Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по земле  

На правах рукописи

Сучков Владимир Егорович

РОЛЬ МЕТЕЛЕВОГО ПЕРЕНОСА В ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИИ

СНЕЖНОГО ПОКРОВА И ОБРАЗОВАНИИ СНЕЖНИКОВ,

ЕДНИКОВ И ЛАВИН НА САХАЛИНЕ

И КУРИЛЬСКИХ ОСТРОВАХ

25.00.23 - Физическая география и биогеография,

география почв и геохимия ландшафтов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата географических наук

Нальчик, 2012

Работа выполнена в ФГБУ Сахалинское управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет) Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации

Научный руководитель: кандидат географических наук, доцент

  Кондратьева Наталия Владимировна

Официальные оппоненты:  доктор географических наук, профессор

  Бернгардт Роберт Павлович

 

кандидат географических наук

Хаджиев Мухтар Махмутович

Ведущая организация: МГУ, г. Москва

Защита состоится л14 декабря 2012 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 327.001.01 при ФГБУ Высокогорный геофизический институт Росгидромета по адресу: 360030, КБР, г. Нальчик, пр. Ленина, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ Высокогорный геофизический институт.

Автореферат разослан л13 ноября  2012 г.

И.о. ученого секретаря диссертационного совета

доктор физико-математических наук, профессор  Шаповалов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Зимой на территории Дальнего Востока создаются благоприятные условия для формирования циклонов, в результате деятельности которых на Сахалине и Курильских островах наблюдаются сильные ветра и метели. Благодаря интенсивным процессам аккумуляции снега метели способны изменять зимние ландшафты местности до неузнаваемости, при этом большую роль играет экспозиция склонов по отношению к влагонесущим потокам. Как правило, в прибрежных и горных районах метелевый перенос является существенным элементом при создании лавиноопасных ситуаций, что осложняет хозяйственную деятельность человека. При проектировании объектов различного назначения не всегда учитываются интенсивность и объемы снегопереносов, формирование аккумулятивных форм на подветренных склонах (надувов и карнизов), их деформация и обрушение в виде лавин, что может приводить к гибели людей и разрушению объектов.

Актуальность работы определяется потребностью оценки рисков лавинной и метелевой опасности в прибрежных и горных районах острова Сахалин и Курильских островов при увеличении миграции населения и осуществлении планов дальнейшего хозяйственного и рекреационного освоения территории островной области.

Цель диссертационной работы. Определение роли метелевого переноса в перераспределении снежного покрова и образовании ледников, снежников и лавин на Сахалине и Курильских островах. Разработка рекомендаций по уменьшению ущерба от метелевого переноса и лавин.

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:

• исследование физико-географических и климатических особенностей метелевого режима Сахалина и Курильских островов;
• проведение натурных метелемерных наблюдений в Северо-Курильске и Невельске с применением существующих методик и приборов;
• обработка и анализ полученных данных, оценка суммарных снегопереносов за отдельные метели и зимние сезоны;
• сравнение натурных данных метелемерных наблюдений с данными, полученными расчетным методом (по кубической зависимости от скорости ветра по данным метеостанций);
• проведение снегомерных, геодезических работ по определению геометрии снежных карнизов и надувов, определение прочностных и плотностных, структурных, текстурных и других характеристик снежных аккумулятивных форм;
• проведение массбалансовых наблюдений на отдельных навеянных ледниках и снежниках о. Парамушир, на снежниках-перелетках лавинного и метелевого генезиса о. Сахалин;
• разработка мелкомасштабных карт лавинной и метелевой активности с учетом освоения территории Сахалина и Курильских островов;
• разработка методики прогноза наступления периодов лавинной опасности в метелевых районах Сахалина и Курил;
• оценка рисков лавинной и метелевой опасности основных объектов и проводимых мероприятий по их уменьшению.

Защищаемые положения:

1. Метод расчета суммарных снегопереносов с учетом коэффициентов насыщенности метелей.

2. Методика определения наступления периодов лавинной опасности по данным суммарных снегопереносов с учетом дальности видимости.

3. Влияние метелевого переноса на генезис снежных аккумулятивных форм, метаморфизма таяния-замерзания, который определяет основные особенности развития снежного покрова на лавиноопасных склонах:

а) региональные особенности распределения метелевых лавин из свежевыпавшего снега (лавин кратковременного развития), лавин из мокрого снега и смешанного генезиса (лавин долговременного действия), триггерный механизм их обрушения;

б) условия формирования навеянных ледников и многолетних снежников на Парамушире и снежников-перелетков на Сахалине.

4. Оценка рисков лавинной и метелевой опасности на основных объектах и рекомендации по их уменьшению.

5. Карты метелевой и лавинной активности Сахалина и Курильских островов, построенные с учетом освоенности территории.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

а) усовершенствованы методики натурных метелемерных наблюдений и расчет снегопереносов по кубической зависимости от скорости ветра;

б) по результатам обработки массива данных получены градиенты твердых осадков и снегопереносов для наиболее изученных районов - хр. Вернадского (о. Парамушир) и хр. Набильский (о. Сахалин);

в) составлены карты метелевой и лавинной активности Сахалина и Курильских островов;

г) открыт район современного оледенения (навеянные ледники и снежники). Получены количественные характеристики по энергии оледенения малых ледников о. Парамушир, модулю лавинного сноса снежников-перелетков хр. Набильский (о. Сахалин).

Исходные материалы и объекты исследования. В качестве объектов исследования выбраны метелевый перенос, снеголавинные процессы и связанные с ними проблемы на территории Сахалина и Курильских островов.

