Паводковые наводнения

    Наводнение - это интенсивное затопление большой территории водой выше ежегодных уровней, одно из стихийных бедствий. Отмечается при половодьях, паводках, прорывах дамб и плотин. 

    Возникновению весенних наводнений содействуют многоснежные зимы без оттепелей, позднее в  дружное таяние снега одновременно со значительным выпадением осадков.

    Ущерб, причиняемый наводнением, связан с целым рядом поражающих факторов, важнейшими из которых являются:

    - быстрый подъем воды и резкое  увеличение скорости течения,  приводящие к затоплению территории, гибели людей и скота, уничтожению  имущества, сырья, продовольствия, посевов, огородов и т. п.;

    - низкая температура воды, пребывание  в которой людей может приводить  к заболеваниям и гибели;

    - снижение прочности и срока  службы жилых и производственных  зданий;

    - смыв плодородной почвы и заиливание  посевов.

    Половодье - это относительно продолжительное увеличение водности реки; которое ежегодно повторяется в один и тот же сезон и сопровождается высоким и длительным подъёмом воды, обычно выходом её из русла на пойму. Продолжительность (30 - 120 суток) зависит от запасов снега, глубины промерзания почвы, температуры воздуха, размеров реки, заболоченности, лесистости и озёрности водосбора и других факторов. На севере и северо-востоке максимальные уровни подъёма на средних реках 4 - 6,5 м, на малых 2,5 - 3,5 м, подъём длится 15 - 20, спад 36 - 40 суток, на западе соответственно 2 - 3 и 1,5-2 м, 8-12 и 25-30 суток. На юго-западе и юге половодье растянутое и сглаженное, длится 60 - 80 суток, превышение над минимальными летними уровнями 1,5 - 3 м. В поймах малых рек на юге в половодье вода стоит в среднем 25 - 30 суток, средних и больших - 45 - 60 суток, преобладающая ширина разлива 1,5 - 2 км, глубина на пойме обычно 0,3 - 0,8 м.

    В половодье повреждаются сооружения в поймах рек, размываются берега, иногда покрываются песком ценные сельскохозяйственные угодья. Наибольшие половодья приводят к наводнениям, считаются стихийными бедствиями. Чтобы избежать затопления, осуществляют обвалование рек, строительство польдеров, плотин и водохранилищ. Учёт весеннего подъёма уровней рек необходим при проектировании и эксплуатации мостов, плотин, дамб и других народно-хозяйственных объектов в долинах рек, при эксплуатации водохранилищ и водопользовании.

    Паводок - сравнительно кратковременное и непериодическое поднятие уровня воды в реке, возникающее в результате быстрого таяния снега при оттепели, ледников, обильных дождей, попусков воды из водохранилищ. В отличие от половодий паводки случаются в любое время года. Если паводок образуется вследствие быстрого увеличения расхода воды на отдельном участке реки, то он распространяется вниз по течению с большой скоростью, достигающей на равнинных реках скорости 5 км\час, на горных – 45 км\час. Высота такого паводка вниз по течению обычно убывает, но продолжительность увеличивается. Значительный паводок может вызвать наводнение. 

 1.2.Наводнения в период весеннего половодья на равнинных реках

    Для весенней поры, когда только начинается таяние снега, особенно характерна неустойчивость погодных условий. Оттепель неожиданно сменяется морозами и совсем зимними  вьюгами.

    При изучении половодий учёные выделяют перечень переменных по времени основных факторов, обуславливающих высоту весеннего  половодья:

• Запас воды в снежном покрове перед началом весеннего таяния;
• Атмосферные осадки в период снеготаяния и половодья;
• Осеннее - 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.

Последние два фактора почти не влияют на объём весеннего половодья и учитываются лишь при прогнозе максимума половодья.

Рассмотрим  далее каждый фактор, обуславливающий  объём весеннего половодья, в отдельности. Это важно для понимания того, при каких условиях бывают наводнения, как составляется прогноз высоты и объёма половодья и т.д.

1. Запасы воды в снежном покрове.

Первый  выпавший снег редко остаётся на зиму. Обычно в предзимье снег выпадает два-три раза и тут же тает. При  этом увлажняется верхний слой почвы, что во многом определяет потери стока  половодья.

