Гулзода З.А., Мирошниченко Д. И.
ФГБВОУ ВО «Академия гражданской защиты МЧС России»
Аннотация: В статье представлена методика прогнозирования движения и трансформации селевого потока в Горно‑Бадахшанской автономной области Республики Таджикистан. Рассмотрены ключевые характеристики селя.
Приведены расчётные формулы для оценки параметров селевого потока при прорыве моренных озёр и дождевых паводках с учётом региональных условий. Выполнен практический расчёт для гипотетического прорыва моренного озера в районе Рушана с определением расхода, объёма, скорости, дальности продвижения и давления на сооружения. Полученные результаты позволяют оценить селевую опасность и могут быть использованы для проектирования защитных сооружений.
Ключевые слова: Горно‑Бадахшанская автономная область, селевые потоки, прогнозирование, моренные озёра, дальность продвижения.
ANALYSIS OF THE RISKS OF NATURAL EMERGENCIES IN THE MOUNTAINS OF THE REPUBLIC OF TAJIKISTAN
Abstract: This article presents a methodology for forecasting the movement and transformation of mudflows in the Gorno-Badakhshan Autonomous Region of the Republic of Tajikistan. The main characteristics of mudflows are examined. Calculation formulas are provided for estimating mudflow parameters during sea lake outbursts and rain floods, taking into account regional conditions. A practical calculation is performed for a hypothetical sea lake outburst near Rushan, determining the discharge, volume, velocity, distance of movement, and pressure on the ground. The results obtained allow us to assess the mudflow hazard and can be used to design protective structures.
Key words: Gorno-Badakhshan Autonomous Region, mudflows, forecasting, moraine lakes, distance of advance.
Горно‑Бадахшанская автономная область (далее – ГБАО) Республики Таджикистан — территория с высокой природной опасностью, где особую угрозу представляют селевые потоки, возникающие в результате интенсивных осадков, таяния ледников или сейсмических толчков, прорыва моренных озёр. ГБАО входит в число регионов с наиболее высокой селевой опасностью в глобальном масштабе. Сочетание сложного высокогорного рельефа, обширного оледенения и повышенной сейсмической активности формирует предпосылки для накопления моренных озёр и последующего возникновения мощных селевых потоков, несущих серьёзную угрозу населению и инфраструктуре. За последние десятилетия в ГБАО фиксируется заметное учащение экстремальных гидрологических явлений. Ключевой причиной этого выступает ускоренное сокращение ледников, обусловленное изменениями климата. Следствием становится рост числа прорывов моренных озёр: объёмы воды в приледниковых водоёмах увеличиваются, что повышает вероятность гляциальных катастроф с каскадным развитием событий. Особую опасность в регионе представляют моренные озёра — водоёмы, сформированные в результате подпруживания водных масс моренами, то есть скоплениями ледниковых отложений. В условиях ГБАО они характеризуются рядом особенностей, существенно повышающих риск прорыва. Уникальное сочетание высокогорного рельефа, активного оледенения и климатических изменений создаёт условия для формирования и прорыва таких водоёмов, что приводит к катастрофическим последствиям для населения и инфраструктуры региона [1, 2].
Кроме того, имеет место и рост частоты и интенсивности возникновения разрушительных гидрологических явлений. Основными факторами оказывающими влияние на данные процессы являются:
-низкий уровень устойчивости гидротехнических сооружений (плотин). Моренные дамбы обычно оборудованы рыхлыми, неоднородными слоями, что делает их недостаточно устойчивыми к размыву под действием гидростатического давления или внешнего воздействия (ливней, землетрясений, обвалов и т.д.);
-динамичное наполнение. Интенсивное таяние ледников и обильные осадки приводят к быстрому росту уровня воды в озёрах, создавая зачастую запредельную нагрузку на имеющиеся гидротехнические сооружения (плотины);
-значительная высотная отметка. Большинство моренных озёр ГБАО расположено на высотах 3000-4500 м. над уровнем моря. Это создает достаточно большой запас потенциальной энергии: при прорыве поток может стремительно набирать скорость и приобретать высокую разрушительную силу;
-территориальная близость к населённым пунктам. Значительная уязвимость населённых пунктов. Большинство поселений ГБАО расположено в долинах рек и на конусах выноса — в зонах потенциального воздействия селей;
-геоморфологические особенности региона. Крутые склоны с уклонами до 25–35° и обилие рыхлообломочного материала могут способствовать созданию благоприятных условий для возникновения селей. Узкие места долин значительно способствуют концентрации селевого потока и увеличению его разрушительной энергии;
-климатические особенности региона. Сезонное усиление осадков в виде интенсивных ливней, а также ускоренное таяние снега и ледников резко повышают водность водотоков, интенсивно инициируя возникновение селей;
-тектонические особенности региона. Высокая сейсмичность региона способствует возникновению обвалов и оползней, которые могут оказывать как прямое влияние на возникновение селевых потоков, так и приводить к разрушению моренных плотин.
