Как прогнозировать наводнения и защититься от них?

В 2024 году многие регионы мира столкнулись с рекордными наводнениями. Эта беда не обошла стороной и Россию — наиболее тяжелые последствия принес паводок и прорывы защитных сооружений на реке Урал.

В первой части статьи мы рассмотрели типы и исторические примеры наводнений. Вторая часть посвящена проблеме прогнозирования этих природных катаклизмов и защиты от них.

Читайте также: Наводнения: типы, исторические примеры

Прогноз наводнений, по нашему мнению, является наиболее легкой задачей из прогнозов всех стихийных бедствий. Возьмем для примера проблему прогноза наводнения в городе Орске на реке Урал. Город недавно пережил небывалое наводнение в апреле нынешнего 2024 года. Отсутствует задача определения места бедствия, — оно ясно априори, это город Орск, который паводковые воды от весеннего таяния снега атакуют ежегодно.

Очевиден источник угрозы — река Урал. В сводках отмечены наиболее мощные паводки. Понятно также и время угрозы стихийного бедствия — весна, причина — таяние снега. Масштабы паводка зависят от величины снежного покрова и скорости его таяния. Если город построен на низком берегу реки, весенние паводки неизбежны в его жизни.

Из всех перечисленных параметров, определяющих степень угрозы паводка в Орске, в какой-то мере неопределенным является только скорость таяния снега.

Сравним с задачей прогноза землетрясений, о которых мы писали в феврале 2023 года. На современном этапе развития сейсмологии место эпицентра, время сейсмособытия, его энергию и интенсивность, а также характер разрушающих сейсмических волн определить невозможно. Многие сейсмологи считают, что этого сделать невозможно в принципе. Выход найден в районировании территории страны по потенциальной сейсмичности, основанной на параметрах зафиксированных ранее сейсмособытий. Прогнозная балльность становится основой требований к строительству зданий и сооружений и входит в СНИПы.

Развитие цивилизаций шло путем заселения и хозяйственного освоения речных долин, что вполне понятно, учитывая плодородие пойменных почв, а также роль рек как транспортных путей, источников питьевой и хозяйственной воды и объектов промысла. За все эти речные блага человеку пришлось платить угрозой наводнений, ведь большая их часть связана с разливами рек в результате дождей или весенних паводков при таянии снега в высоких широтах.

Защита от паводковых наводнений на реках

Для защиты от наводнений, где место события известно, применяются два основных способа — строительство плотин в верховьях рек, перехватывающих избыточную паводковую воду и сооружение защитных вдольбереговых дамб. Последний способ используется уже тысячи лет, однако, как увидим ниже, в силу различных причин катастрофические наводнения, уносящие жизни сотен тысяч и даже миллионов людей происходили всего лишь несколько десятилетий назад.

В ночь 31 мая 1899 года гигантской волной с лица земли был смыт город Джонстаун в штате Пенсильвания в США. В считанные минуты утонуло 2 209 человек. Причиной трагедии стал прорыв плотины Саут-Форк на водохранилище, расположенном на р. Литл-Коунмаф в 16 км выше города. Проливной дождь, который шел трое суток подряд переполнил водохранилище, водосбросы плотины оказались забитыми растительностью и каменными обломками. Вода перелилась через край. Плотина, сооруженная из набросанных камней, не выдержала напора, в ней образовался огромный пролом на всю 23-метровую высоту. Вал воды промчался вниз по долине, сокрушая все на своем пути [12].

Читая о катастрофах, произошедших в позапрошлом веке, надеешься, что чужие ошибки учтены, сделаны соответствующие выводы. Однако наводнение на реке Зее в Амурской области в середине июля 2007 года опровергает наши надежды. Наводнение возникло при стечении многих обстоятельств. Прежде всего, из-за небывалого притока воды в бассейне водохранилища за счет одновременного выпадения осадков и более раннего начала сезона муссонных дождей. Еще одной причиной стало переполнение водохранилища, произошедшее из-за неточного прогноза приточности.

