Результат интеллектуальной деятельности: Способ оценки единовременного максимально возможного объема твердых селевых выносов в селевое русло реки при сходе селя

Изобретение относится к области гидрометеорологии и может быть использовано при составлении карт селеопасных территорий и разработке различных противоселевых мероприятий для защиты тех или иных народно-хозяйственных объектов.

Селевые потоки являются одним из самых опасных и распространенных гидрологических явлений в районах создания современных горнолыжных курортов европейского класса. При выборе горных участков для освоения часто не учитывается возможность воздействия селевого потока на тот или иной проектируемый объект (населенный пункт, железную или автомобильную дорогу и др.), что порой бывает губительным не только для сооружений, но и для человека. Поэтому разработка различных противоселевых мероприятий должна осуществляться с учетом возможной селевой активности горных территорий.

Согласно [1] для инженерного проектирования различных противоселевых сооружений необходимо знать, как минимум, максимальный объем твердых селевых выносов в селевое русло, что является одним из основных характеристик селевой активности.

До настоящего времени единой методики по определению объема твердых селевых выносов в селевое русло не существует. Практически, все способы предполагают определение объема селевых выносов либо по гидрографу селя, либо по следам его прохождения путем замеров объемов отложений на всех участках аккумуляции селевых выносов методом изъятия шурфов и сопоставления полученных результатов с прямыми замерами в очагах селеформирования. Такие способы являются достаточно сложными и требующими больших финансовых затрат.

Известен способ определения объема твердых селевых выносов в селевое русло путем организации стационарных наблюдений и проведения замеров на территории селевого бассейна в течение длительного времени (100 лет) [2].

Известный способ имеет ряд недостатков. Во-первых, не всегда удается организовать стационарные наблюдения на территории селевого бассейна в течение длительного времени (100 лет). Во-вторых, селевые объемы определяются по конусам выноса. При этом не учитывается унесенная рекой грязекаменная масса. Не учитывается также высотная зональность расположения селевого бассейна, а также такие морфометрические его характеристики, как площадь водосбора, средний уклон и длина русла реки. В результате этого снижается точность и оперативность оценки твердых селевых выносов в селевое русло при сходе селя.

Известен также способ определения объема твердых селевых выносов в селевое русло по аэрофотоснимкам разных лет залета - до и после схода селя, который включает анализ снимков селевого русла с использованием метода дешифрования и определения на этой основе твердых селевых выносов по всему руслу селевого бассейна [3].

Недостатком данного способа является низкая достоверность результатов предварительного (камерального) дешифрования и истолкования изображений цветных фотоснимков. Особенно, если эти снимки являются снимками неизученных районов, где есть возможность спутать селевые отложения с лавинными отложениями.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ определения объема твердых селевых выносов в селевое русло при сходе селя путем определения высотной зональности расположения селевого бассейна и морфометрического параметра бассейна - его площади, с последующим определением величины максимально возможного объема твердых селевых выносов на всем участке селевого русла по эмпирическим зависимостям [4] прототип.

Недостатком известного способа является то, что он является достаточно трудоемким и может быть использован только для грубой оценки объемов твердых выносов для всего селевого русла и только применительно к дождевым селям. Для оценки селевых выносов на отдельных участках селевого русла, где планируется строительство различных народнохозяйственных объектов, способ вообще не пригоден ввиду ограниченности функциональных его возможностей. Кроме того, в известном способе не учитываются такие генетические типы возможных селепроявлений, как гляциальный и гляциально-дождевой, а также влияние на искомый результат таких важнейших параметров морфометрии селевого бассейна, как уклон и длина русла реки. В результате указанных недостатков существенно снижается точность и оперативность оценки максимально возможного объема твердых селевых выносов в селевое русло при сходе селя.

Техническим результатом от использования заявленного способа является расширение функциональных возможностей способа, снижение трудозатрат по его реализации, а также повышение точности и оперативности оценки максимально возможного объема селевых выносов как для всего селевого русла, так и для отдельных его участков.

