Диссертация (Вероятностный анализ факторов заторообразования в речных бассейнах (на примере рек Севера Европейской и Азиатской частей России))

oEAEPAJIbHOE IOCyAAPCTBEHHOE BTOAXETHOEOEPA3 OBATEJIbHOE )TqPEXAEHI,IE B bICT T IF f O OEPA3 OB AHI4'I( P o c c ffi cKrffi r o c vAAp c rB EHHrUZ arpapr+uZ yHr,rB Ep c I4TET MC xAIIMEHI4 K.A. TI,IMI,IP'3EBA)Ha npanax pyKorucuqJ4Kyneuron Ceprefi Jleoun4onuuBEPO.f,THOCTIIbIIZAII{JII{3 OAKTOPOB3ATOPOOEPA3OBAHI4,f, BPEqlrbrx EACCETa{AX (HA rrpI4MEpE pEK CEBEPA EBPOilETZCTOITI4 A3I4ATCKOfr I{ACTEIZ POCCLII4)0 5 .23 . I6- f ra4p ann uKa vt r4HxeHep Ha, rr,rAp oJrorr4,ro4cCEPTAT[4,f,Ha corrcKaHaeyreuoft creneHr.rKaHAI'IAaTa TeXHHTIeCKI'IX HayKHayrHufi pyKoBoAr.rrenbAoKrop rexHzrrecKr.rx HayK, upoQeccop KoalonMocrua -2019[.B.2ОГЛАВЛЕНИЕВведение …………………………………………………………………………..

4Глава 1. Модели прогноза образования заторов льда на реках121.1. Заторы льда и их классификация …………………………………………...121.2. Геоморфологические факторы заторообразования ……………………….. 181.3. Гидрометеорологические факторы заторообразования …………………... 241.4. Методы изучения и модели прогноза заторов льда на реках ……………281.5. Выводы и направления дальнейших исследований ……………………….

35Глава 2. Анализ влияния морфометрических особенностей речногорусла на частоту заторных явлений382.1. Анализ динамики заторных наводнений на Европейской и Азиатскойчастях Российской Федерации …………………………………………….2.2. Исходные данные для построения факторной модели ……………………38412.3. Модель множественной регрессии и статистические оценкиее качества ……………………………………………………………………47Выводы по Главе 2 ……………………………………………………………….52Глава 3.

Влияние подпора на частоту заторов льда в бассейне рекиСеверная Двина543. 1. Особенности ледовых затруднений в бассейне рекиСеверная Двина …………………………………………..………………… 543.2. Статистический анализ дискриминантных переменных …………………. 573.3. Построение и кросс-проверка классификационных функций ……………68Выводы по Главе 3 ……………………………………………………………….. 74Глава 4. Вероятностный прогноз образования заторов на рекеКичменьга764.1. Гидрологическое описание бассейна реки Кичменьга …………………….

764.2. Проверка стационарности многолетних рядов наблюдений за ледовымиявлениями …………………………………………………………………… 7934.3. Качественная оценка вероятности образования затора на рекеКичменьга …………………………………………………………… …….... 884.4. Обобщенная оценка вероятности возникновения затора в створе спостоянной морфометрией ………………….. ……………………………. 954.5.

Разработка комплекса инженерно-технических мероприятий поборьбе с заторами на незарегулированных участках речных русел100Выводы по Главе 4 ……………………………………………………………….. 108Заключение ……………………………………………………………………..111Список условных обозначений ………………………………………………..114Список литературы …………………………………………………………….116Приложения …………………………………………………………………….131Приложение 1. Статистический отчет по модели множественнойлинейной регрессии (реки побережья моря Лаптевых) ……………………...... 132Приложение 2. Статистический отчет по модели множественнойлинейной регрессии (Обь и реки, впадающие в Карское море междуустьями Оби и Енисея) …………………………………………………………... 133Приложение 3.

Статистический отчет по модели множественнойлинейной регрессии (реки побережья Белого и Баренцева морей квостоку от устья Северной Двины) ……………………………………………... 134Приложение 4. Сведения о параметрах заторно-зажорныхучастков рек бассейна Северной Двины ………………………………………... 135Приложение 5. Список научных трудов автора………………………………… 1374ВВЕДЕНИЕВ период вскрытия ото льда ряда рек севера европейской и азиатской частейРоссии, Канады, Норвегии, США с высокой повторяемостью возникают заторныеявления, для которых характерно скопление в русле масс битого и слоистого льда– образование так называемой «ледовой плотины» [102, 109, 135]. Стеснениеживого сечения крупно- и мелкообломочным льдом вызывает резкий подъемуровня воды в месте образования затора, распространяемый вверх по течению[48]. Стихийное затопление прибрежныхтерриторий водойс ледовымматериалом, обусловленное возникновением затора или подпорными явлениямиот скоплений льда в нижерасположенном створе речного русла, называютнаводнением,вызванным ледовыми затруднениями.