Зейский комплексный гидроузел создан для защиты земель и населенных пунктов от наводнений и производства электроэнергии. Благодаря плотине долина Зеи 30 лет не подвергалась наводнениям. В 2007 году работа персонала Зейской ГЭС производилась грамотно. Попуски из водохранилища согласовывались с Амурским бассейновым водным управлением. Однако переполнение все же произошло. Связано это с тем, что в перестроечное время была нарушена слаженная система регулярных гидрометеорологических наблюдений и прогнозов.

В сети метеостанций и гидропостов по стране появились огромные прорехи: осталась меньшая их часть с устаревшим оборудованием, без средств для ремонта жилья и производственных помещений. Оперативный расчет водного баланса опирался только на 50% площади бассейна, что привело к прогнозу с высокой погрешностью. В 2007 году приточность воды притоков водохранилища оказалась почти в три раза больше прогнозной.

Экстремальный вынужденный сброс из водохранилища на Зее стал необходимой и единственной мерой для предотвращения катастрофического наводнения и сохранения плотины, но вызвал подтопление нескольких поселков в зоне водохранилища и в нижнем бьефе. Ущерб от случившегося мог быть значительно меньше, если бы на территории, лежащей ниже уровня рассчитанных проектом строительства ГЭС подъемов воды соблюдались строительные правила. Последствия несанкционированной застройки или застройки, разрешенной муниципалитетами без необходимых согласований, особенно наглядно выявились на примере затопленной улицы поселка Овсянка. Она была застроена и заселена в 1985 году фактически в русле реки.

Водный кодекс узаконил вообще смехотворную ширину водоохранных зон независимо от размеров рек. И к этому вопросу тоже следует вернуться: не метрами, а ландшафтно-географическими условиями должны определяться эти зоны. Для безопасной и эффективной работы Зейской ГЭС необходимы восстановление сети метеостанций и гидропостов и надежное обеспечение их работоспособности [5].

Анализируя вышеприведенное описание Зейского наводнения 2007 года, с недоумением понимаешь, что его уроки оказались невыученными. По той же схеме развивалось катастрофическое (более 4 000 тысяч жертв) наводнение в июле 2012 года в городе Крымске: аномальные осадки; переполнение искусственных водохранилищ с последующим прорывом дамб; замусоренность речного русла способствующая образованию «временных плотин» под автомобильными мостами, которые накопив воду, разрушались, сбрасывая вниз уже более мощную ее порцию; отсутствие эффективного оповещения населения и, главное, незаконная застройка речной поймы в потенциально опасной зоне.

До этого здесь же были наводнения в 1995 и 2002 гг. В последнем из них погибло 30 человек. По «его следам» было запланировано строительство защитных дамб, но за 10 лет их так и не построили.

Прошло еще 12 лет и по той же схеме развивалось катастрофическое наводнение ранней весной 2024 года в городе Орске на реке Урал. «Проспали» аномальный паводок, соорудили «липовую» дамбу, которая не выдержала натиска воды, не успевшей даже подняться до ее верха; вместо предупреждения об опасности успокаивающая речь мэра о надежности защиты; и уже традиционно незаконная застройка земель…

С другой стороны, мы видим на примере США, что даже самая богатая и технически оснащенная стран в мире, где не было перестроечного разгрома, пасует перед стихийными бедствиями. Река Миссисипи может служить примером человеческих усилий по борьбе с наводнениями. Здесь в нижнем течении реки общая длина защитных сооружений (плотин и дамб) составляла еще четверть века назад 3 500 км. Кроме того, дамбами здесь окружены многие города и селения.