Определение истинной величины снегозапасов в бассейне сопряжено с немалыми трудностями. Ведь снег залегает на местности крайне неравномерно. Причина не только в том, что в разных местах выпадает неодинаковое количество твёрдых осадков, сколько в том, что ветер переносит выпавший снег с места на место.  Перенос снега начинается уже при скорости ветра 5 - 7 м/ с. Снег с открытых поверхностей сносится в различного рода понижения – лощины, балки, овраги, русла рек и ручьёв. Снег отлагается и в зонах перехвата – на опушках леса, в лесозащитных полосах, в садах, у изгородей, около отдельных деревьев и кустов. Один буран в открытой степи может до неузнаваемости изменить рельеф снежного покрова. Некоторое влияние оказывают на него и зимние оттепели. При оттепелях снег тает преимущественно в поле и почти не тает в лесу. Соотношение между снегозапасами в поле, лесу, оврагах и прочих местах меняется от года к году.  Почти всегда на 10% площади снегозапасы в 2 - 4 раза больше средней величины и ещё на 10% площади – в 1,5 – 2,0 раза меньше.

Ввиду всех этих обстоятельств снегосъёмки  производятся один раз в пять дней вблизи метеорологических станций  на характерных для данной местности  маршрутах длиной 2 км в поле и 0,5км в лесу и оврагах. Измерения осуществляются каждые 10м, причём на 5 – 10 измерений высоты приходится одно измерение плотности. Если высоту снежного покрова h_сн выразить в см, а плотность γ в г/см³, то снегозапасы в мм составляют: S=10h_снγ. Заметим, что ландшафтно-маршрутные снегосъёмки выполняются с 1965 – 1966 года. Средние снегозапасы бассейна вычисляются как средние взвешенные с учётом доли площади, занятой полем, лесом и овражно – балочной сетью. В свою очередь,  средняя величина снегозапасов для поля, также как для леса и овражно-балочной сети, определяется как средняя арифметическая из данных измерений. Обычно данных о снегозапасах в лесу в 3-5 раз меньше, чем в поле, и это отрицательным образом влияет на точность прогноза.

Снегосъёмка – дело трудоёмкое. Подчас работы приходится выполнять в пургу, на морозе, вдали от жилья. Главное же, измерения на маршруте не вполне показательны для бассейна в целом. Скажем поблизости от населённого пункта может не быть леса и оврагов. Вследствие этого в последнее время стали применять метод самолётной гамма - съёмки. Суть его заключается в следующем.  Осенью перед выпадением снега производится съёмка радиоактивного фона земной поверхности по заранее выбранным маршрутам. Вторично съёмка производится в конце зимы. По степени ослабления радиоактивного излучения (гамма – поля) определяет величину снегозапасов. Погрешность таких измерений составляет 8-10%. Главная трудность при использовании этого метода связана с определением исходного фона. Кроме того, важно, чтобы влажность почвы с осени до весны не менялась.

2. Атмосферные осадки в период снеготаяния и половодья.

Весенние  осадки, являясь дополнительным источником питания рек, играют весьма важную роль в формировании максимума весеннего  половодья. Можно выделить осадки периода  снеготаяния и размерзания почвы(Х^/), а также осадки последующего весеннего периода до конца половодья(Х^//). Первые обращаются в сток с теми же потерями, что и снегозапасы, вторые – с несколько большими потерями. Если коэффициент  стока снегозапасов и осадков S_макс+Х^/ принять за 1,0, то для осадков Х^// он составит 0,8 на севере в зоне избыточного увлажнения и 0,5 на юге в зоне недостаточного увлажнения.

Момент  оттаивания почвы примерно совпадает  с окончанием снеготаяния в лесу, а в безлесных районах оттаивание почвы начинается спустя 5-8 дней после схода снега.

3. Осеннее - зимнее увлажнение почвы к началу весеннего снеготаяния

Влажность верхнего слоя почвы толщиной 0,5 – 1,0м  – самый важный фактор потерь талых  вод. Но именно влажность почвы и  есть самая изменчивая  во времени  и пространстве величина. В каждой низине влажность почвы больше, чем на возвышенных местах. Она существенно различается на песчаных и глинистых почвах, на распаханных целинных участках, при наличие травяной или древесной растительности и т.д. По этой причине, а также потому, что измерение влажности почвы – дело трудоёмкое и им начали заниматься сравнительно недавно( в лесу влажность почвы и сейчас не измеряется), при прогнозах широко используются  разного рода косвенные характеристики. Самая распространённая из них – это разность между суммарными осадками(Х) и суммарным испарением(Е) за 2,5 – 3,0 месяца до устойчивого перехода средней суточной температуры воздуха через 0°С. Величина разности Х – Е примерно равна запасу продуктивной влаги в слое 0–50 см. Другая распространённая характеристика – суммарный сток реки за период октябрь – январь.

