Введение ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы. Селевые потоки - природное явление стихийно-разрушительного

Введение
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Селевые потоки - природное явление стихийно-разрушительного
характера широко распространенное в горах. Сели угрожают жизни людей и
материальным ценностям приблизительно на 16 % площади суши Земного шара.
Ежегодно наносимый ими ущерб прочно утвердил селевые потоки в первом десятке
перечня наиболее катастрофических природных явлений.
Актуальность изучения природы селевых явлений, методов их прогнозирования и защиты
не вызывает сомнения. Огромные территории в различных горных регионах мира
являются слабо изученными как с точки зрения распространенности, так и с точки зрения
характеристик селевой деятельности. Последнее время общественность всего мира
серьезно волнуют проблемы, связанные с последствиями изменения климата, в частности,
вопрос о том, как изменение климата отразится на характере стихийно-разрушительных
явлений, в том числе селей. Оценка, как современного режима селевых явлений, так и его
возможных изменений в будущем тесно связана с проблемой зависимости режима селей
от климата. К сожалению, в настоящий момент эта проблема в современном селеведении
является недостаточно изученной, так как сели являются очень сложным многофакторным
явлением природы.
Из всех параметров селевой деятельности, основными из которых являются показатели
объемов выноса, относительной густоты селевых русел, повторяемости и внутригодового
распределения селей, именно зависимость последнего от климата представляется
наиболее очевидной. Отметим, что повторяемость селей и внутригодовое распределение
селей условно могут быть объединены в понятие режим селей. В данной работе для
простоты изложения при употреблении термина "режим" имеется ввиду только
внутригодовое распределение селей. Вопросы, связанные с режимом селей являются
малоизученными для огромных территорий мира.
Хотелось бы отметить, что нахождение зависимостей таких характеристик селевой
деятельности как повторяемость селей, объемы выносов, относительная густота селевых
русел от климата представляет собой очень важную и интересную научную задачу и
также выходит за рамки данного исследования.
Цели и задачи работы. Цель работы - разработать модель, позволяющую рассчитывать
характеристики внутригодового распределения дождевых селей по заданным
климатическим параметрам, с помощью этой модели получить целостную
пространственную картину характеристик внутригодового распределения дождевых селей
для всего Земного Шара и провести районирование селеопасных территорий мира по
типам внутригодового распределения селей.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: (\) сбор и обработка
данных о датах схода селей в селеопасных регионах мира; (2) проведено уточнение
известных и выявлены дополнительные зависимости характеристик внутригодового
распределения селей от климатических параметров и (3) создана типология районов с
однородными условиями формирования режима селей, лежащая в основе модели оценки
внутригодового распределения селей по климатическим параметрам.
Объект исследования. Объектом исследования данной работы являются селевые явления
дождевого генезиса в соответствии с генетической классификацией селей, предложенной
Перовым В.Ф. (Флейшман, Перов 1986). Именно сели дождевого генезиса являются
наиболее массовыми на Земле. И хотя, например, сели гляциалыюго генезиса являются
чрезвычайно мощными, из-за их невысокой повторяемости в районах распространения
обоих генетических типов, на внутригодовое распределение этого явления решающее
влияние оказывают дождевые сели.
Методическая основа. Базой для решения поставленных задач послужили:
• Систематизированные и обобщенные данные по селям для территории СССР (Перов
1989, Селеопасные районы 1976) и карта селевых явлений для территории СССР (1975).
• Кадастры селеопасных рек.
• Карта селевых явлений мира (Perov V. and oth. 1997)
• Разработки Сидоровой Т.Л., посвященные оценке селевой деятельности по
климатическим параметрам (Сидорова, 1997).
В основе создания модели, позволяющей рассчитать характеристики внутригодового
распределения селей, лежат следующие представления. Основными естественными
группами факторов селеформирования являются климато-ландшафтные (климат,
современное оледенение, многолетняя мерзлота, почвенно-растительный покров),
тектоно-геоморфологические (рельеф, неотектоника, сейсмичность, вулканизм),
литологический, антропогенный, фактор времени (Перов, 1991). Из всех перечисленных
групп факторов выраженный сезонный ход имеют характеристики климато-ландшафтной
группы факторов. Учитывая тот факт, что все факторы из этой группы являются
производными от климата, именно климат в наибольшей степени определяет
внутригодовое распределение селей.
В результате, имея климатическую информацию, и зная зависимости внутригодового
распределения селей от климата с учетом региональных особенностей, предоставляется
возможность оценить характеристики внутригодового распределения селей для тех
районов, где недостаточно фактических данных о режиме селей, а также для различных
сценариев изменения климата.
