сотрудник с 01.01.1992 по настоящее время
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
аспирант с 01.01.2021 по настоящее время
Краснодар, Краснодарский край, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
ВАК 2.1.1 Строительные конструкции, здания и сооружения (Технические науки)
ВАК 2.1.2 Основания и фундаменты, подземные сооружения (Технические науки)
ВАК 2.1.3 Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение (Технические науки)
ВАК 2.1.5 Строительные материалы и изделия (Технические науки)
ВАК 2.1.6 Гидротехническое строительство, гидравлика и инженерная гидрология (Технические науки)
ВАК 2.1.7 Технология и организация строительства (Технические науки)
ВАК 2.1.8 Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей (Технические науки)
ВАК 2.1.9 Строительная механика (Технические науки)
ВАК 2.1.10 Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства (Технические науки)
ВАК 2.1.11 Теория и история архитектуры, реставрация и реконструкция историко-архитектурного наследия (Технические науки)
ВАК 2.1.12 Архитектура зданий и сооружений. Творческие концепции архитектурной деятельности (Технические науки)
ВАК 2.1.13 Градостроительство, планировка сельских населенных пунктов (Технические науки)
ВАК 2.1.14 Управление жизненным циклом объектов строительства (Технические науки)
ВАК 2.1.15 Безопасность объектов строительства (Технические науки)
УДК 556 Гидросфера. Вода в целом. Общая гидрология
УДК 627.8.04 Графические и аналитические статические расчеты
ГРНТИ 70.94 Комплексное использование водных ресурсов
ГРНТИ 81.93 Безопасность. Аварийно-спасательные службы
ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
ББК 3 ТЕХНИКА. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ББК 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
В России наблюдаются существенные колебания климатических условий по территории страны, ущерб от гидрометеорологических явлений составляет 80–90 % от общего ущерба природного характера. Для территории Красноярского края характерно пять видов опасных гидрологических явлений, приводящих к возникновению материального ущерба: заторы, зажоры, низкая межень, половодья и паводки. Материалом исследований стали многолетние данные фиксации опасных гидрологических явлений с зафиксированным материальным ущербом за 30 лет. Выполнен анализ опасных гидрологических явлений, проверена стационарность временных рядов и сделаны выводы о статистической значимости полученных трендов. Проанализированы сведения о выпущенных прогнозах по каждому гидрологическому явлению, систематизированы сведения об их заблаговременности. Данные исследований могут использоваться учреждениями и организациями, уполномоченными по проведению мониторинга окружающей среды, при определении региональных перечней и критериев опасных природных явлений.
гидрология, опасные природные явления, риски, прогноз, материальный ущерб
Введение.
Типовой перечень опасных природных явлений учитывает рекомендации Всемирной метеорологической организации и включает пять групп опасных природных явлений: метеорологические, агрометеорологические, гидрологические, морские гидрометеорологические, гелиогеофизические. В речных бассейнах может наблюдаться девять видов опасных гидрологических явлений: заторы, зажоры, половодья, паводки, очень большие расходы воды (повторяемостью менее 10%), очень малые расходы воды (повторяемостью менее 10%), сели, низкая межень, раннее ледообразование на судоходных реках, озерах и водохранилищах. Размер ущерба зависит от географического расположения, особенностей водосбора и степени освоенности пойменных территорий.
Опасные гидрологические явления встречаются в подавляющем большинстве стран мира. Например, наводнения, повлекшие за собой материальные потери, отмечались на территории Германии [1, 2], центральной Испании [3]. Наводнения и низкая межень наносят значительный ущерб на территории США [4]. В России, где наблюдаются существенные колебания климатических условий по территории страны, ущерб от гидрометеорологических явлений составляет 80–90 % от общего ущерба природного характера. При этом наибольшие материальные потери вызывают очень сильные ветры (в том числе ураганы, шквалы и смерчи), атмосферные и почвенные засухи и наводнения, вызванные половодьем, паводками и зажорно-заторными явлениями.