Во время  зимних оттепелей влажность почвы  возрастает настолько, насколько убывают  снегозапасы, если, конечно, не возникает  зимних паводков. При этом в величину осенней влажности почвы (или  в её косвенную характеристику) вводится соответствующая поправка.

4. Глубина промерзания почвы к началу снеготаяния

Наблюдения  на полях показывают, что при глубоком (свыше 60 см) промерзании почвы зимой  её оттаивание весной происходит лишь после освобождения полей от снега. Хорошо увлажнённая и глубоко промёрзшая почва практически непроницаема для талой воды. Напротив, сухая, неглубоко промёрзшая почва  впитывает в себя много воды. Внешним признаком влажной промёрзшей почвы является то, что она с трудом рубится топором или раскалывается ломом. А сухая непромёрзшая почва сравнительно легко разрыхляется лопатой и режется ножом. Бывает, что в многоснежную слабоморозную зиму замёрзшая с осени почва оттаивает до того, как веской устанавливается положительная температура воздуха. Случается и нечто противоположенное.  Просочившаяся в почву талая вода замерзает из-за наличия большого запаса холода в почве. И тогда на короткое время образуется запирающий слой почвы.

Слабопромёрзшей обычно считают почву с глубиной промерзания до 15-20 см, а сильнопромёрзшей – свыше 60 – 80 см. Уже при средней глубине промерзания – 60 см – на ровных полях не остаётся участков со слабым промерзанием.

5. Ледяная корка на почве. Зимние оттепели.

Ледяная корка на почве образуется во время  коротких, но сильных оттепелей при условии, что почва водонепроницаема. Обычно корка бывает не сплошной, а занимает понижения рельефа. Чаще всего запас воды в ледяной корке составляет 5-10 мм (в пересчёте на весь бассейн), на бывает и 20-25 см. В зимы с массовым распространением ледяной корки коэффициент стока очень высокий (0,85-0,90), потери стока минимальные. Ведь талая вода скатывается по ледяной корке, как по асфальту.

6. Интенсивность снеготаяния.

Роль  интенсивности снеготаяния в  формировании весеннего половодья  существенно различна для крупных, средних и малых рек (чем меньше река, тем значительнее влияние интенсивности снеготаяния).

Как тает снег? Для выяснения этого, казалось бы, простого вопроса об учёных потребовалось  немало усилий. Очень уж разнообразны физические свойства самого снежного покрова, а главное, условия его таяния. Сначала начинает таять снег на склонах южной экспозиции, затем на ровной местности, далее на северных склонах, в балках, оврагах, наконец, в лесах. В лесах средней густоты снег исчезает позже, чем в полях: на 6-8 дней в южных районах и на 15-20 дней – в северных.

Процесс снеготаяния начинается задолго  до наступления положительной температуры  воздуха. Проникающая в толщу  снега солнечная радиация способствует оттаиванию частиц снега в поверхностном слое. Вследствие неоднократного замерзания ночью и таяния днём снег превращается в массу бесформенных ледяных зёрен, сначала мелких, а затем и более крупных. В дальнейшем кристаллы снега приобретают округлую форму.

На первых порах снег насыщается талой водой. Водоотдача из него начинается только после того, как растает 15-20% снегозапасов. В последующем, когда плотность снега достигнет 0,32-0,34 г/см³, разница между интенсивностью снеготаяния и водоотдачи становится небольшой.

Интенсивность снеготаяния и водоотдачи в отдельной точке можно рассчитать довольно точно методом теплового баланса. Совсем иное положение с речным бассейном в целом, где имеется бесчисленное количество склонов разной экспозиции, длины, угла наклона к горизонту, степени затенённости растениями и т.д. В таких случаях широко применяется расчёт интенсивности снеготаяния с использованием так называемого коэффициента стаивания – слоя талой воды в миллиметрах, приходящегося на один градус средней суточной температуры воздуха. Типичные значения коэффициента стаивания составляют  для поля 5,0 мм, для смешанного леса 2,5 мм, для густого хвойного леса 1,5  мм (указаны мм/сут на 1°С положительной средней суточной температуры воздуха).