Практическая значимость. Показано, что ущерб от снежных лавин всегда возрастает во время интенсивных и продолжительных снегопадов, сопровождаемых метелевым переносом. На основании анализа данных метелемерных измерений приводится метод прогноза лавин из метелевого снега по суммарным снегопереносам и приростам снегоотложений, которые применялись в оперативном обеспечении заинтересованных организаций. Дана оценка рисков лавинной опасности для основных населенных пунктов, автомобильных и железных дорог, других объектов области.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем работы составляет 164 страницы, включая 22 таблицы, 57 иллюстраций, список литературы из 144 источников.

ОСНОВНОЕ Содержание работы

введение

Обоснована актуальность работы, определена научная проблема, цель, задачи и методы их решения, оценены научная новизна и практическая значимость работы, перечислены основные положения, выносимые на защиту, и личный вклад автора.

1. Обзор общих сведений об исследованиях снегопереноса

и особенностей освоения территорий с повышенной

метелевой активностью

На основе отечественной и зарубежной литературы, а также фондовых материалов муниципальных образований ФГБУ Сахалинское УГМС проделан анализ исследований снежного покрова и снегопереноса на острове Сахалин и Курильских островах. Приводятся данные о сходе лавин при освоении территории Сахалина и Курил.

2. Методика наблюдений, расчетные методы

и погрешности измерений

Во время наблюдений за снежным покровом были использованы данные полевых (снегосъемки, пешие, лыжные и вертолетные маршрутные обследования, наблюдения за снегоотложениями метелевого снега на подветренных склонах) и экспериментальных (метелемерные, геометрия снежных надувов и карнизов) обследований автора. Проводились стратиграфические наблюдения, определялись формы кристаллов, структуры и текстуры, прочностные и инфильтрационные свойства снежной толщи в различных высотных поясах и физико-географических зонах. Применялись картографические и топографические методы, методы математической статистики, комплекс которых позволяет охватить большой диапазон пространственно-временных изменений на территории исследуемых районов и получить количественные характеристики изучаемых природных явлений. Приводятся описания основных пунктов наблюдений на о. Парамушир и о. Сахалин. При изучении снежного покрова и лавин применялись следующие методики:

1. Метелемерные натурные наблюдения проводились в соответствии с методикой и приборами ЦПЗ (Центр лавинной безопасности комбината Апатит (Черноус П.А., Зюзин Ю.Л., Бобрышев А.В., 1989). По этой методике за 10 зимних сезонов на о. Парамушир и о. Сахалин автором измерено 190 метелей (673 выхода на пункты наблюдений, более 1550 измерений интенсивности метелевого переноса в точках).
2. По кубической зависимости от скорости ветра использовался расчетный метод (Комаров А.А., 1965, 1969; Мельник Д.М., 1967), по которому получено более 4000 значений объемов снегопереносов по данным ТММ-1 ГМС.
3. По снежным аккумулятивным формам Р. Таблера (Tabler R.D., 1975) определено около 500 объемов снегоотложений.
4. По скорости ветра и расходу метелей (Дюнин А.К., 1963, 1984) использованы данные 1550 натурных наблюдений;
5. Стратиграфические наблюдения по различным методикам (Рихтер Г.Д., 1948; Colbeck S.С., 1986; Коломыц Э.Г., 1976; The International>
6. Определение прочности снега по методике Самойлова Р.С. и Ушакова А.И. (Самойлов Р.С., Ушаков А.И., 1984); зондирование снежной толщи в надувах и карнизах проводилось автором на более чем 2000 точках.

Дана оценка погрешностей при определении основных характеристик снежного покрова, метелевого переноса. Для определения погрешности измерений были проведены параллельные наблюдения метелемерами ЦПЗ-1 и ВО-2. Относительная ошибка измерений для ЦПЗ-1, по нашим данным, составила от 10% (при скоростях ветра от 6 до 10 м/с) до 20Ц30% (при скоростях больше 10 м/с). Коэффициент улавливания для метелемеров ЦПЗ изменялся от 0,7 до 0,98, т.е. погрешность составляла от 2 до 30%.

3. Метелевый режим острова Сахалина и Курильских островов:

результаты, анализ наблюдений и расчетные характеристики

В третьей главе приводятся данные комплексных измерений и оценка различных величин метелевого переноса. Регулярными наземными наблюдениями были охвачены районы вблизи от ГМС Северо-Курильск (23 м над уровнем моря) с 1984 по 1999 гг. - бассейны рек Городская, Матросская, склоны г. Маяк, плато Аэродромное, Альперина, хр. Вернадского. На Сахалине проводились наблюдения за метелевым переносом с 1991 по 1997 гг. рядом с ГМС Невельск (140 м над уровнем моря); регулярными наземными наблюдениями были охвачены Холмск, Томари, Макаров и Набильский хр.

Проведение натурных наблюдений проводилось по методике ЦПЗ метелемерами ЦПЗ-1. Одновременно метелемеры устанавливались на трех-четырех уровнях над поверхностью снега (0Ц4 см, 24Ц28 см, 48Ц52 см), для чего они помещались в один контейнер. Эпизодически устанавливался дополнительный метелемер на высоте 150 см над поверхностью снега. Это позволяло оценить общий твердый расход метелей Q в слое 0Ц 200 см во время одного измерения (Qт.р.факт., г/сммин):

  (1)

где h и q - соответственно толщина отдельных слоев метели и объем переносимого в них снега за одно измерение.

С учетом времени, прошедшего между отдельными измерениями, подсчитывается снегоперенос за отдельную метель (Q, г/см, или кг/пог.м), а затем рассчитывается суммарный снегоперенос за весь зимний сезон. По данным наблюдений проявляется следующее соотношение видов метелей (рис. 1); хорошо видно, что в Северо-Курильске преобладают общие метели (58%), а в Невельске - низовые (40%).