Максимальный заторныйуровень может быть выше уровня весеннего половодья. Размер ущерба, которыйвозникшее наводнение может причинить народному хозяйству, зависит отстепени освоения прибрежных территорий, высоты и скорости подъема уровняводы в реке, продолжительности затопления.В марте 2008 года в округе Лонг-Айленд (США, штат Иллинойс) в четырехгородах было объявлено чрезвычайное положение из-за наводнения, вызванногозатором льда на реке Миссисипи. Высота ледовых нагромождений в русле врайоне города Молина доходила до 4,5 метров, в районе Джослина  5,4 метра,уровень воды в реке был ниже отметки ледового затора на всего 1,5 метра.Эвакуация людей из затопленных районов позволила избежать жертв.

В январе2014 года сильное похолодание в районе Кливленда (США, штат Огайо) вызвалоповторный ледостав на озере Эри и впадающих в него реках и связанные с этимледяные заторы. В январе 2018 года резкое повышение температуры послепродолжительных холодов привело к возникновению ледового затора на рекеКоннектикут (северо-восток США, штат Коннектикут). Затор торошения имелпротяженность нескольких миль выше города Хаддама. Рост уровней воды в рекена 2,5 метра вызвал наводнение, для ликвидации которого использовались катерабереговой охраны, способные разбивать лед.5Заторное наводнение 1997 года на реке Атабаска в Канаде причинило ущерб9 млн. долларов в региональныхокругах Британской Колумбии Форт Мак-Мюррей и Пис-Ривер [131].В 1999 году в результате заторного наводнения на реке Мста вНовгородской области (Россия) материальный ущерб составил 42 млн.

рублей. Вмае 2001 года ущерб от заторного наводнения городу Ленск (Россия, СахаЯкутия) составил 6,2 млрд. рублей. В мае 2018 года ущерб от заторныхнаводнений на территории Саха Якутии составил порядка 800 млн. рублей, былвведен режим чрезвычайной ситуации федерального уровня, в русле реки Ленапроводились ледокольные работы.Актуальность темы исследования. Наводнения заторного типа являютсяочень опасными, так как перемычка, сформированная скоплениями льда,вызывает стремительный рост уровня воды (до 10 метров) выше створа изначительное понижение уровня ниже створа сформировавшейся «ледовойплотины».

Согласно официальным данным за 1991-2017 годы на территорииРоссийскойФедерациизарегистрировано134заторныхнаводнениясзафиксированным материальным ущербом. Повторяемость заторных наводнений,наносящих материальный ущерб, наиболее высока в Красноярском крае –относительная частота наводнений в расчете на период в 26 лет равна 1,37. ВЯкутии эта величина составляет 0,70, в Иркутской области - 0,37, в Алтайскомкрае 0,33, а в Архангельской области – 0,22.Федеральная целевая программа «Развитие водохозяйственного комплексаРоссийскойФедерациив2012-2020годах»однойизактуальныхивостребованных тем современных научных исследований определяет изучениегидротермических ледовых и гидравлических процессов и явлений в природных иприродно-техногенных системах водных объектов суровой климатической зоныРоссии.Степень разработанности темы исследования.

Практически для всехкрупных рек России на сегодняшний день разработаны как краткосрочные, так идолгосрочные модели прогноза расходов и уровней воды в период образования6заторов, строятся модели прогноза и формирования заторов льда. Известны идостаточно широко применяются в отечественной инженерно-гидрологическойпрактике работы Л.Г. Шуляковского [105], Р.А. Нежиховского [73], И.Я Лисера[57], Ю.А.

Деева и А.Ф. Попова [31], Я.И. Марусенко [65], В.Н. Карновича [38,39], Р.В. Донченко [32], А.Н. Чижова [100], В.А. Бузина [14], В.В. Кильяминова[45] и др. В настоящее время исследования и прогнозы ледового режима рекактивно ведутся в МГУ имени М.В. Ломоносова Н.Л. Фроловой и С.А.Агафоновой [3, 6], Государственном гидрологическом институте (ГГИ) Л.С.Банщиковой [20], Пермском ГНИУ В.Г. Калининым [37]. Исследования вопросовтермики и ледотермики естественных и искусственных водных объектов, в томчисле уменьшения пропускной способности русел из-за зажоров и заторов льда,численного моделирования заторообразования ведутся в ИВП РАН В.К.Дебольским, Е.И.