Сели, как явление природы, наблюдаются в горах, которые большей частью незаселенны.
В пределах одного селевого бассейна сход селей наблюдается, как правило, неежегодно.
Длинных рядов наблюдений за селями, а подчас и коротких, существует очень мало, за
исключением может быть единичных селевых бассейнов мира. Поэтому принципиально
невозможно оценить режим селей и создать карты характеристик селевого
режима по фактическим данным для подавляющего большинства селевых районов мира.
В этой связи единственным способом дать пространственно-временную оценку режима
селевых явлений является использование косвенных методов.
Наиболее удобным способом решения этой задачи является создание модели, в которой в
качестве входящих данных используется климатическая информация, а на выходе модель
дает характеристики внутри годового распределения селей. Такая модель позволила бы
также дать оценки режима селей для сценариев изменения климатов.
В работе использовались следующие характеристики внутригодового распределения
селей (Перов, 1991; 1996):
• Селеопасный период - часть календарного года (в месяцах), в течение которого
наблюдается (возможен) сход селей. Селеопасный период может оцениваться в
отношении отдельных селевых бассейнов, какой-либо территории или отдельных
генетических типов селей.
• Основной селеопасный период — интервал времени, являющийся частью селеопасного
периода, в пределах которого сходит 90% и более селей.
• Период наибольшей селевой опасности - интервал времени, являющийся частью
основного селеопасного периода, в пределах которого сходит 50% и более селей.
Таким образом, на выходе модели ожидается получение границ селеопасных периодов, и
описанную ниже модель можно назвать моделью оценки внутригодового распределения
селей по климатическим параметрам.
В работе используются расчетно-аиалитический, пространственно-аналитический и
картографический методы исследования.
Научная новизна. Была разработана модель оценки внутригодового распределения
дождевых селей по климатическим параметрам, в совокупности с типологией районов с
однородными условиями формирования режима селей, позволившая впервые провести
оценку внутригодового распределения селей для горных регионов мира. Была составлена
8
серия карт для следующих характеристик: начала и конца (1) селеопасного периода
(СОП), (2) основного селеопасного периода (ОСП), (3) периода наибольшей селевой
опасности (ПНСО); продолжительности СОП. Впервые было выполнено районирование
селеопасных территорий мира по типам внутригодового распределения дождевых селей.
Практическая ценность результатов работы. Практическая ценность данной работы имеет
три основных аспекта.
1. Карты первого и последнего месяцев селеопасного периода, основного селеопасного
периода и периода наибольшей селевой опасности представляют практический интерес
для местных и региональных властей, служб по чрезвычайным ситуациям. Они дают
представление о календарных сроках селеопасных периодов различной вероятности в
пределах выделенных контуров.
2. Разработанная модель оценки внутригодового распределения селей по климатическим
параметрам позволяет дать оценки изменений селевого режима по. различным сценариям
изменения климата. Такого рода оценки представляют практический интерес для целей
долгосрочного планирования развития регионов, а также могут быть приняты во
внимание при проектировании селезащитных сооружений.
3. Оценка внутригодового распределения селей для горных регионов мира была
произведена впервые. Она внесла существенный вклад в изучение географии селевых
явлений мира.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на международных конференциях:
The second international Confererence on Debris-Flow Hazards Mitigation: Mechanics,
Prediction and Assessment in Taipei, Taiwan, 16-18 aug.2000; The third international
Confererence on Debris-Flow Hazards Mitigation: Mechanics, Prediction and Assessment in
Davos, Switzerland, sep. 10-12, 2003; Гляциологический симпозиум 'Будущее гляцтосферы
в условиях метяющегося мира' в Пущино в 2002 г.; II Междун. конф. «Лавины и смежные
вопр.» Кировск, сент.2001;. Международная конференция "Мониторинг криосферы"
Пущино, 20-23 апреля 1999 г. Было сделано 2 доклада на НТС НИЛ снежных лавин и
селей
Географического факультета МГУ им. Ломоносова.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей в международных и
российских журналах, 2 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Первая глава посвящена разработке модели
внутригодового распределения дождевых селей по климатическим параметрам. В ней
рассматриваются существующие подходы и изученность проблемы, описание самой
модели, а также оценка временных границ селеопасного периода.