Технический результат достигается тем, что в известном способе оценки максимально возможного объема твердых селевых выносов в селевое русло при сходе селя предварительно определяют абсолютную высоту истока реки в селевом бассейне (Н), затем, используя данные результаты, определяют высотную зональность расположения селевого бассейна (высокогорье, среднегорье, низкогорье) и морфометрические его характеристики: площадь водосбора (S), приведенную протяженность (L) и средний уклон (α) главного русла реки, затем, используя космические снимки или аэрофотосъемки, определяют наличие на территории селевого бассейна, ледников, ледниково-подпрудных или моренных озер, а также «мертвых льдов», после чего, в зависимости от высотной зональности расположения селевого бассейна, определяют генетический тип возможных селепроявлений (ледниковый, ледниково-дождевой, дождевой или снегодождевой), затем определяют средний уклон (ϕ) и длину выделенного участка селевого русла (l), после чего определяют величину единовременного максимально возможного объема твердых селевых выносов в главное русло реки (), а затем и на выделенный участок селевого русла (W) по формуле:

,

где - максимально возможный объем твердых селевых выносов в главное русло реки после схода селя, определенный с учетом высотной зональности расположения селевого бассейна, морфометрических его характеристик и генетического типа возможных селепроявлений, м³;

L - приведенная протяженность главного русла реки, км;

l - длина выделенного участка в селевом русле, км;

ϕ - средний уклон выделенного участка в селевом русле, в промилях;

α - средний уклон селевого русла, в промилях;

Технический результат достигается и тем, что величина единовременного максимально возможного объема твердых селевых выносов в главное русло реки () определяют:

- для высокогорья с абсолютной высотой истока, расположенного выше 2500 м н.у.м., с ледниковыми и ледниково-дождевыми генетическими типами селей, по формуле:

,

где b₁, с₁, d₁ - корреляционные коэффициенты, равные соответственно:

b₁=-14⋅10³, м³/км²; c₁=-127⋅10⁶, м³·⁰/00, d₁=359⋅10³, м³/км;

- для высокогорья с абсолютной высотой истока, расположенного выше 2500 м н.у.м. с ледниково-дождевыми и дождевыми генетическими типами селей по формуле

,

где c₂, d₂ - корреляционные коэффициенты, равные соответственно:

с₂=650, м³/⁰/00; d₂=21⋅10³, м³/км;

- для высокогорья с абсолютной высотой истока, расположенного выше 2500 м н.у.м., с дождевым и снегодождевым генетическими типами селей по формуле

,

где b₃, c₃, - корреляционные коэффициенты, равные соответственно:

b₃=3745, м³/км²; с₃=41, м³/⁰/00;

- для среднегорья с абсолютной высотой истока 2500-1500 м н.у.м., с дождевым и снегодождевым генетическими типами селей по формуле

,

где c₄, d₄ - корреляционные коэффициенты, равные соответственно:

с₄=156, м³/⁰/00; d₄=3960, м³/км;

- для низкогорья с абсолютной высотой истока ниже 1500 м н.у.м., с дождевым и снегодождевым генетическими типами селей по формуле

,

где c₅, d₅ - корреляционные коэффициенты, равные соответственно:

с₅=-22 м³/⁰/00; d₅=8309, м³/км.

Технический результат достигается также и тем, что приведенную протяженность русла реки (L) определяют путем суммирования протяженности основного русла реки с протяженностью всех его притоков второго порядка, км.

Технический результат достигается и тем, что высотную зональность расположения селевого бассейна определяют по следующим признакам:

- высокогорные селевые бассейны - это бассейны, у которых абсолютная высота истока (Н), находится выше 2500 м н.у.м.;

- среднегорные селевые бассейны - это селевые бассейны, у которых абсолютная высота истока (Н), находится на уровне от 2500 до 1500 м н.у.м.;

- низкогорные селевые бассейны - это селевые бассейны, у которых абсолютная высота истока (Н), находится на уровне ниже 1500 м.

