Прогнозирование и оценка обстановки при наводнениях

Под наводнением понимается затопление водой прилегающей к реке, озеру или водохранилищу местности, которое причиняет материальный ущерб, наносит урон здоровью населения или приводит к гибели людей. Затопление же водой местности, не сопровождающееся ущербом, есть разлив реки, озера или водохранилища.

На территории России находятся сотни тысяч больших и маленьких рек, озер, водохранилищ, о большей части которых известно лишь специалистам или людям, проживающим на их берегах.

Изучением процессов, протекающих в водоемах суши, занимается гидрология суши. Название этой науки происходит от греч. "hydor" - вода и "logos" - учение. Как и любая наука, гидрология оперирует своей терминологией и своими понятиями. Гидрология суши относится к комплексу географических наук. Одним из основ понятий является понятие "физико-географическая зона" - природная зона, в которой происходит формирование стока реки. В зависимости от природной зоны, в которой происходит питание реки, зависит и ее "характер". Так, равнинные реки лесной зоны имеют и более равномерное питание, и более плавный ход уровней, чем реки, зона питания которых находится в горах. Другое понятие "гидрографическая сеть" означает совокупность постоянных и временных водотоков, а также озер, болот, прудов на какой-либо территории.

Речной бассейн - территория суши, с которой талая и дождевая вода стекает в реку. Различают бассейн реки (или иначе водосбор реки), бассейн озера, водохранилища и т.д. Важнейшей числовой характеристикой является размер водосбора, называемый площадью бассейна. Обычно различают ручьи (площадь водосбора менее 10 кв. км), малые реки с площадью водосборов от 10 до 5000 кв. км, сред с водосборами от 5 000 до 50 000 кв. км и большие реки с площадью водосбора более 50 000 кв. км. Протяженность водотока (реки) от истока до устья называет длиной реки. Между площадью водосбора и длиной реки существует приближенная связь.

Очевидно, что чем больше река, тем разнообразнее природные условия на ее территории. Среди многочисленных природных условий бассейна, помимо его площади и длины реки, важнейшее значение имеют заболоченность территории, лесистость, озерность, распаханность (т.е. доля площади бассейна в процентах, занятая соответственно, озерами, болотами, лесами, пашнями). Важнейшей характеристикой реки является ее водность, или сток воды, - объем воды, проходящий через поперечное сечение русла за определенный интервал времени (месяц, квартал, сезон, год). Объем стока в единицу времени называют расходом воды. Обычно расход воды обозначают буквой Q и измеряют в куб.м/с или л/с. Хронологический график изменения расхода воды называют гидрографом стока.

На территории России находится широкая сеть гидрологических постов, занимающихся регистрацией гидрологических характеристик рек, озер и водохранилищ. Обязательной регистрируемой характеристикой является уровень воды в реке, озере, водохранилище и т.д. Для каждого населенного пункта, расположенного вблизи водного объекта, устанавливаются некоторые критические значения уровня, так называемые опасные и особо опасные отметки. Опасная отметка - значение уровня воды, при превышении которого начинается затопление поймы, сельскохозяйственных угодий. Особо опасная отметка - значение уровня воды, при превышении которого начинается затопление прибрежных населенных пунктов, хозяйственных объектов, дорог, линий электропередач и т.д.

В режиме рек обычно выделяют половодье, паводок и межень. Под половодьем принято понимать ежегодно повторяющийся в один и тот же сезон значительный и довольно продолжительный подъем уровня воды в реке. Как правило, половодье вызывается таянием снега на равнинах и дождевыми осадками, и происходит это весной. В горных районах выделяют весенне-летнее половодье, связанное с таянием снега и ледников в высокогорных областях и выпадением осадков. Паводок - это интенсивный, сравнительно кратковременный подъем уровня воды, вызванный дождями и ливнями, иногда таянием снега при зимних оттепелях. Меженью называют период низкой водности рек, который устанавливается в зимний и летне-осенний сезоны, поэтому различают зимнюю и летне-осеннюю межень. В период половодий и паводков уровень воды в реках достигает наивысшего значения, которое называется максимальным уровнем воды в период половодья (или паводка). Данные о максимальных уровнях и расходах воды за год обобщаются, поскольку они имеют наибольшее значение при изучении наводнений и организации борьбы с ними. Именно максимальный уровень определяет площадь и глубину затоплений прибрежных территорий. Данные о максимальных уровнях воды используются при проектировании любых гидротехнических сооружений, а также жилых и хозяйственных объектов, расположенных в прибрежной зоне.

Наводнения в большей или меньшей степени периодически наблюдаются на большинстве рек России. По повторяемости, площади распространения и суммарному среднему годовому материальному ущербу в масштабах всей нашей страны наводнение занимает первое место в ряду стихийных бедствий. По человеческим жертвам и удельному материальному ущербу (т.е. ущербу, приходящемуся на единицу пораженной площади) наводнения занимают второе место после землетрясений. Ни в настоящем времени, ни в будущем наводнения как стихийное бедствие не могут быть целиком предотвращены. Их можно только ослабить и локализовать.