Следует также отметить, что территория ГБАО имеет свои особенности связанные с расположением инфраструктуры. Большая часть населённых пунктов расположена в речных долинах. Через эти же долины проходят ключевые транспортные и энергетические коммуникации региона: автомобильные дороги, мосты, линии электропередачи и т.д. Вследствие чего, сход селевого потока способен привести к масштабным разрушениям — от повреждения жилых домов и сельскохозяйственных угодий до полного выхода из строя объектов энергетики и связи [1,2].
При этом труднодоступность значительной части территории ГБАО может зачастую затруднять организацию проведения мониторинга складывающейся обстановки и осложнять оперативное реагирование на чрезвычайные ситуации.
Необходимо подчеркнуть, что существующие методики прогнозирования селевых потоков не в полной мере учитывают специфику ГБАО. Применение данных методик может быть затрудненно спецификой местного рельефа, и другими особенностями региона.
Имеющиеся модели требуют существенной доработки: они должны учитывать региональные гидрометеорологические условия и трансформацию селевого потока на разных участках пути — от горной долины до конуса выноса.
Таким образом, актуальной задачей становится разработка методики прогнозирования движения и трансформации селевого потока при прорыве моренного озера в условиях ГБАО Республики Таджикистан.
Данный подход должен основываться на проведении комплексного анализа характеристики местности и учета основных факторов, оказывающих влияние на формирование и развитие селевых процессов [4].
Цель работы — разработать и обосновать методику прогнозирования процесса движения и трансформации селевого потока, формирующегося при прорыве моренного озера на территории ГБАО.
К основным характеристикам процесса движения и трансформации селевого потока относятся: максимальный расход Qс объем выносов Wс скорость селевого потока Vс и дальность продвижения селевого потока Lс [3].
К основным характеристикам процесса движения и трансформации селевого потока относятся: максимальный расход Qc, объем выносов Wc, скорость селевого потока Vc и дальность продвижения селевого потока Lc.
На Рисунке 1 представлена расчётная схема прорывной сели.
|
1 - ледник; 2 - озеро; 3 - уровень воды к началу прогноза; 4 - расчетный прорывной уровень; L - кратчайшее расстояние по горизонтали между основными перемычками и границей поверхности воды в озере; Hпл - высота плотины (ледника); Hпр - глубина озера в момент прорыва; Н - глубина озера на момент прогнозирования; DH = Нпр - Н |
|
|
Рисунок 1 — Расчётная схема прорывной сели
Для определения максимального расхода селевого потока можно воспользоваться следующей зависимостью
Qc = (1+0,1× l×sin2 a)× Qn, м3/c, (1)
Где l - длина селевого очага, м;
a - уклон селевого очага, град;
Qn - максимальный расход селеобразующего паводка, м3/c, который определяется
Qn = к×S×Нпл3/2×t / L, (2)
Где S - площадь водной поверхности озера на уровне 80% высоты плотины, м2;
t - температура воды в озере , ° С;
k - коэффициент равный 6,25×10-3 м1/2/(с×градус).
Объем селевого потока рассчитывается по формуле
Wc= (1+0,12× l×sin2 a)× Wn, м3, (3)
Где Wn - объем водного паводка, который определяется:
|
для озера, подпруженного ледником |
Wn л = 0,2×S×Нпл, (4) |
|
для завального озера |
Wn з= 0,25× Sm ×Нпл, (5) |
|
для моренного западинного озера |
Wn мз = 5,5×10-2× Sm 3/2, (6) |
|
для моренного термокарстового озера |
Wn мт = 0,1× Sm 3/2. (7) |
Где Sm - площадь водной поверхности озера при максимальном заполнении, м2.