Затор льда, как гидрологическое явление, представляет скопление ледяного материала (главным образом поверхностного льда) в русле реки. Затор образуется во время ледохода, стесняет живое сечение и вызывает тем самым подъем уровня воды, что приводит к весьма значительным затоплениям прилегающей местности. Под зажором понимается скопление шуги в русле реки, вызывающее забивку части живого сечения и повышение уровня воды. Наиболее мощные заторы образуются в период весеннего ледохода; зажоры имеют место в предледоставный период, а также в течение зимы при наличии незамерзающих участков русла [5]. Поражающими факторами указанных опасных гидрологических явлений являются: гидродинамическое и гидростатическое воздействие (давление) воды, статическое и динамическое (ударное, истирающее и др.) давление льда, воздействие взвешенных и влекомых наносов, динамическое воздействие движущейся селевой массы (состоящей из горных пород, воды и снега) и т.д.
В зависимости от географического положения региона страны, плотности населения, степени освоенности пойменных территорий и особенностей водосбора опасные гидрологические явления, сопровождающиеся зафиксированным материальным ущербом, имеют в каждом из субъектов Российской Федерации свою специфику и различную повторяемость. Различные аспекты воздействия опасных гидрологических явлений на природно-технические системы, оценки опасности наводнений на территории Российской Федерации и в ее субъектах рассматриваются, например, в работах [6, 7]. Мониторинг опасных явлений регламентируется стандартами [8], для их прогноза часто применяются преимущественно прикладные математические методы [9] . Территория Красноярского края характеризуется сложными физико-географическими и климатическими условиями, при которых создаются предпосылки для возникновения опасных и неблагоприятных гидрологических явлений, которые оказывают негативное влияние на жизнедеятельность населения, на развитие отдельных отраслей экономики края. К примеру, паводок в июне 2021 года привел к затоплению пониженных участков на берегах Енисея в г. Красноярск, и на Саяно-Шушенской ГЭС впервые с 2010 года были сбросы воды. В мае 2014 года из-за заторного подъема воды на р. Тея в поселке с одноименным названием произошло подтопление 15 жилых домов, в которых вода над уровнем пола поднялась на 0,5..0,5 метров.
Цель исследований: выявить динамику и структуру рядов многолетних наблюдений за опасными гидрологическими явлениями с зафиксированным материальным ущербом, проверить статистическую однородность временных рядов и проанализировать заблаговременность их прогнозов.
Материал и методы
Площадь Красноярского края составляет 2366,8 тыс. кв. км (или 13, 86% территории России). Это один из наиболее богатых водными ресурсами регионов. На территории Красноярского края протекает 18733 рек. Из них: 17025 - реки Енисейского бассейнового округа, 525 – реки Верхнеобского бассейнового округа, 1183- реки Ангаро-Байкальского бассейнового округа. Ежегодный сток рек края в северные моря составляет порядка 20% суммарного стока рек, протекающих на территории Российской Федерации. В гидрографическом отношении территория края представляет собой части водосборных площадей таких крупных рек, как Енисей, Обь, Пясина, впадающих в Карское море, и реки Хатанга с притоками, впадающей в Хатангский залив моря Лаптевых. Бассейн Оби представлен верхней частью бассейнов рек Чулым и Кеть [10].
Для территории Красноярского края характерно пять видов опасных гидрологических явлений, при возникновении которых был зафиксирован материальный ущерб: заторы, зажоры, низкая межень, половодья и паводки. Материалом исследований стали официальные сведения о неблагоприятных условиях погоды и опасных гидрометеорологических явлениях, нанесших социальные и экономические потери на территории России за период 1991-2021 гг., предоставленные ФГБУ ВНИИГМИ-МЦД Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.
В исследованиях использовались общенаучные методы – анализ и синтез, а также методы структурного анализа и прикладные математические методы, в частности, регрессионный анализ.
Под временной однородностью гидрологических рядов понимается отсутствие в них статистически значимых трендов. Анализ стационарности ежегодных случаев материального ущерба от опасных гидрологических явлений за 31 год был выполнен по рекомендациям Государственного гидрологического института [11]. Для каждого из многолетних рядов строились линейные тренды вида:
y=ax+b
где x – порядковый номер года в ряду наблюдений; a и b – оценки коэффициентов уравнения регрессии; y – ежегодное количество опасных гидрологических явлений одного вида.
Случайная среднеквадратическая ошибка вычислялась по формуле:
При отношении коэффициента корреляции к среднеквадратической ошибке больше или равном 2, тренд признавался значимым на 5% уровне значимости, при отношении больше или равном 3 тренд признавался значимым на 1% уровне значимости.