В России площадь паводкоопасных территорий составляет 400 тыс. км². Ежегодно подвергается затоплению около 50 тыс. км² территорий. Наводнениям с катастрофическими последствиями подвержена территория в 150 тыс. км², где расположены 300 городов, десятки тысяч населенных пунктов, большое количество хозяйственных объектов, более 7 млн га сельхозугодий. Среднемноголетний ущерб от наводнений оценивается в 41,6 млрд рублей в год (в ценах 2001 г.).

В конце XX - начале XXI века все большую роль в увеличении частоты и разрушительной силы наводнений стати играть 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 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 средний 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 обвалования, разрушение искусственных плотин, аварийные сработки водохранилищ и др.

Обострение проблемы наводнений в России связано также с прогрессирующим старением основных фондов водного хозяйства вследствие постоянного уменьшения объемов капиталовложений в водную отрасль в течение последних 10 лет. Дополнительными факторами риска антропогенного характера является изменение характера стока на хозяйственно освоенных и подвергнутых трансформациям водосборных территориях; хозяйственное освоение паводкоопасных территорий 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.

В зависимости от причин выделяются 4 группы наводнений.

1-я группа - наводнения, связанные в основном с максимальным стоком от весеннего таяния снега. Такие наводнения отличаются значительным довольно длительным подъемом уровня воды в реке и называются обычно половодьем.

2-я группа - наводнения, формируемые интенсивными дождями, иногда таянием снега при зимних оттепелях. Они характеризуются интенсивными, сравнительно кратковременными подъемами уровня воды и называются паводками.

3-я группа - наводнения, вызванные в основном большим сопротивлением, которое водный поток встречает в реке. Это обычно происходите начале и в конце зимы при зажорах и заторах льда.

4-я группа - наводнения, создаваемые ветровыми нагонами воды на крупных озерах и водохранилищах, а также в морских устьях рек.

Существует еще пятый вид наводнений - наводнения при прорыве плотин.

По размерам или масштабам и по наносимому суммарному ущербу наводнения делятся также на четыре группы.

1-я группа - низкие (малые) наводнения. Наблюдаются в основном на равнинных реках и имеют повторяемость примерно один раз в 5-10 лет. Затопляется при этом менее 10% сельскохозяйственных угодий, расположенных в низких местах. Эти наводнения наносят незначительный материальный ущерб и почти не нарушают ритма жизни населения.

2-я группа - высокие наводнения. Сопровождаются значительным затоплением, охватывают сравнительно большие участки речных долин и иногда существенно нарушают хозяйственный и бытовой уклад населения. В густонаселенных районах высокие наводнения нередко приводят к частичной эвакуации людей, наносят ощутимый материальный и моральный ущерб.

3-я группа - выдающиеся наводнения. Такие наводнения охватывают целые речные бассейны. Они парализуют хозяйственную деятельность и резко нарушают бытовой уклад населения, наносят большой материальный и моральный ущерб. Во время выдающихся наводнений обычно возникает необходимость массовой эвакуации населения и материальных ценностей из зоны затопления и защиты наиболее важных хозяйственных объектов. Выдающиеся наводнения повторяются примерно один раз в 50-100 лет. Затапливается при этом 50-70% сельскохозяйственных угодий - основные сенокосно-пастбищные угодья и половина пахотных земель поймы. Начинается затопление населенных пунктов.

4-я группа - катастрофические наводнения. Они вызывают затопления громадных территорий в пределах одной или нескольких речных систем. При этом в зоне затопления полностью парализована хозяйственная и производственная деятельность, временно изменяется жизненный уклад населения. Такие наводнения приводят к огромным материальным убыткам и гибели людей и случаются не чаще одного раза в 100-200 лет или еще реже. Затапливается более 70% сельскохозяйственных угодий, населенные пункты, промышленные предприятия и инженерные коммуникации.

Многочисленные реки, протекающие по обширной территории нашей страны, отличаются друг от друга различными условиями формирования стока воды. Сток воды - это количество воды, протекающей через замыкающий створ реки за какой-либо интервал времени.

По условиям формирования стока и, следовательно, по условиям возникновения наводнений реки России подразделяются на четыре типа.

1-й тип - реки с максимальным стоком, вызываемым таянием снега на равнинах. Для таких рек причиной наводнений является сезонное (весеннее) таяние снежного покрова. К этому типу относятся большинство рек Европейской части России и Западной Сибири.

2-й тип - реки с максимальным стоком, возникающим при таянии горных снегов и ледников. Причиной наводнений для таких рек является интенсивное таяние ледников и снежного покрова, расположенных высоко в горах, которое может наблюдаться несколько раз в течение года (в зависимости от погодных условий). К этому типу относятся реки Северного Кавказа.

3-й тип - реки с максимальным стоком, обусловленным выпадением интенсивных дождей. Для такого типа рек, так же как и для 2-го типа, характерно наличие нескольких пиков стока воды в течение года. К этому типу относятся реки Дальнего Востока и Сибири.