В 1933–1936 гг. системами каналов, спрямляющих меандры (повороты) в нижнем течении Миссисипи ее длина была уменьшена на 13%, что значительно увеличило пропуск воды. Несмотря на вышеозначенные меры в 1973 году на Миссисипи разразилось самое сильное из всех известных на тот период наводнений, вызванное стремительным таянием снега и проливными дождями, начавшимися в марте и продолжавшимися до июня. Стихия унесла 25 жизней и 35 000 человек оставила без крова. Общий ущерб составил $420 млн. Однако, при отсутствии защитных сооружений ущерб был бы вдвое большим [12].

Пионером в сооружении защитных дамб, вероятно, является Китай. Здесь в нижнем течении реки Хуанхэ их стали возводить в 602 году до новой эры! Тысячи лет китайцы пытались защититься от разливов реки, однако в 1887 году здесь утонуло и умерло от голода от 930 тыс до 2 млн человек. Причиной стали проливные дожди, которые 28 сентября разрушили слабую дамбу примерно в 2 000 км от устья, начальный залповый сброс воды спровоцировал нарастающую цепную реакцию разрушения дамб вниз по течению. Одной из базовых причин, возможно, стала массовая вырубка деревьев вдоль реки для строительства этих самых защитных дамб…

Защита от наводнений на реках, впадающих в море

Поселения, основанные на морских побережьях, также тяготеют к рекам (чаще к их дельтам), а значит, они подвержены двойным угрозам затопления, как со стороны реки, так и со стороны моря (ураганы). Трагичным примером последних лет является наводнение в США в Новом Орлеане, на который в августе 2005 году обрушился разрушительный ураган «Катрин». Погибло более 1 600 человек, ущерб оценен в $125 млрд. Новый Орлеан считают жертвой урагана, и это так, однако, главной причиной катастрофы (затопления города) стало разрушение гидротехнических сооружений, расположенных выше по течению на реке Миссисипи.

По злой иронии судьбы, плотины, построенные с целью защиты от наводнений, стали причиной разрушения города и гибели людей. Случай этот, к сожалению, не уникальный. Наводнения, связанные с разрушениями и прорывами плотин, происходят довольно часто, и при этом являются наиболее опасными, в силу трудной предсказуемости, спонтанности развития катастрофы и быстроты ее протекания.

В 1931 году произошло самое катастрофичное из всех известных наводнений. Его жертвами стали по разным данным от 145 тыс. до 4 млн человек [7]. Это наводнение считается крупнейшим стихийным бедствием за всю документированную историю человечества!

Причины этой трагедии естественные — зимой выпало очень много снега, весной одновременно с таянием снега начались дожди, которые не прекращались все лето. К дождям добавились девять муссонов (обычно в год два муссона). Река обладает муссонным режимом при летнем половодье с подъемом уровня воды до 5 м на равнинах и до 20 м в горах.

Продолжительность борьбы китайцев с разливами реки Хуанхэ уникальна, еще более парадоксальны результаты этой борьбы. «Хуанхэ» в переводе с китайского означает «Желтая река», название получено из-за цвета воды. Река 4 000 км течет по лессовым равнинам, размывая их и унося с собой огромное количество ила. В нижнем течении речная вода на 40% состоит из желтого ила. Ниже города Кайфына, который стоит в 800 км от Желтого моря, этот ил начинает оседать, и река течет по аллювиальной (созданной речной водой) Желтой равнине — дельтовому конусу, сложенному тонким желтым илом. Ширина этой долины также равна 800 км.

От города Кайфына река разделяется на 15 русел, по одному из которых после каждого наводнения устремляется основной поток. При этом речное устье, то есть место впадения Хуанхэ в Желтое море, перебрасывается примерно на 400-450 км. Илистые почвы очень плодородны и на Желтой равнине между руслами Хуанхэ живет огромная масса людей. Равнина абсолютна плоская, поэтому во время наводнений спасаться негде. Ежегодно затапливаемая площадь составляет около 8 300 кв. км. Все названные факторы и определяют колоссальное число жертв от наводнений в этом районе [12].