Вторая глава посвящена типологии районов с однородными условиями формирования
режима селей. В ней рассматриваются критерии выделения типов районов с однородными
условиями формирования режима селей и климатические факторы формирования режима
селей, сама типология районов. Проводится совместный анализ фактических данных по
датам схода селей и климатических параметров по группам селевых бассейнов, и
формулируются закономерности определения границ селеопасных периодов для
различных типов районов с однородными условиями формирования режима селей, дается
характеристика выделенных типов районов.
В третьей главе рассматриваются результаты моделирования. Дается оценка
внутригодового распределения дождевых селей в горных регионах мира с использованием
геоинформационного картографирования. Рассматриваются разработанная типология
селевых режимов, и на ее основе, районирование селеопасных территорий мира по типам
внутригодового распределения селей.
В работе приводится список литературы и три приложения. Список использованной
литературы включает 98 названий. В Приложении 1 представлены обработанные автором
данные о датах схода селей на территории бывшего СССР. В Приложении 2 представлены
карты характеристик режима селей для частей света. В Приложении 3 представленны
данные о датах схода селей для зарубежных стран.
10
Благодарности. Автор выражает большую признательность своему научному
руководителю Перову Вениамину Федоровичу за оказанную помощь в проведении
исследований и подготовке рукописи; Будариной Ольге Игоревне и Сидоровой Татьяне
Львовне за консультации и советы; а также отдельная благодарность рецензентам работы
Глазовской Татьяне Григорьевне и Шныпаркову Александру Львовичу за ценные
замечания и предложения по структуре работы и тексту рукописи.
11
ГЛАВА 1. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАНИЦ СЕЛЕОПАСНЫХ ПЕРИОДОВ
1.1 Изученность проблемы и существующие подходы.
Всеми специалистами, изучающими селевые явления, признается чрезвычайно важная
роль климатических факторов в процессе селеформирования, наряду с геологогеоморфологическими и почвенно-растительными. Во всех работах, посвященных селевой
проблематике, авторы, так или иначе, затрагивают вопросы погоды и климата как
механизма реализации селевого процесса. Большое количество работ посвящено поискам
связей селепроявлений с определенными климатическими и метеорологическими
параметрами. Как правило, подобные разработки проводились с целью краткосрочного
прогнозирования селевой опасности на локальном уровне, реже для целей фонового
краткосрочного и долгосрочного прогнозов. Установлены зависимости активизации
селепроявлений от сочетаний различных климатических параметров для разных регионов
и более мелких территориальных делений. В частности отмечены связи: активности
гляциальных селей Средней Азии с температурными параметрами (Виноградов, 1976;
1980); образованием селей и аэросиноптическими условиями в Узбекистане (Козик, 1957),
селей низкой плотности в аридных низкогорьях Средней Азии (бассейн р. Сурхандарьи) с
ливневой деятельностью (Салихова, 1975); дождевых селей в Армении с интенсивностью
и продолжительностью ливней и предшествующим увлажнением территории (Зак, 1974);
массового схода "гляциоливневых" селей на Центральном Кавказе с суммой температур
воздуха, осадков теплого периода и повторяемостью ливней более 20 мм/сут (Сейнова,
1977); дождевых селей Черноморского побережья Кавказа с общей увлажненностью и
характером ливневой деятельности территории (Шеко, 1980), гляциальных селей с
динамикой оледенения (Виноградов, 1977); дождевых селей в районе трассы БАМ с
повторяемостью суточных сумм осадков определенной интенсивности (Керемкулов,
Киренская, 1984); летних
12
селепроявлений на о. Сахалин с прохождением осадков разной интенсивности (Сидорова,
1985).
Большое внимание вопросам внутригодового распределения селей уделено в книге О.В.
Тукеева "Селевые явления Памира. Катастрофы, закономерности, прогноз" (Тукеев, 2002).
На основе собранного автором фактического материала по датам схода селей в
Таджикистане, было рассмотрено процентное распределение селей по месяцам года для
селевых явлений различного генезиса, посчитанное для речных бассейнов. Автор
разработал графо-аналический метод дифференциации речных бассейнов с целью увязать
временные границы селеопасного периода с высотой селевого бассейна. Показано, что
временные границы и продолжительность селеопасного периода в пределах речного
бассейна зависят от высотной зоны.
В 1997 году в НИЛСЛиС была защищена диссертация (Сидорова, 1997), открывающая
принципиальную возможность давать оценку режима и генезиса селеформирования
расчетными методами на основе стандартной климатической информации. Сидоровой
Т.Л. была предпринята попытка установить связь времени начала, окончания (и вместе с
тем продолжительность) селеопасного периода и время наступления максимума
активности селей в различных регионах с климатическими параметрами (таблицы 1,2).