4-й тип - реки с максимальными стоками, образующимися от совместного влияния снеготаяния и выпадения осадков. Режимы этих рек характеризуются весенним половодьем от таяния снегов, повышением летнего и зимнего стока за счет обильного грунтового питания, а также значительными осенними осадками. Наличие такого типа рек характерно для северо-западных районов России и некоторых районов Кавказа.

Особенно опасные наводнения наблюдаются на реках дождевого и ледникового питания или при сочетании этих двух факторов.

Разливы воды, сопровождающиеся повышением ее уровня с затоплением прилегающих территорий, влекут за собой материальный ущерб, создают угрозу жизни и здоровью населения. Наводнения имеют место только на хозяйственно освоенных территориях, а значит, с освоением земель и развитием экономики их неблагоприятные последствия будут нарастать. Водные и около-водные экосистемы исторически приспособлены к наводнениям, хотя отдельные звенья их могут страдать от затопления и подтопления; в то же время для функционирования других, вероятно более многочисленных, звеньев экосистем наводнения полезны и необходимы.

Поданным ЮНЕСКО, за последнее столетие от наводнений погибло около 10 млн человек (для сравнения: от землетрясений и ураганов ~ 2 млн человек); убытки мировой экономики исчисляются десятками миллиардов долларов, достигая в некоторых странах 15% валового продукта.

К факторам, обусловливающим величины максимального уровня максимального расхода воды, для случая весеннего половодья, относятся следующие:

запас воды в снежном покрове перед начатом весеннего таяния;

атмосферные осадки в период снеготаяния и половодья; осенне-зимнее увлажнение почвы к началу весеннего снеготаяния;

глубина промерзания почвы к началу снеготаяния; ледяная корка на почве; интенсивность снеготаяния;

сочетание волн - половодья крупных притоков бассейна; озерность, заболоченность и лесистость бассейна (эти факторы в отличие от перечисленных способствуют уменьшению максимального расхода).

При определении основных характеристик половодий на горных реках, кроме вышеперечисленных факторов, необходимо учитывать вертикальную зональность климата, среднюю высоту водосбора, величины уклонов рек.

Из поражающих факторов наводнений выделяют: гидродинамический - в виде потока (течения) воды; гидрохимический - обусловливающий загрязнение гидросферы, почв, фунтов, а также ускорение процессов коррозии, гниения и других химических и микробиологических процессов.

К основным характеристикам последствий наводнения относятся:

численность населения, оказавшегося в зоне, подверженной наводнению (здесь можно выделить число жертв, количество раненых, количество населения, оставшегося без крова, и т.п.);

количество населенных пунктов, попавших в зону, охваченную наводнением (здесь можно выделить города, поселки городского типа, сельские населенные пункты, полностью затопленные, частично затопленные, попавшие в зону подтопления, и т.п.);

количество объектов различных отраслей народного хозяйства, оказавшихся в зоне, охваченной наводнением;

протяженность железных и автомобильных дорог, линий электропередач, линий коммуникаций и связи, оказавшихся в зоне затопления;

количество мостов и тоннелей, затопленных, разрушенных и поврежденных в результате наводнения;

площадь сельскохозяйственных угодий, охваченных наводнением;

количество погибших сельскохозяйственных животных и т.п., а также такие обобщенные характеристики, как величины ущерба,

наносимого наводнением различным отраслям народного хозяйства.

Различают прямой и косвенный ущерб от наводнений.

К видам прямого ущерба, например, относятся: повреждение и разрушение жилых и производственных зданий, железных и автомобильных дорог, линий электропередач и связи, мелиоративных систем и пр.;

гибель скота и урожая сельскохозяйственных культур; уничтожение и порча сырья, топлива, продуктов питания, кормов, удобрений и пр.;

затраты на временную эвакуацию населения и материальных ценностей в незатопляемые места;

смыв плодородного слоя почвы и занесение почвы песком и илом.

Виды косвенного ущерба:

затраты на приобретение и доставку в пострадавшие районы продуктов питания, строительных материалов, кормов для скота;

сокращение выработки продукции и замедление темпов развития народного хозяйства;

ухудшение условий жизни населения; невозможность рационального использования территории; увеличение амортизационных расходов на ОГЛАВЛЕНИЕ зданий в нормальном состоянии.

Часто косвенный ущерб превышает прямой.

Наводнения иногда сопровождаются пожарами - вследствие обрывов и короткого замыкания электрических кабелей и проводов. Здания, периодически попадающие в зону затопления, теряют капитальность:

повреждается гнилью дерево, отваливается штукатурка, выпадают кирпичи, подвергаются коррозии металлические конструкции и пр., а главное, из-за разжижения и размыва грунта под фундаментом происходит неравномерная осадка зданий и, как следствие, появляются трещины.

При подтоплении города из-за неравномерной осадки грунта происходят частые разрывы канализационных и водопроводных труб, электрических, телевизионных и телеграфных кабелей и т.п.

