их непреднамеренного антропогенного заиления и обмеления, а также при неправильных русловыправительных работах (чрезмерное сужение и спрямление). Изменение условий поверхностного стока происходит при осушении болот, сведении лесов, распашке, а в городах – при создании больших водонепроницаемых поверхностей. При осушении болот максимальный поверхностный сток возрастает в 1,5–2,5 раза; при сведении лесов и распашке – в 2–4 раза, а на малых водосборах – еще больше, что и способствует заилению, прежде всего, малых рек.
Увеличение площади водоупорных покрытий в городах ведет к такому же росту расхода ливневых паводков и к еще большему сокращению времени «добегания» паводковой волны, что резко увеличивает максимальные расходы.
Температурный режим рек умеренного и более холодных поясов меняется при создании водохранилищ: у выхода реки из водохранилища зимой постоянно поддерживается полынья, что увеличивает повторяемость зажоров, а в некоторых случаях – и высоту зажорных уровней в сравнении с естественными (на нижнем бьефе Красноярской ГЭС – на 2,5 м и более). На верхнем бьефе водохранилищ происходит увеличение зажорности и заторности, местами – повышение уровня заторного поднятия над прежним максимальным уровнем весеннего паводка.
Локальные изменения полей осадков и снеготаяния происходят в крупных городах. Они создают над собой факелы запыленного и теплого воздуха, что увеличивает повторяемость и интенсивность грозовых ливней, а в целом – рост осадков до 20 % в сравнении с окрестностями.
Медленные изменения уровня океана и бессточных озер. Уровень Мирового океана в последние 100 лет поднимается со скоростью 0,5–2,5 мм/год, в отдельные десятилетия – до 5,5 мм/год вследствие повышения температуры (объемное расширение) воды и сокращения водозапаса на суше в ледниках. В итоге в разных районах уровень моря изменился в среднем в пределах 20–30 см. Это изменение не слишком ощутимо человеком, за исключением таких случаев, как постепенное затопление Венеции.
В последние годы внимание привлекают вертикальные тектонические колебания небольших участков земной коры (площадью от нескольких до тысяч квадратных километров) с амплитудой и периодом, оцениваемыми величинами до 5–6 м и сотен лет. В прибрежной полосе они обернулись бы такими же колебаниями уровня моря и, соответственно, интенсивности различных опасных явлений.
Бессточные озера известны на всех континентах. Бессточные области занимают 25 % площади суши, не считая Антарктиды. Крупнейшие бессточные озера: Каспий, Арал, Балхаш, Лобнор, Эйр, Амадиес и др. Их уровни колеблются с периодом 25–45 лет и испытывают длительные изменения под воздействием климатических причин. За 1870–1970 гг. уровень Каспия снизился на 3,5 м, Арала на 8,5 м, Балхаша на 3,7 м, Иссык-Куля на 3,2 м, Мертвого моря на 6,3 м. В последние десятилетия наступил новый период поднятия уровня: в Большом Соленом озере на 2 м лишь за 1983–1985 гг., в оз. Девилс-Лейк (США) на 7 м после 1950 г., на Каспии на 2,1 м в 1978–1993 гг.