Результаты и обсуждение
Оценку экономического ущерба от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера затрудняет отсутствие единого подхода к содержанию данного показателя. Единственным законнодательным актом, в котором дается понятие ущерба, является Гражданский кодекс РФ. В гражданском праве под ущербом понимается уменьшение имущества, либо недополучение дохода, который мог быть получен при отсутствии правонарушений. За анализируемый период времени 1991-2021 гг. на территории Красноярского края был зафиксирован материальный ущерб от 192 опасных гидрологических явлений (рис.1).
Рис.1. Динамика и структура опасных гидрологических явлений на территории Красноярского края.
Только 4 года из 31 (13%) на территории края опасные гидрологические явления не приносили материальный ущерб. К примеру, в 2001 году произошло 10 опасных явлений, в 2021 гг. - 9, в 2006 году было зафиксировано 8 явлений. В среднем в год на территории Красноярского края фиксируется 3 опасных гидрологических явления, причиняющих экономический ущерб. Структура опасных гидрологических явлений приведена на рис.2 .
Рис.2. Структура опасных гидрологических явлений с зафиксированным материальным ущербом за 1991-2021 гг.
Наиболее часто на территории Красноярского края материальный ущерб наносят заторы (40% случаев) и половодья (37% случаев), затем следуют паводки (19%). Зажоры льда и низкая межень повлекли за собой материальный ущерб только в 3% и 1% случаев соответственно.
Для выявления статистически значимых трендов роста числа опасных гидрологических явлений факты объединены в две группы: Ледовые затруднения, Высокие воды/Низкие межени. Кроме того, рассмотрен тренд общего числа опасных гидрологических явлений с зафиксированным материальным ущербом. Факторные поля и полученные уравнения парной линейной регрессии приведены на рисунках 3-5.
Рис.3. Линейный тренд общего числа опасных гидрологических явлений с зафиксированным материальным ущербом
Рис.4. Линейный тренд ледовых затруднений с зафиксированным материальным ущербом
Рис.5. Линейный тренд половодий, паводков и низких меженей с зафиксированным материальным ущербом
Результаты оценки статистической значимости трендов приведены в Таблице 1.
|
Вид опасного гидрологического явления |
Среднеквадратическая ошибка |
Коэффициент корреляции |
Отношение ошибки к коэффициенту корреляции |
Значимость тренда |
|
Все явления |
0,180 |
0,126 |
0,708 |
Не значим |
|
Ледовые затруднения |
0,174 |
0,218 |
1,254 |
Не значим |
|
Половодья, паводки, низкая межень |
0,268 |
0,169 |
1,583 |
Не значим |
Общее число опасных гидрологических явлений, причинивших материальный ущерб на территории Красноярского края, имеет слабо выраженный тренд к росту. Тренд статистически не значим как на уровне 5%, так и на уровне 1%. Число заторов и зажоров с материальным ущербом имеет статистически незначимый тренд к снижению, в то время как число половодий и паводков с зафиксированным материальным ущербом имеет тренд к росту, который также статистически не значим. Другими словами, за период 1991-2021 гг. можно сделать вывод о временной однородности рядов наблюдений, то есть отсутствии динамики числа опасных гидрологических явления, повлекших за собой зафиксированный материальный ущерб.
Своевременный прогноз опасного гидрологического явления может значительно снизить его негативные последствия [12]. Следующим этапом анализа стали данные по выпуску прогнозов в ретроспективном периоде. Выделяют следующие виды гидрологических прогнозов по срокам их выхода: краткосрочные прогнозы, выпускаемые с заблаговременностью до 15 суток; среднесрочные прогнозы с заблаговременностью от 15 суток до 1 месяца; долгосрочные прогнозы – с заблаговременностью от одного до нескольких месяцев и более. В Таблице 2 приведены сведения о заблаговременности прогнозов каждого вида опасных гидрологических явлений.