а  б

Рис. 1. Виды метелей: а - в зимние сезоны 1984Ц1990 гг. на окраине Северо - Курильска (плато Альперина, 44 м над уровнем моря); б - в зимние сезоны 1991Ц1997 гг. на окраине Невельска (140 м над уровнем моря)

На основе положений о балансе метелевого переноса подсчитывались объемы снегопереноса за зимний сезон. Например, суммарный снегоперенос за указанные зимние сезоны на о. Парамушир был в пределах 160Ц420103 кг/пог.м/зимний сезон, а при аналогичных наблюдениях на Сахалине эти величины были примерно на порядок ниже (рис. 2).

Рис. 2. Снегоперенос в зимние сезоны 1984Ц1997 гг. на подветренных склонах морских террас одного уровня в условиях о. Сахалин (Невельск) и о. Парамушир (Северо-Курильск)

Суммарные значения снегопереноса для поверхностей террас одного уровня на северных Курилах примерно на порядок выше значений для западного побережья Южного Сахалина. Это объясняется более сильными и продолжительными ветрами и большими значениями твердых осадков.

Оценка переноса снега проводилась по расчетному методу. Эта количественная оценка основана на кубической зависимости интенсивности метелевого переноса J от скорости ветра U:

  J =СU3. (2)

Коэффициент пропорциональности С определен эмпирически на основании данных метелемерных измерений ВО-2. Произведение интенсивности метелевого переноса J на время дает величину объема переносимого снега (, м3/пог.м):

  = J* . (3)

При расчетах снегопереноса по этой методике плотность метелевого снега была принята равной 170 кг/м3, тогда масса переносимого снега m=170.

Таким образом, мы получили расчетные данные по снегопереносу за каждую метель и за весь зимний сезон в сопоставимых единицах с данными по методике ЦПЗ (Qрасч.). Нами был применен коэффициент насыщенности метелей kнм, который равен отношению фактических данных по расходам метелей по методике ЦПЗ к расчетным количественным оценкам по расчетному методу:

  kнм = Qт.р.факт / Qрасч.  (4)

Оценка зависимости расхода метелей от скорости ветра проводилась по методике А.К. Дюнина. По максимальному твердому расходу метелей Qт.р., который зависит от скорости ветра, выделяются виды метелей, представленные в табл. 1.

Таблица 1

Соотношение видов метелей по натурным данным, Северо-Курильск (плато Альперина, 45м над уровнем моря) и СЛС Невельск (140м над уровнем моря)

Виды метелей	Скорость ветра на высоте флюгера (Uфл.=13 м/с)	Средний расход метелей (Qтр, г/сммин)	Фактические данные (число случаев/%)
			По ветру, Uфл., м/с		По расходу, методика ЦПЗ (Qтр, г/сммин)
			Северо-Курильск	Невельск (Сахалин)	Северо-Курильск	Невельск (Сахалин)
Слабые	6Ц10 м/с	до 120	49 / 14%	85 /27,3%	322 /89%	291/93,7%
Обычные	10Ц20 м/с	до 240	258 / 71%	202 / 65%	28 / 7,7%	19 / 6%
Сильные	20Ц30 м/с	до 720	47 / 13%	24 / 7,7%	11 / 3%	1 / 0,3
Очень сильные	Более 30 м/с	до 1200	8 / 2%	0	1 / 0,3%	0
Сумма (%)			362 /100%	311/100%	362 /100%	311/ 100%

Полученные данные по всем нашим наблюдениям на о. Парамушир (Северо-Курильск) и о. Сахалин (Невельск) разделены по градациям. Хорошо видно, что по скорости ветра преобладают обычные метели (258 и 202 случаев соответственно), а по фактическому расходу метелей по методике ЦПЗ - слабые (322 и 291 случаев соответственно). По сильным метелям по скорости ветра (20Ц30 м/с) мы наблюдали соответственно 47 и 24 случаев, а по расходу - соответственно 8 и 1, отмечалась сильная метель. Таким образом, основная особенность метелей - их ненасыщенность, несмотря на повышенную снежность (см. табл.1).

Измерение прироста снегонакопления проводилось по методике Р. Таблера (Tabler R.D., 1975, рис. 3).

Рис. 3. Профиль юго-восточного склона участка регулярных наблюдений №2 (о. Парамушир, Северо-Курильск, плато Аэродромное) в зимний сезон 1984Ц1985 гг.: 1 - профиль склона; 2 - снегонакопление на склоне; 3 - снежный карниз и его обрушение по линиям отрыва (с диапазоном от ВЦВ1 до СЦС1); 4 - теодолитный пункт на плато для определения геометрии снежных карнизов; L1, L2 - прирост поверхности снегопереноса

4. Роль метелевого переноса в перераспределении снежного покрова и формировании снежных аккумулятивных форм

на подветренных склонах

По архивным данным Сахалинского УГМС на Сахалине и Курильских островах зарегистрировано 28108 снежных лавин. Из них 22683 (80,7%) по общепринятым генетическим классификациям В.Н. Аккуратова и К.С. Лосева (Гляциологический словарь под ред. В.М. Котлякова, 1984) относятся к лавинам из свежевыпавшего и метелевого снега (или к лавинам кратковременного развития (Божинский А.Н., Лосев К.С., 1987), что подтверждается в ранних работах (Иванов А.В., 1971). Остальные 5425 можно отнести к лавинам длительного развития (лавины мокрого снега и смешанного генезиса, т.е. в результате ослабления прочности снежного покрова под длительным воздействием нагрузки, температурного сокращения и т.д.).

Аккумуляция метелевого снега в лавиносборах выступает в качестве спускового механизма, приводящего к реализации неустойчивости снега на склонах в виде лавин кратковременного развития, сход которых подготовлен сочетанием других внешних и внутренних факторов. Нами предлагается модель формирования и механизм обрушения монолитных нависающих карнизов на западных склонах Восточно-Сахалинских гор (в надувах и карнизах 7 м и более). Индикаторами этих процессов являются снежные аккумулятивные формы. На побережьях это снежные 2Ц4-метровые надувы (ветровые, твердые доски) и 5Ц15-метровые снежные карнизы, которые формируются благодаря метаморфизму таяния-замерзания (Войтковский К.Ф., 1989), который определяет основные особенности развития снежного покрова на лавиноопасных склонах (развивающегося по типу уплотнения и цементации).