Для городов и населенных пунктов существуют понятия "подтопление" и "затопление". При подтоплении вода проникает в подвальные помещения через канализацию (если она имеет входы в реку), по разного рода засыпанным канавам и траншеям (в них заложены тепловые, водопроводные и иные сети) или из-за подпора фунтовых вод. В случае же затопления местность покрывается слоем воды той или иной высоты.

Рис. 5.1. Расчетная схема сечения реки: треугольное сечение (а); трапецеидальное сечение (б): а₀ - ширина дна реки; b₀, b - ширина реки до и во время наводнения; h₀, h - глубина реки до и во время наводнения; h₃ - глубина затопления; h_м - высота места; т, п - углы наклона берегов реки

При прогнозировании последствий наводнений схематически сечение русла реки можно представить либо треугольным сечением (рис. 5.1, а), либо сечением трапецеидального вида (рис. 5.1, б).

Расход воды в реке до наступления наводнения (паводка) (Q₀, м³/с, равен

(5.19)

где V₀ - скорость воды в реке до наступления паводка, м/с; S₀ - площадь сечения русла реки до паводка, м², равная:

S₀ = 0,5b₀h₀ - для треугольного сечения; (5.20)

S₀ = 0,5(a₀ + b₀)h₀ - для трапецеидального сечения. (5.21)

Расход воды после выпадения осадков (таяния снега) и наступления половодья (паводка) (Q_max, м³/с, равен

(5.22)

где J - интенсивность осадков (таяния снега), мм/ч; F - площадь выпадения осадков (таяния снега), км².

Высота подъема воды в реке при прохождении паводка h, м, определяется из выражения

(5.23)

Если не известна глубина реки h₀, но известны углы наклона берегов, то, например, для трапецеидального сечения

(5.24)

Максимальная скорость потока воды при прохождении паводка V_max, м/с, равна

(5.25)

где S_max - площадь поперечного сечения потока при прохождении паводка, м , определяемая по формулам (5.20) и (5.21), в которые вместо h₀ подставляется h, а вместо b₀ подставляется b.

Поражающее действие паводка определяется глубиной затопления h₃, м:

(5.26)

и максимальной скоростью потока затопления V₃, м/с:

(5.27)

Параметр удаленности объекта от русла реки f определяется по табл. 5.9

Таблица 5.9

Знамения параметра f

h1 /h	Сечение русла
	прямоугольное	трапецеидальное	треугольное
0,1	0,2	0,23	0,3
0,2	0,38	0,43	0,5
0,4	0,60	0,64	0,72
0,6	0,76	0,84	0,96
0,8	0,92	1,05	1,18
1,0	1,12	1,2	1,32

Поражающее действие волны затопления паводка аналогично поражающему действию волны прорыва и может быть оценено по табл. 5.45.

В отличие от волны прорыва наводнение и паводок оказывают более продолжительное действие, усугубляющее первоначальное разрушающее воздействие напорной волны (табл. 5.10).

Таблица 5.10

Доля поврежденных объектов (%) на затопленных площадях при крупных наводнениях (V₃ = 3 - 4 м/с)

Объект	Время затопления, ч
	1	2	3	4	24	48
Затопление подвалов	10	15	40	60	85	90
Нарушение дорожного движения	15	30	60	75	95	100
Разрушение уличных мостовых	-	-	3	6	30	5
Смыв деревянных домов	-	7	70	90	100	100
Разрушение кирпичных зданий	-	-	10	40	50	60
Прекращение электропитания	75	90	90	100	100	100
Прекращение телефонной связи	75	85	100	100	100	100
Повреждение систем газо- и теплоснабжения	-	-	7	10	30	70
Гибель урожая	-	-	-	-	3	8

Примечание. При V, = 1,5 - 2,5 м/с приведенные в таблице значения необходимо умножить на 0,6; при V₃ = 4,5 - 5,5 м/с - умножить на 1,4.

Пример 4. Определить последствия наводнения, вызванного таянием снега в пойме реки, для населенного пункта, состоящего из деревянных и кирпичных малоэтажных домов и производственных зданий деревообрабатывающего комбината (ДОК). Интенсивность таяния снега V = 75 мм/ч, площадь поймы реки F= 300км², ширина реки b₀ = 100 м, глубина h₀ = 3 м, скорость течения V₀ = 2 м/с, русло реки в сечении имеет форму трапеции с шириной дна а₀ = 80 м, высота места (города и ДОК) h_м = 2 м.

Решение.

1. Определим расход воды в реке до наступления наводнения Q₀ с использованием формул (5.19) и (5.21)

2. Расход воды после таяния снега и наступления половодья Q_max определим по формуле (5.22)

3. Высота подъема воды в реке при прохождении наводнения находится по формуле (5.23)

4. Максимальную скорость потока воды при прохождении половодья V_max определим по формуле (5.25)

Здесь S_max (м²) определяется по формуле (5.21), в которой вместо b₀= 80 м подставлено значение b = а₀ + 2h ctg m = 80 + 2 · 9,67 · 3,33 = 144,3 (м), где ctg m = ctg n = (b₀ - а₀)/(2h₀) = (100 - 80)/(2 · 3) = 3,33.