Технический результат достигается также и тем, что генетический тип возможных селепроявлений определяют по следующим признакам:

- при наличии оледенения площадью более 2-х км² ледниково-подпрудных или моренных озер, морен, а также «мертвых льдов» селепроявление относят к ледниковому генетическому типу;

- при площади оледенения менее 2-х км² или его отсутствии, но при наличии моренного материала и «мертвых льдов» селепроявление относят к ледниково-дождевому генетическому типу;

- при отсутствии оледенения, ледниково-подпрудных или моренных озер, морен, «мертвых льдов» селепроявление относят к дождевому или снегодождевому генетическому типу.

Для вывода приведенных расчетных зависимостей была создана специальная база данных комплексных наблюдений за сходом селей и условиями их формирования на территории Северного Кавказа. Ее основой стали данные о селепроявлениях, собранные в течение 62 лет с 1950 до 2012 года. Всего было рассмотрено 520 селевых бассейнов, около 600 случаев схода селей. В результате с помощью методов математической статистики и корреляционного анализа были получены расчетные эмпирические зависимости, учитывающие морфометрию и генетический тип селевых бассейнов, а также высотную зональность, т.е. их расположения над уровнем моря.

Учет указанных параметров позволяет существенно повысить точность и оперативность оценки максимально возможного объема селевых выносов не только по всей длине русла, но и на различных его участках при сходе селя.

На фиг. 1 показано схематично селевое русло в плане, на фиг. 2 - космический снимок селевого русла реки Геналдон (Республика Северная Осетия-Алания).

На фиг. 1 и фиг. 2 приняты следующие обозначения:

1 - селевой бассейн в плане; 2 - главное русло реки; 3 - основные притоки реки (притоки второго порядка); 4 - участок селевого русла; 5 - исток реки; 6 - устье реки; 7 - ледник; 8 – ледниково-подпрудное озеро; 9 - моренное озеро; 10 - мертвые льды; Н₁ - абсолютная высота истока реки; h₁ - абсолютная высота устья реки; Н₂ - абсолютная высота верхней границы участка русла реки; h₁ - абсолютная высота нижней границы участка русла реки.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом:

Предварительно по космическим снимкам или аэрофотосъемкам (снимок схематично представлен на фиг. 1) определяют границы селевого бассейна 1. Затем выделяют главное русло реки 2 с его основными притоками 3, а также участок 4, где планируется строительство объектов, для которого, как и для всего русла 2, требуется оценить единовременный максимально возможный объем твердых селевых выносов при сходе селя. После этого определяют абсолютную высоту (H₁) истока реки 5 и по его значению определяют высотную зональность расположения селевого бассейна (высокогорье, среднегорье, низкогорье). Затем определяют морфометрические характеристики селевого бассейна: площадь водосбора (S), приведенную протяженность (L) селевого русла реки 2 от истока 5 до его устья 6, а также средний его уклон (α). Величину (L) определяют суммированием протяженности главного русла реки 2 с протяженностью всех его притоков 3 второго порядка. После этого, используя космические снимки или аэрофотосъемки, определяют наличие на территории селевого бассейна 1 ледников 7, ледниково-подпрудных 8, или моренных озер 9, а также «мертвых льдов» 10, и в зависимости от высотной зональности расположения селевого бассейна 1 и наличия или отсутствия в нем ледников 7, ледниково-подпрудных 8, или моренных озер 9, а также «мертвых льдов» 10 определяют генетический тип возможных селепроявлений (ледниковый, ледниково-дождевой, дождевой или снегодождевой). Затем по картографическому материалу определяют средний уклон (ϕ) и длину (l) выделенного участка селевого русла 4. После чего определяют величину единовременного максимально возможного объема твердых селевых выносов () в главное русло реки 2, а затем и на выделенный участок селевого русла 4 (W) по формуле:

.