Т.Л. Сидоровой был проведен анализ данных о селеопасном периоде на территории
бывшего СССР. Анализ проводился по селевым областям, выделенным в районировании
селеопасных территорий СССР (Перов, 1989). Для каждой области было проведено
сопоставление фактических данных о селеопасном периоде с присущими данной области
климатическими параметрами (таблица 1). В основу легли данные из монографии (Перов,
1989), которые были несколько уточнены и дополнены с использованием других
источников (Шеко, 1980), а так же данные из Климатического Атласа СССР,
климатических справочников и Агроклиматического Атласа Мира.
13
Таблица 1. Связь продолжительности селеопасного периода с климатическими
параметрами. (Сидорова, 1997)
Климатические параметры Продолжительность селеопасного периода (мес.)
Температура самого холодного месяца (°С) Сумма ВАТ (°С) Интенсивные зимние осадки
Максимальная декадная высота снежного покрова (см)
>0 Круглый год
0 - -6 + Круглый год
0--6 - Период с температурой >0°С
<-6 > 1000 >50 Период с температурой >0°С минус 1 месяц (осенью)
<-6 < 1000 >50 Период с температурой >0°С минус 1 месяц осенью и плюс 1 месяц весной
<-6 > 1000 <50 Период с температурой > 0°С минус 2 месяца (весной и осенью)
Таблица 2. Связь периода наибольшей селевой опасности с климатическими параметрами.
(Сидорова. 1997)
Генетические типы селей и дополнительные климатические параметры Период
наибольшей селевой опасности
Гляциальный Период с максимальными температурами воздуха
Снеговой Первые 2 месяца теплого периода
Снеговой и дождевой с преобладанием дождевого Первые 2 месяца теплого периода
Дождевой и снеговой с преобладанием дождевого Месяцы макс, осадков за селеопасный
сезон и первые 2 месяца теплого периода
Дождевой Месяцы максимальных осадков за селеопасный период
При макс. Высоте снега > 70 см и локальном весеннем максимуме осадков
Дополнительный весенний пик
Таким образом, согласно Т.Л.Сидоровой, для того, чтобы полностью охарактеризовать
селеопасный период, необходимо прежде всего установить генетические типы селей,
14
встречающиеся в регионе, далее выделить области распространения многолетней
мерзлоты и оледенения. После этого достаточно проанализировать внутригодовое
распределение температур воздуха, осадков и снежность.
Описанная выше методика имеет ряд ограничений, перечисленных ниже:
1. Точность этой методики ограничена пределами селеопасных областей. Это обусловлено
тем, что при разработке методики использовались обобщенные данные по селеопасным
областям. Поэтому выводы, полученные на основе анализа селеопасных областей не
могут быть использованы в более крупном масштабе. Кроме того, не оговаривается, с
какими конкретно метеорологическими данными следует работать: метеостанциями,
климатическими картами. Если с метеостанциями, то, не уточняется как быть с теми
территориями, где редкая метеосеть.
2. В соответствии с методикой (Сидорова, 1997) в районах с температурой самого
холодного месяца ниже -6°С, последний месяц теплого периода не является селеопасным.
Факты о сходах дождевых селей в Европе противоречат этому утверждению. В частности,
если в точности следовать рассматриваемой методике, на Шпицбергене, где температура
самого холодного месяца ниже -6°С и всего два теплых месяца, сели дождевого генезиса
вообще не должны сходить, что противоречит действительности. Данный вывод больше
применим к районам с континентальным климатом.
3. Не уточняется месяц начала схода селей дождевого генезиса в районах распространения
селей снегового генезиса.
4. В методике не рассматривается основной селеопасный период, который играет важную
роль для характеристики внутригодового распределения селей особешю в районах с
круглогодичным теплым периодом.
5. В качестве ПНСО рассматриваются 2-3 месяца с максимальными осадками в районах
вне зоны распространения вечной мерзлоты. Ограничение ПНСО 2-3 месяцами с
15
наибольшими осадками является некорректным для тех районов, где наблюдаются ярко
выраженные сезоны дождей с большей продолжительностью. Кроме того, часто месяцы с
максимальными осадками приходятся на переходные сезоны, которые формально
относятся к СОП, но в силу низких температур реально большинство селей сходит в более
теплые месяцы (осенние месяцы для Северного Кавказа). Возможно также такое годовое
распределение осадков, при котором формально второй или третий по сумме осадков
месяц существенно меньше по абсолютной величине первого, и поэтому не может быть
отнесен к ПНСО. Таким образом, формулировка определения ПНСО требует некоторой
детализации, хотя для большинства районов бывшего СССР она справедлива.