Защищаясь от разливов реки, китайцы 2 600 лет отгораживались от ее русла дамбами, сложенными из того же речного ила. Других стройматериалов здесь нет. Пояс внутренних и внешних дамб достигает в ширину 20 км и протягивается на 600 км. Поскольку дамбы постоянно надстраиваются, а в русле реки между ними постоянно оседает ил, река поднимается над равниной. В настоящее время в результате этого циклопического по продолжительности и объему труда местами река пересекает Желтую равнину несколько метров выше уровня окружающей местности [12]. В настоящее время в Кайфыне уровень реки выше равнины на 10 м.

Отметим, что фантастические технологические достижения и успехи Китая последних лет не решили окончательно проблему наводнений. Большое наводнение на Хуанхэ произошло в 2023 году, причиной его стал тайфун «Доксури».

Во многих китайских городах на востоке страны, включая столицу, были подтоплены улицы. В провинции Хэбэй девять человек погибли и шесть числятся пропавшими без вести. Всего в Китае пострадало около 1,45 млн человек. Только в Пекине пришлось эвакуировать более 31 тыс. человек. Количество осадков, выпавших в Пекине за последние несколько дней, метеорологи оценивают как рекордное за последние 140 лет [11].

Защита от наводнений в зонах тектонического опускания территории

Особой угрозе затопления (наводнения) подвержены обширные территории морских побережий, приуроченные к тектоническим блокам, испытывающим медленные вековые нисходящие вертикальные тектонические колебательные (эпейрогенические) движения. Они не вызывают нарушения складчатой структуры тектонических блоков, но активно влияют на процессы осадконакопления. Поясним, что вся земная кора разбита на тектонические блоки, которые на протяжении длительного времени опускаются (Прикаспийская низменность) или поднимаются (Скандинавский полуостров) со скоростью в несколько миллиметров в год.

В настоящее время наводнения такого типа ярко проявляются в Голландии, в Италии (Венеция), в России (Западное побережье Крыма).

Если в дельте Хуанхэ люди живут под защитой дамб ниже уровня реки, то в Нидерландах около 40% земель лежит ниже уровня моря! Это осушенные земли — польдеры. Несмотря на крупные гидротехнические проекты, осуществленные в XX веке, эти земли по-прежнему находятся под угрозой наводнения. Национальной катастрофой стало наводнение 1953 года. Оно унесло жизни почти 2 000 человек, было разрушено 50 000 домов и фермерских хозяйств. Ущерб составил 1 млрд гульденов [3].

Наиболее уязвимая территория находится на юго-западе страны. Это крупнейшая низменность — общая дельта рек Рейн, Маас и Шельда. Со стороны моря канал, соединяющий русла рек с морем, в случае сильных штормов перекрывается щитом высотой 5 м над водой и 17 — в глубину, что предохраняет от затопления южную низменную часть страны с населением в 7 млн человек. Система дамб, защищающих сушу, построена с таким расчетом, чтобы допускать риск крупного наводнения из-за подъема рек раз в 1 250 лет, а риск наводнения со стороны Северного моря — и вообще раз в 10 000 лет! [3].

Часто наводнения случаются в Венеции, расположенной на низменных берегах лагуны на северо-западном побережье Адриатического моря.

Аква альта («большая вода») — явление, которое можно наблюдать в Венеции с октября по март. Обычно паводок длится несколько часов и затрагивает в первую очередь самые популярные районы города: площадь Святого Марка и квартал Риальто. Большую воду вызывает сочетание сильных приливов, низкого атмосферного давления и мощного теплого ветра из Северной Африки, который называют сирокко. В последнее время такие паводки становятся сильнее и чаще из-за изменения климата.

В 2004 году под воду ушли даже аварийные пешеходные мостки, рассчитанные на прилив высотой 120 см, так как норма была превышена на 137 см. Это наводнение не самое крупное в истории города. За последние 100 лет самая «высокая» вода стояла в Венеции 4 ноября 1966 года. Тогда она поднялась на 194 см выше обычного уровня. В октябре 2002 года море поднялось на 110 см, затопив площадь Сан-Марко и большинство улиц исторического центра. В воду погрузились и многие памятники архитектуры [6].