Средний уклон главного русла реки (α) и средний уклон выделенного участка русла 4 (ϕ) определяют по формулам

; ,

где (H₁-h₁) - перепад высот для главного русла реки.

H₁ - абсолютня высота истока реки,

h₁ - абсолютная высота устья реки.

l - протяженность выделенного участка селевого русла (А-В).

(Н₂-h₂) - перепад уровней высот начала и конца выделенного участка.

Н₂ - абсолютная высота верхней границы участка 4.

h₂ - абсолютная высота нижней границы участка 4.

Приведенные параметры легко определяются по картографическому материалу с помощью ГИС программы.

Величина , в зависимости от морфометрических характеристик селевого бассейна и генетического типа возможных селепроявлений, определяется по соответствующим, приведенным выше расчетным формулам.

Пример выполнения способа.

В качестве примера рассмотрим селевой бассейн реки Геналдон, расположенный в республике Северная Осетия-Алания, представленный на фиг. 2. Селевой бассейн размещен на уровне высот 3400 - 1140 м. Требуется оценить единовременный максимально возможный объем твердых селевых выносов после схода селя в главное русло реки и на отдельный его участок 4 селевого русла, ограниченный высотами 1840-1680 м.

Определяем объем твердых селевых выносов в главное русло реки после схода селя. Для этого сначала по космоснимку селевого бассейна (фиг. 2) определяем генезис возможного селепроявления. Поскольку на снимке определяется наличие площади оледенения более 2 км², то это свидетельствует о том, что здесь возможны сели ледникового, ледниководождевого генетического типов. Затем с помощью ГИС программы по картографическому материалу определяем морфометрию селевого бассейна: площадь бассейна (S=73,2 км²) и длину основного русла реки с притоками 3 второго порядка (L=25,3 км).

После этого определяем средний уклон основного русла реки (α):

.

Далее определяем максимально возможный объем твердых селевых выносов в главное русло реки после схода селя по формуле:

Затем определяем объем твердых селевых выносов на выделенный участок 4 селевого русла реки 2. Для этого с помощью ГИС программы по картографическому материалу определяем длину выделенного участка селевого русла (l=2,5 км) и средний уклон (ϕ) русла реки на данном участке по формуле

.

После этого определяем величину возможного максимального объема твердых селевых выносов на выделенном участке селевого русла:

.

По данным экспертной оценки [5] объем твердых отложений самого разрушительного селевого потока в долине реки Геналдон, происшедшего 20 сентября 2002 года, составил 7500000 м³. Разница между расчетным значением, определенным предлагаемым способом и данными экспертной оценки, составляет менее 12%, что является достаточно хорошим результатом.

Используя полученные результаты можно грамотно спланировать строительство различных объектов вдоль русла, а также обеспечить инженерную защиту территорий и сооружений от опасных геологических процессов.

Таким образом, предложенный способ позволяет существенно снизить трудозатраты на ее реализацию и повысить оперативность и точность оценки объема твердых селевых выносов как по всему селевому руслу, так и на отдельных его участках, где не ведутся стационарные наблюдения за сходом селей и не определяются объемы и даты их схода.

Литература

1. СНИП 2.01.15-90. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основание положения проектирования. М.: 1997, 32 с.

2. Флейшман С.М. Сели. - Л.: Гидрометеоиздат, 1978 - 312 с.). Полученный результат используется для оценки селевой активности селевых бассейнов.

3. Садов А.В. Аэрометоды изучения селей / А.В. Садов. - М.: Недра, 1972. - 124 с.

4. Соколовский Д.Л. Связь стока с осадками в различных географических условиях. Метеорология и гидрология, №6, 1936.

5. Черноморец С.С. Селевые очаги до и после катастроф / С.С. Черноморец. - М.: Научный мир, 2005. - 184 с.