5. Глубина затопления h₃ по формуле (5.26) равна

6. Максимальную скорость потока затопления определим по формуле (5.27). При h₃/h = 0,48 для трапецеидального сечения русла значение параметра, найденное методом интерполяции по данным табл. 5.9, составляет 0,72:

7. Долю поврежденных объектов на затопленных площадях определим по табл. 5.10. В течение суток, то 85% подвалов будет затоплено, на 30% разрушены уличные мостовые, 50% кирпичных зданий получат различные степени разрушения. Прекратится подача электроэнергии, на 30% будут разрушены системы газо- и теплоснабжения.

8. По табл. 5.45 определим, что при скорости затопления V₃ = 4,5 м/с и глубине затопления Л₃ = 4,7 м полностью могут быть разрушены или получить сильные повреждения деревянные и кирпичные малоэтажные дома. Производственные здания - от средней до сильной степень разрушения.

Прогнозирование и оценка обстановки при селях

Сель - это стремительный поток большой разрушительной силы, состоящий из смеси воды и рыхлообломочных пород, внезапно возникающий в бассейнах небольших горных рек в результате интенсивных дождей или бурного таяния снега, а также прорыва завалов и морен.

Селевые явления в горах Российской Федерации распространены практически повсеместно. Площадь селеопасных территорий составляет около 8% от общей площади страны. В горах умеренного климатического пояса, преимущественно, проявляются дождевые сели, на севере, в пределах субарктического и арктического поясов - снеговые сели (водоснежные потоки).

Наиболее активно селевые процессы развиваются в высокогорьях Северного Кавказа, в горах Байкальской рифтовой зоны и в районах современного вулканизма на Камчатке, Курилах и Сахалине. На Северном Кавказе формируются дождевые и ледниковые сели; большая часть случаев их схода приходится на июль-август. Средняя повторяемость дождевых селей составляет один раз в 10-12 лет, ледниковых - в 15-20 лет. По объему выносов на Западном Кавказе преобладают мелкие, на Восточном - средние, на Центральном, наиболее высоко поднятом и несущим современное оледенение, - средние и крупные. Максимальный наблюденный объем выноса составил 3 млн м³ (р. Адырсу, 1940).

Сели - это один из генетических типов экзогенных геологических процессов, занимающий промежуточное положение между обычными паводками с небольшим ОГЛАВЛЕНИЕм взвешенных и влекомых наносов, с одной стороны, и оползнями-потоками - с другой.

Сели представляют собой внезапные горные потоки, обильно насыщенные твердым материалом, возникающие во время ливневых дождей, при интенсивном таянии снега, а также при прорыве запруд и плотин в долинах рек, где имеются большие запасы рыхлообломочного материала. Для формирования селевых потоков необходимо наличие:

а) рыхлых или слабосвязных горных пород в руслах водотоков;

б) воды в количестве и со скоростью движения, достаточных для вовлечения этих пород в движение с образованием повышенной концентрации наносов.

Твердая составляющая по своему гранулометрическому составу может быть очень неоднородна - от мельчайших глинистых частиц до крупных глыб объемом до 2 м³ и более.

Речные бассейны, в которых наблюдается прохождение селевых потоков, называются селевыми. В селевом бассейне различают три основные зоны: а) формирования селей; б) транзита селей; в) затухания селей (конусы выноса).

Зона формирования селей - часть бассейна, где находятся очаги их зарождения. Она, как правило, занимает верхнюю часть бассейна. В ней происходит зарождение и формирование селевого потока. В очаге зарождения поток приобретает все особенности, присущие селю. В зоне формирования продолжаются дальнейшие изменения насыщенности селевого потока твердой составляющей, его гранулометрического состава, характера движения.

Транзитная зона - часть бассейна (русла), где происходит движение уже сформировавшегося селевого потока без существенных изменений в его составе и режиме. Однако на отдельных участках может происходить некоторая трансформация селевого потока, за счет дополнительного поступления воды и рыхлообломочного материала из притоков или размыва берегов русла. Если селевой поток в транзитной зоне претерпевает существенные изменения в своем составе или режиме движения, то в ней выделяются участки вторичного переформирования. Среди них могут быть выделены участки временного затухания, подпитывания твердым материалом, разубоживания за счет поступления большого количества воды.

Зона затухания или разгрузки обычно представлена в виде конусов выноса, где происходит отложение твердого материала селевого потока. Эта зона может иметь и другие формы в зависимости от рельефа либо отсутствовать совсем, если селевой поток разгружается в крупный водоток.

Наибольший интерес для решения практических задач представляют следующие классификации: генетическая очагов зарождения селей, по гранулометрическому составу твердой составляющей, по состоянию воды в селевом потоке, по характеру движения селевого потока.