Механизм обрушения таких гигантских монолитных нависающих карнизов - это обвальный механизм обрушения гигантской балки (карниза) по плоскости, перпендикулярной действию максимальных напряжений (по вертикали) часто со стесыванием подложки склона или пазухи карниза. Плотностные (400Ц460 кг/м3) и температурные характеристики снега (0Ц4,6 oC, с градиентом температур менее 0,08 град/см) свидетельствуют о доминирующих процессах таяния-замерзания (см. табл. 2, рис. 4).

В горах на Северных Курилах - навеянные ледники и снежники. На леднике №3 на высоте около 900 м над уровнем моря в начале периода абляции в июне плотность сезонного снега колебалась от 480 до 580 кг/м3, а в конце периода абляции в сентябре - 700Ц810 кг/м3. Для Сахалина характерны снежники-перелетки лавинного и метелевого генезиса с плотностными характеристиками, сопоставимыми с Курильскими.

Таблица 2

Стратиграфическая колонка обрушения карнизной лавины в январе 1987 г. с юго-восточного склона плато Аэродромное (150 м над уровнем моря)

Номер слоя	Толщина слоя H (см)	Формы кристаллов	Плотность слоя ρ (кг/м3)	Удельное сопротивление вращательному срезу (кПа)	Температура снега t (0C)
	1320				-5,6
11*	1150		220	1,2	-4,7
10*	1060		300	3,2	-4,1
9*	1020		380	>10	-3,5
8*	930		450	> 20	-2,9
7*	550		410	> 20	-2,5
6	534		320	6,5	-2,2
5	377		440	> 20	-1,5
4	325		460	> 20	-0,6
3	250		450	> 20	-0,4
2	95		460	> 20	-0,2
1	0		420	15	0,0

Примечания: * - слои снега лавины по линии отрыва;

- талый снег; - слои таяния-замерзания; - кластеры; - мелкие

  округлые зерна; - ветровая слоистость (The International>

  Seasonal Snow, 2009).

Рис. 4. Обследование линии отрыва лавины на о. Парамушир

в феврале 1987 г. (фото С. Маршук)

5. Практическое применение проведенных исследований с целью уменьшения возможного ущерба от лавин в метелевых районах

Сахалина и Курильских островов

На основании выполненного зонирования с использованием полученных данных нами созданы мелкомасштабные карты метелевой активности с учетом освоения территории Сахалина и Курил. Предлагается ранжирование природных лавинных комплексов Сахалинской области. С учетом особенностей рельефа и климата, а также согласно физико-географическому районированию особняком выделяются шесть зон метелевой активности, которая влияет на формирование лавинных природных комплексов (ЛПК) (рис. 5, 6):

1. Северный Сахалин (подзона светлохвойной тайги. Основная особенность этого района - обширные по площади снегосборные бассейны с большими значениями длины разгона метелей (более 200 м) при низких температурах, что объясняет перепады значений снегопереноса от (15Ц200103 до (45Ц180)103 кг/пог.м./зимний сезон.

В горных районах Центрального и Южного Сахалина ярко выражена высотная поясность (ПЛК морских террас, низкогорья, среднегорья).

2. Центральный Сахалин (подзона средней темнохвойной тайги) - Восточно-Сахалинские и Западно-Сахалинские горы, которые разделяются Тымь-Поронайской низменностью. Эта подзона характеризуется сильно расчлененным рельефом. С увеличением высоты над уровнем моря растут количество и интенсивность твердых осадков, что приводит к увеличению расхода метелей от 10103 до (130Ц350)103 кг/м за сезон в горах.

3. Южный Сахалин (подзона южной темнохвойной тайги) - Южно-Камышовый хребет Западно-Сахалинских гор, Сусунайская низменность, Сусунайский хребет. Благодаря частым оттепелям характеризуется более низкими значениями снегопереноса по сравнению с предыдущей подзоной: от 15103 кг/м в прибрежных районах до 100103 кг/м за сезон в горах.

Курильские острова отличаются наибольшей изменчивостью ландшафтов с севера на юг и высотной поясностью в горах. Одним из основных показателей суровости климата являются сильные и продолжительные метели. Выделяются лавинные природные комплексы (ЛПК) морских террас, низкогорья, среднегорья и высокогорья.

4. Северные Курилы (подзона океанических горных тундр и подгольцовые заросли кедрового стланика и ольховника) - наиболее крупные острова: Атласова, Шумшу, Парамушир, Онекотан, Шиашкотан. Эти острова относятся к зоне максимального снегопереноса за зимний сезон - до 1500103 кг/м и более за сезон в горных районах. Этим объясняется наличие многочисленных навеянных ледников и снежников. Угнетенная растительность является своеобразным индикатором суровости климата.

5. Средние Курилы (каменноберезовые и бамбуковые леса, заросли кедрового стланика и верещатника) - острова Симушир, частично Итуруп относятся к зоне среднего снегопереноса за зимний сезон, до 300103 кг/м за сезон в горных районах.

6. Южные Курилы (тисово-елово-пихтовые леса с участием широколиственных пород) - острова Кунашир, Шикотан. Эти острова относятся преимущественно к зоне небольшого снегопереноса, от 15103 кг/м на побережьях до 250103 кг/м за сезон в горах.