Дебольской, В.В. Беликовым [111], Е.Н. Долгополовой, О.Я.Масликовой [30, 119 и др.], в ИВЭП СО РАН А.Т. Зиновьевым [18], в НИУМГСУ Д.В. Козловым [29, 47, 75] и др.За рубежом вопросы образования, прогнозирования и моделированиязаторов льда на реках исследуются сегодня в работах Д. Андресса [107], С.Демерса [120], С. Де Манка и И. Готье [118], С. Морина и Д.

Бюхера [134], Т.Проуса и М. Конли [136], С. Белтаоса [112…115], Г. Эштона [108], О. Льера [129],Ф. Хиксома [113], Ч. Махабира, Ф. Хикса и А. Робинсон-Файек [131], Хунг ТаоШена [126] и др.Для средних и малых рек с площадью водосбора порядка 2000 км 2, впределах которых не возникает мощных наводнений с материальным ущербом,прогнозных моделей образования заторов немного. Тем не менее, заторныеявления в их бассейнах отражаются на уровневых и ледовых режимах болеекрупныхрек,притокамикоторыхониявляются.Ледовыйматериал,образующийся после прорыва затора, поступает в русло основной реки и можетоказать негативное влияние на прохождение паводка.Процесс образования заторов сложный и многофакторный, поэтому длязатороопасногоучасткарекифакторы,нанеговлияющие,достаточно7индивидуальны и требуют всесторонней оценки.

До сих пор практически несуществовалосистематизированныхколичественныхоценоквлиянияморфометрических факторов и оценок влияния подпора на параметры ледовыхзатруднений.Большинствомоделейпрогнозавозникновенияледовыхзатруднений не учитывают совместной вероятности одновременного появленияфакторов, влияющих на эти процессы.

Несмотря на множество исследований,посвященных ледовому режиму и ледотермике естественных водных объектов,прогнозамнаступленияледовыхфазиледовыхзажоровизаторов,количественная оценка факторов и прогноз возникновения заторов льда привскрытии речных русел до настоящего времени остается актуальным ивостребованным практикой научным направлением в инженерной гидрологии.Целью исследований является количественная оценка постоянных ипеременных факторов, влияющих на частоту возникновения ледовых заторов,построение вероятностной модели прогноза образования затора в речном русле сустойчивойморфометрией,атакжеразработкакомплексаинженерно-технических мероприятий по борьбе с заторами льда на незарегулированныхучастках речных русел.Для достижения поставленной цели был решен ряд задач: выполнен анализ динамики заторных наводнений, повлекших за собойматериальный ущерб, на реках европейской и азиатской частей России; получены количественные оценки влияния морфометрических особенностейречного русла на частоту возникновения заторов льда на примере трехукрупненных речных бассейнов (рек побережья моря Лаптевых; реки Обь ирек, впадающих в Карское море между устьями Оби и Енисея; рек побережьяБелого и Баренцева морей к востоку от устья Северной Двины); получена количественная оценка влияния подпора от нижележащих створов напараметры заторных наводнений и построены классификационные функции,позволяющие разделить участки с влиянием подпора и без влияния подпора повеличине параметров возникающих заторных наводнений для затороопасныхучастков рек бассейна Северной Двины, замерзающих по зажорному типу;8 проверена стационарность наблюдавшихся ледовых явлений на многолетнемпериоде наблюдений, и выявлены критические значения основного фактора,влияющего на возникновение затора для незарегулированного затороопасногоучастка реки Кичменьга (бассейн Северной Двины), замерзающего позажорному типу; разработаны с применением дедуктивного метода FTA возможные сценариивозникновения ледового затора в речном створе с устойчивой (постоянной)морфометрией,дляпостроенныхдеревьевпроисшествийполученыобобщенные зависимости для оценки вероятности возникновения затора вкаждом из сценариев; разработан комплекс инженерно-технических мероприятий по борьбе сзаторами льда на незарегулированных участках речных русел,а такжедетализировано его информационно-документальное обеспечение.Научнаяновизна.Врезультатеисследований,выполненныхвдиссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:1.

Доказано, что для рассматриваемых укрупненных речных бассейновстепень влияния морфометрических особенностей русла на частоту образованиязаторов льда не зависит от типа речного бассейна, чем подтверждаетсярассмотрение этого фактора как постоянного фактора заторообразования.2. Впервые различным элементам морфометрического строения речногорусла поставлена в соответствие степень их влияния на частоту возникновениязаторов, и выполнено ранжирование факторов в убывающем порядке: разделениеречного русла, изменения русла в плане и изменение глубин речного потока.3.