Классификация по генетическим особенностям очагов зарождения отражает наиболее общие закономерности формирования селей. По гидрологическим особенностям формирования селей выделены следующие основные группы очагов, связанные: а) со скоплением рыхлообломочного материала в руслах временных и малых водотоков; б) с подпруживанием рек; в) с деятельностью современных ледников; г) с деятельностью вулканов.

Гранулометрический состав твердой составляющей является одним из важнейших показателей селевых потоков, в значительной степени он определяет характер их движения и разрушительную силу. Обычно по гранулометрическому составу различают селевые потоки: грязевые, грязекаменные, каменно-грязевые, водокаменные, водопесчаные, водопылеватые.

Вода в селевом потоке может находиться в связном глинистыми частицами и свободном состоянии. Количество связанной воды в селевом потоке зависит от количества глинистых частиц, минерального состава и состава обменных катионов. Как установлено экспериментальными исследованиями, максимальное количество связной воды в состоянии покоя равно максимальной влажности набухания глинистого порошка. По состоянию воды различают несвязные и связные селевые потоки. Несвязные селевые потоки характеризуются турбулентным режимом движения, связные селевые потоки могут иметь ламинарный или турбулентный режим.

С точки зрения системного подхода, селевой процесс представляет собой многокомпонентную открытую эквиконечную систему, в которой проявление селевого потока следует рассматривать как результат действия всей системы. Эта система включает большое число факторов (компонентов).

Так, геологическое строение предопределяет потенциальную интенсивность проявления селей в данном водотоке, генетические особенности очагов их зарождения, гранулометрический и петрографический состав твердой составляющей.

Горные породы с жесткими связями характеризуются высокими показателями прочностных свойств и большой сопротивляемостью к размыву и непосредственного участия в формировании селевых потоков, когда они находятся в коренном залегании, не принимают. Горные породы без жестких связей в определенных условиях могут быть непосредственно вовлечены в селевой поток.

Влияние рельефа на характер и интенсивность селевого процесса может быть прямым и косвенным. Прямое влияние на формирование селей оказывают уклоны русел рек, крутизна склонов, морфология долин. Косвенное воздействие рельефа проявляется в качестве одного из компонентов географической среды, в значительной мере определяющего характер и пространственное распределение поверхностных и подземных вод, растительного и животного мира.

В системе селевого процесса климатические условия определяют в первую очередь особенности формирования жидкой составляющей селя.

Следует отметить, что большое значение в селевом процессе имеет состояние почвенно-растительного покрова. Наличие леса на горных склонах резко снижает селеопасность территории. Кустарниковый и травяной покров также хорошо защищают горные склоны от эрозии.

Из механизмов зарождения селей выделяют два основных типа: эрозионный и оползневой.

При эрозионном характере зарождения селей высвобождение частицы (нарушение связей с другими частицами), сдвижение с места и перенос ее осуществляется водой или суспензией. При этом твердая фаза движется как во взвешенном, так и во влекомом состоянии. Скорость и характер движения твердой фазы зависят от размера и формы частиц. Мелкие частицы переносятся быстрее, чем крупные, а влекомые обломки перекатываются и скользят по дну.

При оползневом характере зарождения селей первоначальное сдвижение твердой фазы (рыхлообломочного материала) происходит по одной поверхности в виде сплыва или оползня-потока без нарушения или со слабым нарушением структуры. По мере дальнейшего движения смещенного массива и поступления воды происходит нарушение структуры, и оплывина или оползень-поток переходит в состояние селевого потока, приобретая все характерные его черты.

Опасность селей - это угроза подверженности территории воздействию селевых потоков. При характеристике селевой опасности территории России приняты следующие основные показатели (критерии): пораженность территории селями, характеризуемая коэффициентом пораженности, представляющая собой отношение площади селевых бассейнов к общей площади территории в процентах; средний максимальный объем единовременных выносов селей; скорость движения селевых потоков; повторяемость селей (число случаев за 100 лет); разрушения, произведенные селевыми потоками. По первым двум показателям оценка селевой опасности территорий производится в баллах (табл. 5.11).

Таблица 5.11

Селевая опасность территории, балл

Пораженность территории, % (баллы)	Максимальный объем, тыс. м3 (балл)
	более 500(3)	от 50 до 500(2)	менее 50(1)
Более 25(3)	6	5	4
5-25(2)	5	4	3
Менее 5(1)	4	3	2

Максимальное количество баллов (5-6) характеризует чрезвычайно опасные территории; среднее - 4 балла - опасные и умеренно опасные; минимальное - 2-3 балла - малой незначительно опасные.

Наиболее часто образуются сели дождевого питания, основным условием формирования которых является количество осадков, способных вызвать смыв продуктов разрушения горных пород и вовлечь их в движение (табл. 5.12).