  а б

Рис. 5. Карта метелевой активности (снегопереносов) Сахалинской области  (масштаб 1:4000000): а - о.Сахалин; б - о-ва Курильские

Эти данные были получены автором при обработке архивов Сахалинского УГМС, опросных и архивных данных муниципальных образований. Пунсонами показаны места, где отмечались случаи гибели людей от схода лавин (Сучков В.Е., Иванов А.В., 2006). По частоте пунсонов на карте эти места объединены в красную зону (приурочены к зонам активной хозяйственной деятельности при освоении территории Сахалина, рис. 6). В основном это прибрежные районы западного и восточного побережья Сахалина. Красные зоны - наиболее освоенные и уязвимые районы (где по имеющимся данным погибло 339 человек), защита населения и объектов здесь не решена. Желтые зоны - неосвоенные, слабоизученные территории. В красных и желтых зонах необходимо проводить снеголавинные изыскания согласно СНиП и других нормативных документов.

  а б

Рис. 6. Карта лавинной опасности Сахалинской области (масштаб 1:4000000) с учетом освоения территории: а - о.Сахалин; б - о-ва Курильские

Оценка рисков лавинной опасности территории в условиях сильной

метелевой активности

На территории Сахалинской области риску лавинной опасности в условиях интенсивных и продолжительных метелей подвергаются население и многочисленные хозяйственные объекты (более 30 населенных пунктов). Здесь практически ежегодно случаются лавинные аварии. Во время сильных метелей быстро образуются снежные заносы на автомобильных и железных дорогах, в населенных пунктах.

Существуют методики определения индекса лавинной опасности, которые изложены в работах (Schaere P., 1989; Owens I., 1980). Основные положения этих методик нами были приняты для оценки лавинных рисков при сильных метелях на Сахалине и Курильских островах. Индексы (риски) лавинной опасности I являются условным выражением ущерба от лавин (в тыс. руб.), нанесенного в результате воздействия снежных лавин на хозяйственные объекты в населенных пунктах, на железных и автомобильных дорогах,

  I = NWPК, (5)

где N - количество субъектов или объектов, подвергающихся лавинной опасности из конкретного лавиносбора за период времени t (под t предполагается среднемноголетняя продолжительность временного периода лавинной опасности); W - коэффициент весомости, выражающий величину ущерба от лавин, в тыс. руб; К - коэффициент, выражающий степень возможного повреждения объекта (например, для деревянного дома, который может быть полностью разрушен, К=1, а для каменного дома К = 0,1Ц0,2); P - величина, характеризующая вероятность встречи лавины и объекта (т.е. авария) в период t:

Р = t/t e fi m,  (6)

где t - промежуток времени, в течение которого объект подвергается опасности встречи с лавиной; te - длительность периода потенциальной лавинной опасности; fi - вероятность схода лавины с лавиносбора i; m - фактор веса, показывающий опасность столкновения с лавиной;

Стоимость объекта, коэффициент весомости приняты в расчет в ценах 2005 г. На рис. 7 представлены данные по расчетным рискам лавинной опасности.

По нашим данным, в лавиноопасных зонах находится 580 объектов в 25 основных  населенных пунктах, при этом риску лавинной опасности подвергаются около 7500 человек, а возможный ущерб от лавин может составить около 150 млн руб. (Сучков В.Е., Иванов А.В., 2007; Сучков В.Е., 2009).

Рис. 7. Оценка рисков лавинной опасности (возможного ущерба) объектов

инфраструктуры основных населенных пунктов Сахалинской области

Риск лавинной опасности для дорог Ri является условным выражением ущерба, нанесенного в результате воздействия снежной лавины в условиях сильных метелей на железнодорожный или автомобильный транспорт. Его величина равна произведению вероятности P столкновения движущегося транспорта с лавиной и коэффициента весомости W. Коэффициент W принят равным 10 для лавин глубокого снега (высота снега сошедшей лавины более 1 м); при этом автомобиль (поезд), подвергшийся воздействию такой лавины, может быть сбит с дороги и поврежден или погребен снегом.

  Ri= Wj (Pm i j + Pw i j), (7)

где Wj - коэффициент весомости класса лавин j;

Pm i j - вероятность столкновения движущегося транспорта с лавинами с лавиносбора i. Она равна произведению вероятности схода лавины и появления транспорта на ее пути Pt:

  Pm i j =P Pt , (8)

где

  Pt = N (L+D)/V, (9)

где N - среднесуточная интенсивность движения на данной дороге (ее величина ее может достигать 1500 единиц за сутки); L - ширина зоны выката лавины; D - тормозной путь (принят равным около 100 м) движущегося транспорта со скоростью V, км/ч, по дороге, покрытой снегом (принята равной 80 км/ч).

Pw i j - вероятность столкновения транспорта, заблокированного лавиной класса j с лавиной из соседнего лавиносбора (i+1), по P. Schaere эта величина нами принята равной 0,1(Schaere P.А., 1989).

 

В условиях Сахалина очень часто бывают ситуации, когда транспорт, особенно на автомобильных дорогах, блокируется метелевыми заносами (во время усиления интенсивности снегопереноса) и сходом небольших по объему лавин.  На рис. 8 видно, что среди других наиболее уязвима автодорога Шебунино - Бошняково (ущерб составляет 850 тыс. руб. за зимний сезон).

Рис. 8. Оценка рисков лавинной опасности (возможного ущерба) объектов инфраструктуры и отдельных участков дорог Сахалинской области

Всего железным и автомобильным дорогам угрожают около 1000 лавиносборов, суммарный ущерб от лавин может составить около 5,5 млн руб. Риск (индекс) лавинной опасности будет меняться в течение зимнего сезона в зависимости от ситуации в лавиносборах (массы отложенного снега, степени развития снежной толщи, количества уже сошедших лавин и т.д.). Его величину можно уменьшить проведением предупредительного спуска лавин, строительством инженерных сооружений на лавиноопасных склонах, прогнозами о снеголавинной обстановке.