По уточненной методике Сидоровой Т.Л с участием автора была в частности проведена
оценка режима селевых явлений в Европе (Белая, Бударина, Перов, Сидорова 1999),
селевой деятельности для Южной Америки (Бударина О. И., Перов В. Ф., Сидорова Т. Л.,
Белая 2000), распространения и режима селей в Азии (Belaia, Perov, Sidorova 2000), дана
оценка возможных изменений селевой деятельности в Западном полушарии в случае
глобального потепления (Сидорова, Белая 2000), возможные изменения в режиме
водоснежных потоков в Европе (Sidorova, Perov, Belaya 2001). Необходимость
усовершенствования данной методики послужила толчком к созданию описанной ниже
модели распределения селеопасных периодов. В работе Белой Н.Л (Белая Н.Л. 2003)
рассматривается режим селевых явлений Земного Шара как объект моделирования на базе
климатической информации. Создание такой модели позволяет решить три главные
задачи по усовершенствованию методики Сидоровой Т.Л.:
1. Дать оценку режима дождевых селей в более крупном масштабе.
2. Рассчитывать границы не двух, а трех селеопасных периодов: основного селеопасного
периода в дополнении к селеопасному периоду и периоду наибольшей селевой опасности.
16
3. Дать обоснованную оценку режима дождевых селей для всех селеопасных регионов
мира.
Ограничением предлагаемой методики оценки внутригодового распределения селей по
климатическим параметрам по сравнению с методикой Сидоровой Т.Л. является
рассмотрение селей только дождевого генезиса. Сели снегового и гляциалыюго генезиса в
модели не рассматриваются.
1.2 Модель оценки внутригодового распределения селей по климатическим параметрам
Основные идеи, лежащие в основе построения модели оценки внутригодового
распределения селей по климатическим параметрам.
В последние годы в связи с широкомасштабными исследованиями проблем, связанных с
изменением климата появились цифровые массивы данных современного климата,
которые предоставляют среднемесячные значения климатических характеристик в узлах
сетки точек с шагом 0,5 градусов по широте и долготе. А в 2003 году появился массив
данных с шагом 10 минут. В этой связи предоставляется возможность автоматизировать
процесс расчета и построения карт характеристик тех природных явлений, которые имеют
зависимость от климата.
Как было сказано выше, целый ряд селеформирующих факторов в определенной степени
влияют на внутригодовое распределение селей. Рассмотрим подробнее влияние
различных факторов.
Ярким примером влияния на режим селей фактора, относящегося к климато-ландшафтной
группе, является вечная мерзлота. Зачастую два района, один из которых расположен в
зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород (ММП), а другой нет, могут
иметь сходные климатические условия, но отличаться по режиму селей. Районы
17
сплошного распространения вечной мерзлоты имеют более короткий селеопасный период,
и период наибольшей селевой опасности дождевых селей, смещенный на вторую
половину лета. Поэтому фактор вечной мерзлоты необходимо учитывать при определении
характеристик режима селей.
Растительный покров также влияет на внутригодовое распределение селей, особенно на
границы селеопасного периода. При одних и тех же климатических условиях в залесенных
районах селевая активность в принципе существенно ниже, чем в незалесенных. В
залесенных районах Западного Кавказа селевые потоки довольно редки и в летние
месяцы, и никогда не наблюдаются в зимние, хотя глубокие оттепели в зимние месяцы
создают благоприятные условия для схода селей. Это лишь один пример влияния
растительности на внутригодовое распределение селей. В связи с тем, что распределение
растительных зон хорошо коррелирует с гидротермическими условиями территории
(Чирков, 1986), фактор растительности можно учесть через климатические
характеристики.
Влиянием на внутригодовое распределение селей тектоно-геоморфологических (рельеф,
неотектоника, сейсмичность, вулканизм) факторов, литологического, антропогенного и
фактора времени для целей моделирования можно принебречь.
Таким образом, учитывая границы сплошного распространения ММП, и имея доступную
климатическую информацию, представляется возможным создание модели, которая в
качестве входящей информации использовала бы климатические данные, а в качестве
исходящей - временные границы селеопасных периодов, характеризующие различные
интервалы вероятности схода селей: СОП, ОСП и ПНСО.
Для создания такой модели необходимо было сформулировать и затем формализовать
зависимости характеристик режима селей от климатических параметров. Это в свою
очередь невозможно сделать без статистической обработки дат схода селей, и совместного
их анализа с климатическими данными, что будет подробно рассмотрено в главе 2.
Список литературы