Скорость продвижения селевого потока можно определить по формуле
Vc = 11,4 × ,м/с, (8)
Где Uo - относительная гидравлическая крупность вовлекаемых в поток каменных материалов; Uo = 0,7-1,0;
a - средний угол наклона селевого русла, град;
h - средняя глубина потока, м.
Для оперативной оценки величины h обычно принимают: для маломощного потока 1-1,5 м, среднемощного - 2-3 м; мощного потока 3-5 м.
Дальность продвижения селей определяется в два этапа.
На первом этапе рассчитывается дальность продвижения селевого потока в долине реки
L1 = 12,1Wci / (dB) , м, (9)
Где i - средний уклон долины;
d - средний диаметр анкирующих обломков, принимаемый: для селевых врезов 0,5-0,8 м, для рытвин 0,3-0,4 м, и для очагов рассредоточенного селеобразования 0,1-0,2 м;
В - среднее расстояние между селевыми береговыми валами.
На втором этапе рассчитывается дальность продвижения селевого потока на конусе выноса, при условии, что L1 > LD
L2 = , м, (10)
Где ik - средний уклон конуса выноса;
LD - расстояние от конца селевого потока (очага) до вершины конуса выноса, м,
при условии L1 > LD , то Lc = L1 ;
L1 < LD , то Lc = LD + L2 (11)
Где Lc - дальность продвижения селя, м.
Сель от дождевого паводка.
Величина максимального расхода дождевого паводка в зависимости от высоты слоя заданной обеспеченности рассчитывается по формуле
Qd = kc ×H1 ×l×F , м3/с, (11) [3].
Где kc - коэффициент дождевого стока, определяемый по таблице 1.
Таблица 1 — Коэффициенты дождевого стока и переходные коэффициенты
для районов ГБАО
|
Район ГБАО |
Тип поверхности/ ландшафт |
Коэффициент дождевого стока |
Переходный коэффициент φ |
Примечания |
|
Хорог |
Городские застройки (асфальт, крыши) |
0,80–0,95 |
1,00 |
Высокая застройка, минимальные потери на инфильтрацию |
|
Хорог |
Парковые зоны, газоны |
0,10–0,25 |
0,75 |
Высокая инфильтрация, низкая поверхностная эрозия |
|
Ванч |
Горные склоны (каменистые) |
0,40–0,60 |
0,85 |
Средняя инфильтрация; риск селевых потоков при сильных дождях |
|
Ванч |
Лесистые участки |
0,15–0,30 |
0,65 |
Значительная задержка осадков кронами деревьев, высокая инфильтрация |
|
Рушан |
Склоны с травянистой растительностью |
0,30–0,50 |
0,80 |
Умеренная инфильтрация; сток усиливается в период таяния снега |
|
Рушан |
Осыпные склоны |
0,50–0,70 |
0,90 |
Низкая инфильтрация, высокая поверхностная эрозия, риск селей |
|
Шугнан |
Высокогорные луга (3000–4000 м) |
0,20–0,40 |
0,70 |
Замедленный сток из‑за низкой температуры, частичного замерзания |
|
Шугнан |
Ледниковые морены, осыпи |
0,60–0,80 |
0,95 |
Очень низкая инфильтрация; высокая скорость стока, риск гляциальных селей |
|
Мургаб |
Полупустынные равнины |
0,10–0,20 |
0,50 |
Низкая интенсивность осадков, высокая испаряемость, редкие паводки |
|
Мургаб |
Каменистые склоны |
0,35–0,55 |
0,80 |
Умеренный сток; возможны кратковременные ливневые паводки |
Пояснения к таблице 1.
Коэффициент дождевого стока (φ):
Показывает долю осадков, которая превращается в поверхностный сток
(не впитывается в почву).
Диапазон: от (вся вода впитывается) до (вся вода стекает).
Зависит от типа поверхности, уклона, влажности почвы, интенсивности дождя.
Переходный коэффициент (Kп):
Учитывает региональные особенности формирования стока:
рельеф (крутизна склонов);
геологическое строение (проницаемость пород);
климатические условия (температура, испарение);
антропогенное воздействие (застройка).
Используется для корректировки расчётных формул при прогнозировании
паводков и селей.
Особенности для ГБАО:
Высотная поясность: с увеличением высоты уменьшается из‑за
снижения температуры и увеличения доли твёрдых осадков.
Селевые процессы: в районах с осыпями и моренами (φ=0,6-0,8)
риск селей резко возрастает при интенсивных осадках или таянии ледников.