В последнее время наводнения в городе на воде стали случаться все чаще. Венеция медленно погружается в воды Адриатики. Проседание земной поверхности составляет 5 мм в год. 12 ноября 2019 года Венеция сильно пострадала от одного из таких наводнений: во время прилива вода поднялась на 187 см и залила большую часть города. Местный бизнес так и не восстановился после этого случая, а последовавшая пандемия усугубила положение.

В 2001 году комиссия правительства Италии под председательством премьера С. Берлускони одобрила технический проект по спасению от наводнений Венецианской лагуны и самой Венеции. Планировалось возвести 24 подвижные плотины, которые при превышении уровня прилива на 1 м должны подниматься и отгораживать Венецианскую лагуну от Адриатического моря [6]. Работы по проекту начались в 2003 году в проливах Лидо, Маламокко и Кьоджа, соединяющих лагуну с морем, и через которые вода прибывает во время приливов.

3 октября 2020 года в Венеции впервые запустили систему шлюзов MOSE для защиты города от наводнений, которые регулярно случаются с октября по март. Испытание прошло успешно: площадь Святого Марка, которую обычно затапливает даже при небольшом приливе, осталась практически сухой [1]. Конечная стоимость проекта составила €5,5 млрд.

В России опускается северо-западное побережье Крыма со скоростью 1.0—1.6 мм в год. Берег при этом отступает со скоростью до 3 м в год. Так, ширина пляжей, составлявшая в 80-х годах прошлого века 40-50 м, уменьшилась вдвое. Происходит это потому, что западный берег полуострова сложен породами Таврской свиты плиоценового возраста, представленной здесь рыхлыми палеопочвами. Берег интенсивно разрушается, он представляет активный клиф — быстро разрушающийся обрыв, постоянно подмываемый морскими волнами, особенно сильно во время осенних и зимних штормов.

Уму непостижимо, но после 2014 года узкие полоски пляжей западного берега Крыма застроены корпусами гостиниц. Застраиваются даже участки в устьях рек Кача и Бельбек, где строить нельзя категорически, истоки рек находятся в горах и периодически при таянии снега весной или во время сильных дождей возникают бурные паводки. В ближайшие же годы все эти постройки, построенные безумцами, погибнут под ударами моря, тектонический процесс нельзя остановить, берег погружается.

Опасность наводнений на горных реках

Особо опасными наводнениями являются горные, они также возникают при выпадении дождей и таянии снега, но образовавшаяся здесь вода очень быстро заполняет узкие долины горных рек и с огромной скоростью несется вниз к подножью гор. При этом горный поток перемещает большое количество валунно-галечного материала, который сметает любые сооружения на склонах и засыпает их у подножья гор. Часто русла горных рек переходят на шельфовых склонах в русла подводных каньонов, по которым продолжается перенос обломочного материала в виде мутьевых потоков. Последние способны разрушать трубопроводный транспорт и линии связи, проложенные под водой.

Опасность горных ливневых паводков следует отметить особо, так как развиваются они молниеносно, а иногда и неожиданно. Дождь, прошедший высоко в горах можно и не заметить, находясь в предгорьях, в таком случае превращение маленькой речки, ручья или даже сухой долины в бурлящий поток может оказаться неожиданным и опасным сюрпризом.

Автору пришлось увидеть такое превращение в Армении в июле 1977 года. Наш палаточный лагерь стоял на пойменной террасе реки Азат. Погода была пасмурной, но дождя не было, он прошел в горах в верховьях реки, и мы с интересом наблюдали, как наполняется обычно полусухое русло. Опасность осознали, только когда вода наполнила русло до краев и стала разливаться по террасе. Через десять минут, когда мы, быстро собрав лагерь, стали выезжать на более высокое место, стремительный поток почти полностью скрывал колеса ГАЗ-66.