Разработка и применение метода прогноза лавин из метелевого снега

в условиях  Сахалина и Курильских островов

На основе данных метелемерных наблюдений нами был разработан метод прогноза схода лавин по суммарному снегопереносу.

В условиях Сахалина и Курил часто метели продолжаются 2Ц3 суток и более. Наши наблюдения показали, что рациональнее использовать такие метеорологические характеристики как видимость, направление ветра и время. Оцениваются текущие данные и предстоящие погодные условия, определяется момент наступления лавиноопасного периода. На основе фактических данных о времени схода лавин после начала метелевых явлений построены кривые, разделяющие случаи с лавинами и без лавин (рис. 9).

Рис. 9. Диагностическая номограмма лавинообразования в зависимости

от видимости (км), продолжительности метелей (ч) и прироста снега

в лавиносборах (м)

       Данная методика применялась автором с 1987 по 1997 гг. в Северо-Курильске и Невельске при составлении снеголавинных бюллетеней и штормовых предупреждений (представлены акты внедрения).

Предложения по модернизации инженерных сооружений с учетом

полученных данных при изучении метелевого переноса

По фактическим метелемерным наблюдениям на юге о. Сахалин и севере о. Парамушир сделана статистическая обработка выборки, которая состояла из 117 вариантов. Эти данные были получены для наиболее активного приповерхностного слоя снега (0Ц2 см). Проанализированы связи со снегопереносом в слое снега 0Ц200 см.

Статистическая обработка показала следующее: коэффициент множественной корреляции равен 0,77; максимальное значение выборки - 250 г/(сммин); минимальное - менее 1 г/(сммин), выборочное среднее - 26 г/(сммин); коэффициент асимметрии - 2,9; коэффициент вариации - 138 %. Было получено уравнение регрессии зависимости плотности распределения значений общего снегопереноса метелей Q в слое 0Ц200 см (Q0-200) от интенсивности метелевого переноса q в слое 0Ц2 см  (q 0-2):

Q0-200 = 10,62 q 0-2 + 1,45.  (10)

При введении еще одной переменной - скорости ветра V на высоте флюгера (13 м) - получено следующее уравнение регрессии:

Q0-200 = 8,73q 0-2 + 5,82Vфл - 47,6. (11)

Коэффициент корреляции при этом составил 0,85.

На рис. 10 приведены осредненные кривые твердого расхода метелей. При этом в слое 0Ц150 см переносится 92% от слоя 0Ц300 см, т.е. соблюдается следующее равенство:

q 0-150 = 0,92Q 0-300.  (12)

Рис. 10. Изменение по высоте Н (м) интенсивности метелевого переноса q

по данным метелемерных измерений автора по методике ЦПЗ

Приведенные данные хорошо показывают, что интенсивность метелевого переноса на высотах более 100 см постоянна, т.е. Q = const. Таким образом, как видно из уравнений (10), (11), в слое 0Ц2 см над поверхностью снега переносится до 11% всего переносимого объема в приземном двухметровом слое.

       На практике нами были предложены низкие снеговыдувающие сооружения (дюзы). Они были установлены по фронту на расстоянии около 200 м (рис. 11, а) для защиты здания Центральной районной больницы (ЦРБ) в г. Северо-Курильск, которая находилась в лавиноопасной зоне. Необходимо отметить, что на практике применялись снеговыдувающие панели высотой 3Ц4 м. Рассмотренные выше особенности метелевых явлений позволили автору существенно уменьшить высоту снеговыдувающих конструкций - до 1,5 м, а продуваемого проема - до 0,7 м, длина панелей составляла до 3 м (рис. 11, б).

Знание местных особенностей снеговетрового потока позволило уменьшить высоту снеговыдувающих сооружений. Зоны выдувания на подветренном склоне составляли (10Ц15)Н, что, учитывая высоту сооружений, соответствовало 15Ц23 м (Сучков В.Е., 1993). При дальнейшей доработке возможно их применение и в других районах.

Рис. 11, а,б. Низкие дюзы (выдувающие конструкции максимальной

высотой 1,5 м) в условиях о. Парамушир (пункт наблюдений №2),

февраль 1986 года (фото автора)

Расчетные данные вертикальных градиентов твердых осадков

и снегопереносов для наиболее изученных горных районов

Исходя из методики В.М. Котлякова (Котляков В.М., Пламм М.Я., 1965) и учитывая данные по суммарным осадкомерам, были рассчитаны значения твердых осадков для хр. Вернадского (о. Парамушир). На основании этих данных вычислен вертикальный градиент твердых осадков в зимние сезоны 1983Ц1989 гг., который изменялся от 212 мм/100 м до 303 мм/100 м. Средний вертикальный градиент твердых осадков составил 256 мм/100 м.

Для Набильского хребта Восточно-Сахалинских гор мы определяли градиенты твердых осадков на основе данных наблюдений на Чамгинском перевале по данным Сахалинского УГМС. Вертикальный градиент твердых осадков для Набильского хребта изменялся от 55 мм/100 м до 112 мм/100 м, средний градиент составил 76 мм/100 м. Расчетные вертикальные градиенты средних снегопереносов для названных районов составили 21103 кг/м/сезон /100м (хр. Набильский) и 107103кг/м/сезон/100м (хр. Вернадского).

На водоразделах (около 900 м над уровнем моря) значения снегопереносов составляют 188103 кг/м/сезон и 1050103 кг/м/сезон (хр. Вернадского), а на вершине вулкана Алаид могут достигать более 2000103 кг/м/сезон (рис. 12). Имеются данные, что до извержения в апреле 1981 года в кратере Алаида на высотных уровнях 1900Ц2100 м существовали навеянные ледники (отчет Смирнова И.Г., Рогатнева Г.Н. - СахГРЭ, 1971).