|
Опасное гидрологическое явление |
Число случаев |
Долгосрочных прогнозов |
Среднесрочных прогнозов |
Краткосрочных прогнозов |
Заблаговременность прогноза неизвестна |
|
Все виды |
96 |
19 |
3 |
69 |
5 |
|
Затор |
38 |
8 |
2 |
28 |
- |
|
Зажор |
3 |
- |
1 |
2 |
- |
|
Половодье |
36 |
8 |
0 |
27 |
1 |
|
Паводок |
18 |
2 |
0 |
12 |
4 |
|
Низкая межень |
1 |
1 |
- |
- |
- |
|
ИТОГО |
192 |
38 |
6 |
138 |
10 |
Следует отметить, что за период 1991-21 гг. все опасные гидрологические явления были предсказаны заранее, т.е. спрогнозированы. Прогнозы заторов в большинстве случаев (74%) были краткосрочными со сроком выпуска от1 до 14 дней. Проблемы заблаговременности выпуска прогнозов заторов и зажоров, которые являются ледовыми затруднениями связана с их многофакторностью. Прогнозы половодий в 75% случаев также были краткосрочными, остальное количество прогнозов было долгосрочным. В прогнозах паводков также преобладали краткосрочные прогнозы (67%), но точность выводов снижается за счет достаточно большого числа прогнозов, заблаговременность которых оказалась неизвестной (22%).
Выводы:
- В результате исследований получена типизация опасных гидрологических явлений, характерных для Красноярского края.
- Выполнен анализ стационарности рядов наблюдений. Число опасных гидрологических явлений с материальным ущербом остается примерно постоянным и не имеет статистически значимого тренда к росту. Число ледовых затруднений (заторов и зажоров льда) имеет тенденцию к снижению, но тренд статистически не значим. Число половодий и паводков, повлекших за собой материальный ущерб, увеличивается, но рост статистически не значим.
- Все опасные гидрологические явления на территории Красноярского края были предсказаны прогнозами, но подавляющее большинство прогнозов (более 70%) было краткосрочными с заблаговременностью от суток до 14 дней.
- Данные исследований могут использоваться учреждениями и организациями, уполномоченными по проведению мониторинга окружающей среды, при определении региональных перечней и критериев опасных природных явлений, подготовке информации об угрозе возникновения таких явлений, при сборе сведений о последствиях воздействия и мониторинге опасных явлений на территориях.
1. Petrow, T. and B. Merz (2009). Trends in flood magnitude, frequency and seasonality in Germany in the period 1951-2002. Journal of Hydrology, 371(1-4), pp. 129-141.
2. Sui, J. and G. Koehler. (2001). Rain-on-snow induced flood events in Southern Germany. Journal of Hydrology, 252(1-4), pp. 205-220.
3. Benito, G., M. Barriendos, C. Llasat, M. Machado, and V. Thorndycraft. (2005). Impacts on natural hazards of climatic origin. Flood risk. In: A Preliminary General Assessment of the Impacts in Spain Due to the Effects of Climate Change [Moreno, J.M. (ed.)]. Ministry of Environment, Spain, pp. 507-527.
4. Douglas, E.M., R.M. Vogel, and C.N. Kroll. (2000). Trends in floods and low flows in the United States: impact of spatial correlation. Journal of Hydrology, 240(1-2), pp. 90-105.
5. Гладкевич, Г.И., Терский, П.Н. и Фролова, Н.Л. (2012). Оценка опасности наводнений на территории Российской Федерации (2012). Водное хозяйство России, № 2, с. 29-46.
6. Опасные ледовые явления на реках и водохранилищах России: Монография. (2015). М.: Изд-во РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 2015, 348 с.
7. Таратунин, А.А. (2008). Наводнения на территории Российской Федерации. Екатеринбург: Изд-во ФГУП РосНИИВХ, 432 с.
8. Гагарина Л.Г., Теплова Я.О., Кольцова О.В. Разработка программного обеспечения для проектирования сети постов мониторинга атмосферы // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2009. № 6 (80). С. 58-63.
9. Кондратьева О.В., Петухова М.В., Щедрина Е.В. Применение нечетких множеств для решения задач прогнозирования и оптимизации // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. 2022. № 3-3 (66). С. 169-172.
10. Государственный доклад «О состоянии и охране окружающей среды в Красноярском крае в 2018 году» - Красноярск, 2019. 302 с.
11. Кобозев Д.Д., Снежко В.Л. Оценка влияния потепления климата на элементы гидрологического режима реки Сухона // Инновации и инвестиции. 2020. № 11. С. 177-180.
12. Шаликовский, А.В., Лепихин, А.П., Тиунов, А.А., Курганович, К.А. и Морозов, М.Г. (2019). Наводнения в Иркутской области 2019 года. Водное хозяйство России, № 6, сс. 48-65.