В Крыму, где мы проходили учебную практику возле села Прохладное, в июне 1971 года после сильного ливня в грозный бурлящий поток превратилась маленькая речушка Бодрак, протекающая недалеко от учебной базы геологического факультета МГУ. В селе Скалистом ниже по течению поток сбросил с моста и протащил по руслу тяжелый МАЗ, груженый каменными блоками из местного карьера. Дома, стоящие на нижних улицах, были залиты под крышу.

В первый раз я наблюдал дождевой горный паводок на реке Китой на Восточных Саянах. Было это после проливного дождя в июле 1967 года, мимо нашего лагеря, разбитого на высоком берегу, быстро проплывала рубленая изба. Картина, запомнившаяся на всю жизнь [9, 10].

В горах особую опасность представляют катастрофические сбросы ледниковых озер, которые здесь широко развиты. Озера возникают при запруживании русла рек или ущелий ледниковым языком. Выше такой плотины накапливается вода, образуется озеро. Однако лед — крайне непрочный материал, довольно быстро он начинает таять, трескаться. Разрушение ледниковой плотины и сброс озерной воды происходит спонтанно и мгновенно. Далее все происходит также, как и при прорыве рукотворных плотин.

Примером такой накопительно-прорывной гляциальной системы служит озеро Мерцбахера в Центральном Тяньшане. Оно лежит на высоте около 3 000 м между концом ледника Северный Иныльчек и бортом ледника Южный Иныльчек. К концу лета озеро накапливает до 165 млн куб. м воды, а его площадь составляет 4 кв. км. Ежегодно, в период с середины июля до середины октября, происходит прорыв озера Мерцбахера, вызывая на реках Иныльчек и Сарыджаз мощные паводки, длящиеся несколько дней. Объемы прорывных паводков варьируются от 120 до 220 млн куб.м [4].

Нужно также иметь в виду, что проливные дожди в горах обычно сопровождаются обвалами, оползнями, селевыми потоками [4].

Литература

1. Антон Дьяконов. Венеция впервые в истории смогла избежать ежегодного наводнения. Все дело в новой системе шлюзов, которую строили больше 30 лет https://perito.media/posts/venice-floodgates 12.10.2020.

2. Бананы ушли под воду. 2 ноября 2007. http://weather.mail.ru/article.html?id=34283

3. Будущее Голландии — города на воде. http://www.orangesmile.com/ru/novosti/235-navodnenia.htm

4. Виноградов Ю. Б. Этюды о селевых потоках. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. — 144 с.

5. Готванский Вениамин. Метеорологи довели Зейскую ГЭС до аварии. 30.07.2007. https://www.eprussia.ru/epr/84/5972.htm

6. Иванов Арсений. Венеция стала городом под водой. 01 ноября 2004.

https://utro.ru/articles/2004/11/01/368788.shtml

7. Наводнение в Китае (1931). Материал из Википедии — свободной энциклопедии. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%B2%D0%9A%D0%B8%D1%82%D0%B0%D0%B5_(1931)

8. Призрак ходит по Европе, призрак наводнения. ФОБОС/Gismeteo.Ru.

14 июня 2007.

9. Сывороткин В. Л. Стихийные бедствия: наводнения // Деловое сотрудничество, 2007. № 10 (47). С. 32-34

10. Сывороткин В. Л. Стихийные бедствия: прогноз и предупреждение цунами // Деловое сотрудничество, 2007. -№ 8 (45). — С. 32-34

11. Улицы китайских городов, затопленные после тайфуна ― видео с дрона. 02.08.2023. https://sputnik.by/20230802ulitsy-kitayskikh-gorodov-zatoplennye-posle-tayfuna-video-s-drona-1078027511.html

12. Уолтхем Т. Катастрофы: неистовая Земля. — Л.: Недра, 1982. 223 с