Рис. 12. Расчетные средние значения вертикальных градиентов снегопереносов для хр. Вернадского (о. Парамушир) и хр. Набильского (о.Сахалин, Восточно-Сахалинские горы)

Вертикальный градиент удельного баланса массы ледников, представляющий собой сумму градиентов годового прироста и убыли льда называется энергией оледенения. Нами получена величина энергии оледенения на ледниках о. Парамушир, которая была в пределах 20Ц23 мм/м (Сучков В.Е., 1999). Эта величина сопоставима с данными ледников внешних хребтов Аляски (Гляциологический словарь под ред. В.М. Котлякова, 1984). Индикаторами этих процессов являются 13 малых ледников, которые существуют в диапазоне высот 500Ц900 м, снабжаются снегом с таких снегосборных бассейнов площандью около 25 км2 (помимо тихоокеанского снега на них поступает и снег с охотских склонов). Таким образом, когда площади снегосборных бассейнов превышают 20 км2, орографическая снеговая линия снижается по сравнению с климатической примерно на 200 м. На о. Сахалин существуют условия для образования снежников-перелетков метелевого и лавинного происхождения при отложении лавинного снега (не ниже 650 м над уровнем моря) при модуле лавинного сноса не менее (60Ц70)103 кг/км2/сезон (Сучков В.Е., 2010).

Заключение

1. Территория Сахалина и Курильских островов отличается очень высокой интенсивностью метелевого переноса и лавинной активностью на побережьях и в горах. Доля территории Сахалинской области, подверженной воздействию лавин составляет около 70%.

2. Проведены комплексные измерения и подсчет величин метелевого переноса по различным методикам. Предложен новый метод расчета суммарных снегопереносов с учетом коэффициентов насыщенности метелей, который приведен в соответствие с данными по натурным метелемерным измерениям на двух станциях (в Северо-Курильске и Невельске). По остальным районам на побережьях данные снегопереносов получены по расчетным характеристикам (кубической зависимости от скорости ветра), по данным пунктов стандартной информации (ГМС) с учетом полученных поправочных коэффициентов насыщенности метелей.

3. На побережьях Сахалина по данным натурных наблюдений и расчетных данных суммарный снегоперенос составил (10Ц50)103кг/м за сезон, а на о. Парамушир снегоперенос примерно на порядок выше. Индикаторами этих процессов являются снежные аккумулятивные формы. На побережьях это снежные 2Ц4-метровые надувы (ветровые, твердые доски) и 3Ц15-метровые снежные карнизы и надувы. В горах на Северных Курилах - это навеянные ледники и снежники, а на Сахалине - снежники-перелетки.

4. На основе анализа массива данных, собранного в работе, на побережьях и в горных районах были получены следующие результаты:

а) выполнено зонирование и построены мелкомасштабные карты метелевой и лавинной активности с учетом освоения территории Сахалинской области;

б) выделены ранги лавинных природных комплексов Сахалина и Курил с учетом географической зональности (ландшафтные области - районы) и с учетом высотной поясности (ПЛК низкогорья, среднегорья и высокогорья);

в) на территории Сахалина и Курильских островов основные пункты наблюдений расположены в населенных пунктах на низких гипсометрических уровнях; рассчитаны вертикальные градиенты твердых осадков и снегопереносов для наиболее изученных горных районов - Набильского хребта (на Сахалине) и хр. Вернадского (на Парамушире);

г) рассчитан удельный баланс массы ледников Парамушира, представляющий собой сумму градиентов годового прироста и убыли льда (энергия оледенения), которые сопоставимы с данными ледников внешних хребтов Аляски.

5. Сделана оценка рисков лавинной и метелевой опасности по 1530 объектам в населенных пунктах и на участках железных и автомобильных дорог, где подвергаются риску лавинной и метелевой опасности около 7500 человек, суммарный ущерб от лавин и метелей может составить около 160 млн руб.
6. Разработан и внедрен метод прогноза наступления периодов лавинной опасности по данным снегопереносов и по видимости в метелевых районах.
7. Предложены инженерные решения для защиты народнохозяйственных объектов. Сделана заявка на патент по модернизации инженерных сооружений с учетом полученных новых данных с учетом региональных особенностей метелевого переноса. Это позволило нам уменьшить высоту снеговыдувающих сооружений. При дальнейшей доработке возможно их применение и в других районах.
8. Показано, что по генезису 80% составляют метелевые лавины из свежевыпавшего снега (лавины кратковременного развития), 20% - лавины из мокрого снега и смешанного генезиса (лавины долговременного действия). Основной триггерный механизм (лспусковой крючок) обрушения снежных лавин на Сахалине и Курилах разделяется на три основных типа:

а) Механизмом обрушения надувов (ветровых мягких и твердых досок) является аккумуляция метелевого снега в лавинных очагах, которая выступает в качестве спускового механизма, приводящего к реализации неустойчивости снега на склонах в виде лавин кратковременного развития. Эти лавины сходят по слоям со слабой упаковкой метелевого снега, их сход подготовлен сочетанием других внешних и внутренних факторов.

в) Механизм обрушения лавин смешанного генезиса определяется особенностями метаморфизма таяния-замерзания. Обрушение таких лавин может происходить благодаря ведущему фактору - избытку влаги, которая способствует ослаблению связей между кристаллами в сочетании с другими переменными факторами лавинообразования: температурным сокращением, приростом снега на склонах и выпадением жидких осадков, наличием ослабленных слоев и прослоек, многочисленных ледяных корок и др.

г) Механизм обрушения гигантских монолитных нависающих карнизов - это обвальный процесс обрушения гигантских балок (снежных карнизов) по линии максимальных напряжений, иногда со стесыванием подложки склона. При этом, если линия отрыва карниза близка к отвесу, начальным импульсом обрушения являлись чистые моменты сил и перерезывающая сила. Если положение линии отрыва близко к нормали (перпендикулярно слоям отложенного снега), то начальным импульсом обрушения являлось разрушение упругого основания (чаще всего - старые слои пазухи карниза).