Городские территории: в Хороге и других населённых пунктах имеются высокие здания требует развитой ливневой канализации.
φ - переходный коэффициент от слоёв дождевого стока 1%- обеспеченности к слоям стока другой вероятности;
F – площадь водосбора, км2
Н1 – максимальный суточный слой осадков 1%-ой обеспеченности, определяемой по данным ближайшей метеостанции. [2].
Максимальный поток от дождевого паводка определяется:
Qсd= (1+0,1‧1‧ sin2 a) ‧ Qd, м3/с (12)
Остальные показатели определяются по вышеуказанным зависимостям.
Расчётное давление селевого потока на плоскую преграду ив зависимости от скорости и глубины определяется суммированием гидростатистических и динамических давлений.
Гидростатистическое (статистическое) давление селя на сооружение не зависит от его формы и ориентации и определяется только плотностью и глубиной селевого потока.
Гидростатистическое (статистическое) давление по глубине потока распределяется линейно увеличиваясь с глубиной. Поэтому при расчётах целесообразно пользоваться среднестатистическим давлением на половинной глубине селя
Рс.ср =0,5g ‧ j ‧ h (11)
Где Рс.ср – среднестатистическое давление селевого потока на сооружение
j – плотность потока, кг/м3
g – ускорение свободного падения, 9,8 м/с
h – глубина селевого потока
Пример расчёта характеристик селевого потока при прорыве моренного озера в ГБАО. Исходные данные для расчёта (пример для моренного западинного озера в районе Рушана, ГБАО):
длина селевого очага l=1500 м;
уклон селевого очага α=250;
площадь водной поверхности озера на уровне 80 % высоты плотины S=30000 м2;
температура воды в озере t=50 C;
коэффициент k=6,25⋅10 −3 м 1/2 /(с · град);
средний диаметр анкирующих обломков d=0,5 м (для селевых врезов);
среднее расстояние между селевыми береговыми валами B=50 м;
средний уклон долины i=0,12 (12 %);
средний уклон конуса выноса i k =0,08 (8 %);
расстояние от конца селевого потока до вершины конуса выноса LD =1000 м;
относительная гидравлическая крупность u 0 =0,8;
средняя глубина потока h=2,5 м (среднемощный поток);
плотность потока j=1800 кг/м3
Расчёт максимального расхода селеобразующего паводка (Qn).
Используем формулу (2):
Qn =k⋅S⋅Hпл ⋅t/L
Для примера примем:
Hпл =15 м (высота плотины);
L=2000 м (длина водотока).
Подставляем значения:
Qn=6,25⋅10−3⋅30000⋅15⋅5/2000=7,03 м3/с.
Расчёт максимального расхода селевого потока (Qc).
Формула (1):
Qc =(1+0,1⋅l⋅sin2 α)⋅Qn
Вычисляем:
sin 25∘ ≈ 0,4226;
sin 2 25∘ ≈0,1786;
0,1⋅1500⋅0,1786=26,79;
1+26,79=27,79.
Тогда:
Qc =27,79⋅7,03≈195,4 м3/с
Расчёт объёма водного паводка (Wn ) для моренного западинного озера.
Формула (5):
Wnмз= 5,5⋅10 −2 ⋅S 3/2
Вычисляем:
S 3/2 =(30000) 1,5 ≈5196000;
Wnмз =0,055⋅5196000≈285780 м3.
Расчёт объёма селевого потока (Wc).
Формула (3):
Wc =(1+0,12⋅l⋅sin2 α)⋅Wn
Вычисляем:
0,12⋅1500⋅0,1786≈32,15;
1+32,15=33,15.
Тогда:
Wc=33,15⋅285780 ≈ 9473607 м3.
Расчёт скорости селевого потока (Uc).
Формула (6):
Uc =11,4⋅ √h ⋅
Вычисляем
≈ 1,581;
u0 ⋅ sin250 = 0,8 ⋅ 0,4226 ≈ 0,338;
≈ 0,696;
Uc = 11,4 ⋅1,581⋅0,696 ≈ 12,56 м/с.
Расчёт дальности продвижения в долине реки (L1).
Формула (7):
L1 =12,1⋅Wc ⋅i/(d⋅B)
Подставляем:
L1=12,1⋅ 9473607⋅ 0,12/(0,5⋅50) ≈ 55084 м.