Таблица 5.12

Условия формирования дождевых селей

Районы России	Суточные максимумы ливневых осадков, мм, при 20% обеспеченности	Минимальные суммы селеформирующих осадков, мм/суг
Северный Кавказ	50-70	20
Центральный Кавказ	50-70	20
Урал	30-40	20
Тянь-Шань	30-60	30-40
Памир - Алтай	30-60	13
Алтай и Саяны	30-50	20
Предбайкалье и Забайкалье	40-70	40
Горы северо-востока	30-60	-
Приморье	74-130	-
Приамурье	60-80	30
Камчатка	40-90	-
Сахалин	40-100	60

Основные параметры селевых потоков приведены в таблице 5.13

Таблица 5.13

Основные параметры селевых потоков

Параметр	Значение
Плотность, кг/м3	(1,2-1,9) · 103
Вязкость, пуаз	4-20
Скорость движения в транзитных условиях, м/с:
для уклонов 10...27°	2,5-7,5
максимально возможная	14-16
Предельная крутизна прекращения движения, град	2-5
Высота селевого потока, м:
катастрофического	До 10
мощного	3-5
среднего	2,5
маломощного	1,5
Продолжительность, ч	0,5-70
Ширина потока на транзитных участках, м	5-70
Расход, м3/с	30-800
Повторяемость, лет	15-20
Размер крупных включений, м	3-4
Масса включений, т	200-300

Последствия воздействия селевого потока на различные объекты зависят от его основных параметров, к которым относятся: расход Q_с, м³/с; объем W_c, м³; скорость селевого потока V_с, м/с; дальность продвижения L_c, м, и размер включений, которые определяют величину гидравлического давления селевого потока на преграду (ΔР, Па):

(5.28)

Здесь ΔР_ст, Па, - среднее гидростатическое давление селевого потока на преграду, определяемое по формуле:

(5.29)

где р_с - средняя плотность селевого потока, кг/м³; h_с - глубина селевого потока, м.

Гидродинамическое давление селевого потока на здания и сооружения (ΔP_дин, Па) равно

(5.30)

где С - коэффициент взаимодействия селевого потока с преградой (в зависимости от угла встречи потока с преградой β можно принять С = sin²p); V_c - скорость движения селевого потока, определяемая по эмпирической формуле:

(5.31)

где v₀ - относительная гидравлическая крупность вовлекаемых в поток материалов (0,7 < v₀ < 1,0); а - средний угол наклона селевого русла, град; h_с - средняя глубина потока, м.

Для ориентировочной оценки величины h_с можно принять h_c = (1... 1,5) м для маломощного потока, h_c = (2...3) м - для среднемощного и h_c = (3...5) м - для мощного селевого потока.

Степень повреждения объектов при воздействии селевых потоков представлена в табл. 5.14.

Таблица 5.14

Суммарное давление селевого потока (ΔР o10^-5, Па), вызывающего разрушение объектов определенной степени

Объекты	Полное разрушение	Сильное разрушение	Среднее разрушение	Слабое разрушение
Здания со стальными и железобетонными каркасами	0,90-1,50	0,75-0,90	0,65-0,75	0,45-0,65
Здания с легким металлическим каркасом или бескаркасной конструкции	0,75-1,05	0,45-0,75	0,30-0,45	0,15-0,30
Здания из сборного железобетона	0,60-1,90	0,45-0,60	0,30-0,45	0,15-0,30
Кирпичные здания, бескаркасные, с покрытием из железобетонных элементов, малоэтажные	0,68-0,98	0,53-0,68	0,30-0,53	0,20-0,30
То же многоэтажные (три этажа и более)	0,53-0,68	0,38-0,53	0,23-0,38	0,15-0,23
Склады-навесы из железобетонных элементов	1,50-1,60	1,20-1,50	0,53-1,20	0,30-0,53
Административные многоэтажные здания с металлическим и железобетонным каркасом	0,75-0,90	0,60-0,75	0,45-0,60	0,30-0,45
Деревянные здания	0,30-0,45	0,18-0,30	0,12-0,18	0,09-0,12
Здания фидерной и трансформаторной подстанции из кирпича и блоков	0,90-1,20	0,60-0,90	0,30-0,60	0,15-0,30
Здания ГЭС (монолитный железобетон)	4,50-5,00	3,00-4,50	1,50-3,00	0,75-1,50
Наземные стальные газгольдеры, резервуары для хранения нефте- и химпродуктов	0,60-0,68	0,45-0,60	0,30-0,45	0,23-0,30
Стальные и железобетонные подземные резервуары для нефте- и химпродуктов	3,00-3,20	1,50-3,00	1,05-1,50	0,60-1,05
Водонапорные башни	0,90-0,98	0,60-0,90	0,30-0,60	0,15-0,3
Воздушные линии низкого напряжения	2,50-2,60	1,50-2,50	0,90-1,50	0,60-0,90
То же высокого напряжения	1,05-1,13	0,75-1,05	0,45-0,75	0,38-0,45
Подземные стальные трубопроводы диаметром до 35 мм	30,0-34,0	23,0-30,0	15,0-23,0	9,0-15,0
То же, свыше 35 мм	15,0-18,0	9,0-15,0	5,50-9,00	3,00-5,50
Подземные чугунные и керамические трубопроводы	33,0-33,0	15,0-30,0	9,00-15,00	3,00-9,00
Трубопроводы на металлических и железобетонных эстакадах	0,75-0,90	0,60-0,75	0,50-0,60	0,30-0,50
Заглубленные сети коммунального хозяйства (водопровод, газопровод, канализация)	23,0-25,0	15,0-23,0	6,00-15,00	2,50-6,00
Радиорелейные линии телефонно-телеграфной связи	1,80-1,90	1,05-1,80	0,75-1,05	0,45-0,75
Воздушные линии телефонно-телеграфной связи	1,50-1,70	0,90-1,50	0,60-0,90	0,30-0,60
Кабельные подземные линии связи	1,60-1,80	1,00-1,60	0,65-1,00	0,40-0,65
Мосты из металла и железобетона пролетом до 50 м	3,80-4,50	3,00-3,80	2,30-3,00	1,50-2,30
Деревянные мосты	2,50-3,00	1,60-2,50	0,90-1,60	0,60-0,90
Земляные плотины	15,0-20,0	12,0-15,0	10,0-12,0	3,0-10,0
Бетонные плотины	150	75,0-140,0	30,0-75,0	5,0-30,0