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Ковалев П.В. Современное оледенение о. Парамушир (Курильские острова)/ П.В. Ковалев, В.Е. Сучков// МГИ. - М., 1988. - Вып. 62. - С. 126Ц129.
2. Сучков В.Е. Использование экономичных выдувающих сооружений в условиях Сахалина и Курил/ В.Е. Сучков// МГИ. - М., 1993. - Вып. 77. - С. 195Ц198.
3. Самойлюк В.И. Лавинная опасность на юге Сахалина/ В.И. Самойлюк, О.В. Самойлюк, В.Е. Сучков// МГИ. - М., 1993. - Вып. 77. - С. 162Ц165.
4. Сучков В.Е. Энергия оледенения ледников о. Парамушир (Курильские острова)/ В.Е. Сучков// МГИ. - М., 1999. - Вып. 87. - С. 196Ц201.
5. Сучков В.Е. Метелевый режим Сахалина и его роль в лавинообразовании/ В.Е. Сучков// Лед и снег. - М., 2010. - №4 (112) - С. 53Ц61.

В прочих изданиях:

6. Сучков В.Е. Лавинообразующий рельеф Северных Курильских островов/ В.Е. Сучков// Труды гидрометцентра Сахалингидромета. - Южно-Сахалинск, 1988. - С. 112Ц123.
7. Сучков В.Е. Особенности снежного покрова Северных Курил и оценка твердых осадков, снегопереноса, продолжительности метелей в различных высотных поясах/ В.Е. Сучков, Л.С. Шульженко// Труды ВГИ - М., 1990. - Вып. 82. - С. 23Ц32.
8. Сучков В.Е. О влиянии вулканического пепла на формирование лавиноопасных слоев в условиях о. Парамушир (Курильские острова)/ В.Е. Сучков// Труды ВГИ. - М., 1990. - Вып. 82. - С. 12Ц24.
9. Сучков В.Е. Некоторые особенности лавиноопасных периодов и карнизных лавин Северных Курил/ В.Е. Сучков// Природные катастрофы и стихийные бедствия в Дальневосточном регионе.Ц Владивосток, 1990. - Т. 2. - С. 381Ц393.
10. Сучков В.Е. Линия отрыва снежного карниза, как индикатор механизма его обрушения/ В.Е. Сучков, В.А. Бельский// Вестник Харьковского университета. - Харьков, 1994. - Вып. 380. - С. 84Ц92.
11. Оценка экономического ущерба от потенциальной лавинной опасности на территории Сахалинской области/ В.Е. Сучков, А.В. Иванов, Э. Като, С. Ким// Изучение природных катастроф на Сахалине и Курильских островах. - Южно-Сахалинск, 2006. - С. 215Ц218.
12. Карта лавинной опасности с учетом освоения территории Сахалина и Курильских островов/ В.Е. Сучков, А.В. Иванов, Э. Като, С. Ким //Вестник Сахалинского музея. - Южно-Сахалинск, 2006. - №13. - С. 283Ц290.
13. Лавинный режим Курильских островов/ В.Е. Сучков, В.А. Рядов, М.В. Кондратьев, В.Ф. Козарь// Вестник Сахалинского музея. - Южно-Сахалинск, 2006. - №13. - С. 291Ц305.
14. Характеристика ущерба от лавин Сахалина и Курильских островов за последние 60 лет и меры, предпринимаемые для его уменьшения/ В.Е. Сучков, А.В. Иванов, Э. Като, С. Ким// Изучение природных катастроф на Сахалине. - Южно-Сахалинск, 2007. - С. 215Ц218.
15. Сучков В.Е. Влияние снежных лавин и селевых потоков на содержание автомобильных дорог Сахалина/ В.Е. Сучков// Дороги. - Уфа, 2007. - №4. - С. 34Ц35.
16. Сучков В.Е. Метелевый перенос на юге Сахалина и его влияние на лавинный режим/ В.Е. Сучков// Вестник Сахалинского музея. - Южно-Сахалинск, 2008. - №15. - С. 259Ц265.
17. Сучков В.Е. Опыт обследований и обрушений снежных карнизов в условиях Сахалина и Курильских островов при помощи экспертной системы/ В.Е. Сучков// Вестник Сахалинского музея - Южно-Сахалинск, 2008. - №15. - С. 266Ц272.
18. Сучков В.Е. Мероприятия по уменьшению рисков лавинной и селевой опасности на Сахалине и Курильских островах/ В.Е. Сучков// Проблемы снижения природных опасностей и рисков: материалы Международной научно-практической конференции ГЕОРИСК - 2009. - М.: Изд-во РУДН, 2009. - Т. 2. - С. 281Ц288.
19. Сучков В.Е. Особенности лыжных путешествий по лавинному Царству Сахалина/ В.Е. Сучков// Вестник Сахалинского музея - Южно-Сахалинск, 2009. - №16. - С. 414Ц420.
20. Сучков В.Е. Влияние интенсивности прироста снегоотложений метелевого снега на образование слоев разрыхления и лавин в условиях побережий Сахалина и Курильских островов/ В.Е. Сучков, А.А. Медведев, К.А. Фендрикова// Природные катастрофы: изучение, мониторинг, прогноз. - Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2010. - С. 70Ц73.
21. Suchkov V.E. Train derailed by an avalanche, Sakhalin Island, Russia, 31 Dec. 2009. SEPPYO/ V.E. Suchkov, E.A. Podolskiy// Journal of the Japanese Society of Snow and Ice (submitted 11 Jan. 2010). - Vol. 72, No. 3 May 2010, p. 5Ц7.

  Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по земле