Расчёт дальности на конусе выноса (L2).
Проверяем условие: L1>LD ?
55084>1000 — неверно, значит, Lc =LD+L2
Но для полноты расчёта найдём L2
по формуле (8):
L2= 36,6⋅(Wc −d⋅B⋅LD)⋅i k ⋅LD
Вычисляем:
d⋅B⋅LD = 0,5 ⋅ 50 ⋅ 1000 = 25000 м3 ;
Wc −25000=9473607−25000=9448607;
36,6 ⋅ 9448607 ⋅ 0,08 ⋅ 1000 ≈ 2768000000;
L2 = 2768000000 ≈ 52612 м.
Так как L1<LD, то:
Lc=LD+L2=1000+52,612 ≈ 1052,612 м
Расчёт давления селевого потока на сооружение.
Формула (11):
Pc.ср =0,5⋅g⋅j⋅h
Подставляем:
Pc.ср=0,5⋅g⋅j⋅h=0,5⋅9,8⋅1800⋅2,5=22050 Па=22,05 кПа.
Это среднестатистическое давление на половинной глубине потока. Для проектирования защитных сооружений важно также оценить максимальное давление у дна:
P макс =g⋅j⋅h=9,8⋅1800⋅2,5=44100 Па=44,1 кПа.
Динамическое давление (зависит от скорости потока):
Pдин= 0,5⋅j⋅Uc2 = 0,5⋅1800 ⋅ (12,56) 2 ≈0,5⋅1800⋅157,75≈141975 Па≈142 кПа.
Суммарное давление на сооружение:
Pсум = P макс +Pдин = 44,1+142=186,1 кПа.
Проверка условий для расчёта дальности продвижения
Ранее мы определили:
L1 = 55084 м; LD =1000 м.
Правильная интерпретация: если L1 <LD , то поток не достигает конуса выноса, и общая дальность равна Lc =L1 =55084 м.
Оценка мощности селя
По глубине потока (h=2,5 м) классифицируем сель как среднемощный (диапазон 2–3 м).
Характеристики:
расход: Qc ≈195,4 м3 /с;
объём: Wc ≈ 9473607 м3;
скорость: Uc ≈ 12,56 м/с;
дальность продвижения: Lc ≈ 55084 м;
давление на сооружения: до 186,1 кПа.
Итоговые результаты расчёта приведены в таблице 2.
Таблица 2 — Итоговые результаты расчёта
|
Параметр |
Значение |
Единицы измерения |
Пояснение |
|
Максимальный расход селевого потока (Qc) |
195,4 |
м3/с |
Определяет нагрузку на русла рек и сооружения |
|
Объём селевого потока (Wc) |
9 473 607 |
м3 |
Общий объём вовлечённого материала |
|
Скорость селевого потока (Uc) |
12,56 |
м/с |
Высокая скорость — признак опасности |
|
Глубина потока (h) |
2,5 |
м |
Среднемощный сель |
|
Дальность продвижения (Lc) |
55 084 |
м |
Ограничена рельефом (не достигает конуса выноса) |
|
Давление на сооружения (суммарное) |
186,1 |
кПа |
Критично для проектирования защитных сооружений |
|
Плотность потока (j) |
1 800 |
кг/м3 |
Смесь воды и обломочного материала |
Таким образом, разработанная и обоснованная методика прогнозирования процесса движения и трансформации селевого потока, формирующегося при прорыве моренного озера на территории ГБАО Республики Таджикистан позволит минимизировать ущерб для населения и территорий при возникновении чрезвычайных ситуаций вызванных селевыми потоками.
Литература
1. Журналы и статьи о Сарезском озере. Сарезские озеро: сто лет истории. 2021. 101 с.
2. Национальная стратегия управления рисками чрезвычайных ситуаций в Республике Таджикистан на период до 2030 года. – Душанбе, 2021. – 68 с. [Электронный ресурс] URL: https://docs.yandex.ru/docs/view?tm=1775641530&tld=ru&lang=ru&name=NSR-2030_russkij (дата обращения 02.04.2026).
3.«Оперативное прогнозирование инженерной обстановки в чрезвычайных ситуациях» под общей редакцией Шойгу С.К. книга 2. 178 с. – Текст непосредственный.
4. Хасанова М. А. «Селевая опасность в горах Таджикистана». Душанбе. 2019. 150 с.