Расстояние продвижения селевого потока определяют в два этапа. Сначала рассчитывают дальность продвижения селя в долине реки L₁ (м)

(5.32)

где W_c - объем селя, м³; i - средний уклон долины; d - средний диаметр анкирующих обломков, принимаемый равным 0,5...0,8 - для селевых врезов, 0,3...0,4 - для рытвин и 0, ...0,2 - для очагов рассредоточенного селеобразования; В - среднее расстояние между селевыми береговыми валами, м.

На втором этапе рассчитывают дальность продвижения селевого потока на конусе выноса L₂ (м) при условии, что L₁ > L_D.

(5.33)

где i_k - средний уклон конуса выноса; L_D - расстояние от конца селевого потока до вершины конуса выноса, м.

Суммарная дальность продвижения селевого потока L_c, м, принимается равной

(5.34)

Объем селевого потока W_c, м³, определяют по формуле

(5.35)

где l - длина селевого очага, м; а - уклон селевого очага, град; W - объем водного паводка, определяемый по следующим формулам:

для озера, подпруженного ледником:

(5.36)

где S - площадь водной поверхности озера на уровне 80% высоты плотины, м²; H_пл - высота плотины (ледника), м; для дождевого паводка

(5.37)

где H₁ - максимальный суточный слой осадков 1%-й обеспеченности, мм/сутки, определяемый по данным ближайшей метеостанции; F - площадь водосбора, км²; λ - коэффициент перехода от слоев дождевого стока 1%-й обеспеченности к слоям стока другой вероятности (табл. 5.15).

Таблица 5.15

Значения коэффициента λ для разных районов

Район	Обеспеченность, %
	0,1	1,0	5,0	10
Северный Кавказ	1,4	1,0	0,75	0,6
Восточная Сибирь	1,5	1,0	0,7	0,56

Пример 5. Оценить последствия схода селевого потока для расположенного в предгорьях Северного Кавказа населенного пункта, состоящего из малоэтажных кирпичных домов, административного многоэтажного здания с железобетонным каркасом и имеющего железобетонный мост через реку с пролетом 40 м.

Сель возник в результате дождевых осадков, причем максимальный суточный слой осадков 1%-й обеспеченности, по данным метеостанции, равен Н₁ = 25 мм/сутки на площади F = 20 км². Ширина реки В = 80 м, длина селевого очага l = 500 м, средний уклон α = 10° (i = i_k = 0,176), расстояние от конца селевого потока до вершины конуса выноса L_D = 1000 м.

Решение.

1. Определим объем водного потока W по формуле (5.37)

2. Объем селевого потока W_c найдем по формуле (5.35)

3. По формулам (5.32) и (5.33) определим дальность продвижения селевого потока при d = 0,6

Так как L₁ явно больше L_D, то по условию (5.34) принимаем, что дальность продвижения селевого потока будет равна L_c = L₁ = 59 км.

4. Принимая высоту селевого потока равной h_с = 3 м, по формуле (5.31) найдем скорость селевого потока У_с при v₀ = 0,8:

5. Гидродинамическое давление селевого потока на здания и сооружения ΔР_дин определяем по формуле (5.30)

Здесь значение плотности селевого потока р_с = 1,5 - 10³ кг/м³ заимствовано из табл. 5.13, а угол встречи селя с преградой принят равным β = 90°(sin²p= 1).

6. Гидростатическое давление селевого потока на здания и сооружения ΔР_ст находим по формуле (5.29)

7. Суммарное гидравлическое давление селевого потока на здания и сооружения АР по формуле (5.28) равно

8. По табл. 5.14 находим, что при значении ΔР o 10^-5 = 1 сильные разрушения получит административное многоэтажное здание с железобетонным каркасом, будут полностью разрушены кирпичные жилые дома. Железобетонный мост через реку не пострадает.