Введение.
Типовой перечень опасных природных явлений учитывает рекомендации Всемирной метеорологической организации и включает пять групп опасных природных явлений: метеорологические, агрометеорологические, гидрологические, морские гидрометеорологические, гелиогеофизические. В речных бассейнах может наблюдаться девять видов опасных гидрологических явлений: заторы, зажоры, половодья, паводки, очень большие расходы воды (повторяемостью менее 10%), очень малые расходы воды (повторяемостью менее 10%), сели, низкая межень, раннее ледообразование на судоходных реках, озерах и водохранилищах. Размер ущерба зависит от географического расположения, особенностей водосбора и степени освоенности пойменных территорий.
Опасные гидрологические явления встречаются в подавляющем большинстве стран мира. Например, наводнения, повлекшие за собой материальные потери, отмечались на территории Германии [1, 2], центральной Испании [3]. Наводнения и низкая межень наносят значительный ущерб на территории США [4]. В России, где наблюдаются существенные колебания климатических условий по территории страны, ущерб от гидрометеорологических явлений составляет 80–90 % от общего ущерба природного характера. При этом наибольшие материальные потери вызывают очень сильные ветры (в том числе ураганы, шквалы и смерчи), атмосферные и почвенные засухи и наводнения, вызванные половодьем, паводками и зажорно-заторными явлениями.
Затор льда, как гидрологическое явление, представляет скопление ледяного материала (главным образом поверхностного льда) в русле реки. Затор образуется во время ледохода, стесняет живое сечение и вызывает тем самым подъем уровня воды, что приводит к весьма значительным затоплениям прилегающей местности. Под зажором понимается скопление шуги в русле реки, вызывающее забивку части живого сечения и повышение уровня воды. Наиболее мощные заторы образуются в период весеннего ледохода; зажоры имеют место в предледоставный период, а также в течение зимы при наличии незамерзающих участков русла [5]. Поражающими факторами указанных опасных гидрологических явлений являются: гидродинамическое и гидростатическое воздействие (давление) воды, статическое и динамическое (ударное, истирающее и др.) давление льда, воздействие взвешенных и влекомых наносов, динамическое воздействие движущейся селевой массы (состоящей из горных пород, воды и снега) и т.д.
В зависимости от географического положения региона страны, плотности населения, степени освоенности пойменных территорий и особенностей водосбора опасные гидрологические явления, сопровождающиеся зафиксированным материальным ущербом, имеют в каждом из субъектов Российской Федерации свою специфику и различную повторяемость. Различные аспекты воздействия опасных гидрологических явлений на природно-технические системы, оценки опасности наводнений на территории Российской Федерации и в ее субъектах рассматриваются, например, в работах [6, 7]. Мониторинг опасных явлений регламентируется стандартами [8], для их прогноза часто применяются преимущественно прикладные математические методы [9] . Территория Красноярского края характеризуется сложными физико-географическими и климатическими условиями, при которых создаются предпосылки для возникновения опасных и неблагоприятных гидрологических явлений, которые оказывают негативное влияние на жизнедеятельность населения, на развитие отдельных отраслей экономики края. К примеру, паводок в июне 2021 года привел к затоплению пониженных участков на берегах Енисея в г. Красноярск, и на Саяно-Шушенской ГЭС впервые с 2010 года были сбросы воды. В мае 2014 года из-за заторного подъема воды на р. Тея в поселке с одноименным названием произошло подтопление 15 жилых домов, в которых вода над уровнем пола поднялась на 0,5..0,5 метров.
Цель исследований: выявить динамику и структуру рядов многолетних наблюдений за опасными гидрологическими явлениями с зафиксированным материальным ущербом, проверить статистическую однородность временных рядов и проанализировать заблаговременность их прогнозов.
Материал и методы
Площадь Красноярского края составляет 2366,8 тыс. кв. км (или 13, 86% территории России). Это один из наиболее богатых водными ресурсами регионов. На территории Красноярского края протекает 18733 рек. Из них: 17025 - реки Енисейского бассейнового округа, 525 – реки Верхнеобского бассейнового округа, 1183- реки Ангаро-Байкальского бассейнового округа. Ежегодный сток рек края в северные моря составляет порядка 20% суммарного стока рек, протекающих на территории Российской Федерации. В гидрографическом отношении территория края представляет собой части водосборных площадей таких крупных рек, как Енисей, Обь, Пясина, впадающих в Карское море, и реки Хатанга с притоками, впадающей в Хатангский залив моря Лаптевых. Бассейн Оби представлен верхней частью бассейнов рек Чулым и Кеть [10].
Для территории Красноярского края характерно пять видов опасных гидрологических явлений, при возникновении которых был зафиксирован материальный ущерб: заторы, зажоры, низкая межень, половодья и паводки. Материалом исследований стали официальные сведения о неблагоприятных условиях погоды и опасных гидрометеорологических явлениях, нанесших социальные и экономические потери на территории России за период 1991-2021 гг., предоставленные ФГБУ ВНИИГМИ-МЦД Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.
В исследованиях использовались общенаучные методы – анализ и синтез, а также методы структурного анализа и прикладные математические методы, в частности, регрессионный анализ.
Под временной однородностью гидрологических рядов понимается отсутствие в них статистически значимых трендов. Анализ стационарности ежегодных случаев материального ущерба от опасных гидрологических явлений за 31 год был выполнен по рекомендациям Государственного гидрологического института [11]. Для каждого из многолетних рядов строились линейные тренды вида:
y=ax+b
где x – порядковый номер года в ряду наблюдений; a и b – оценки коэффициентов уравнения регрессии; y – ежегодное количество опасных гидрологических явлений одного вида.
Случайная среднеквадратическая ошибка вычислялась по формуле:
При отношении коэффициента корреляции к среднеквадратической ошибке больше или равном 2, тренд признавался значимым на 5% уровне значимости, при отношении больше или равном 3 тренд признавался значимым на 1% уровне значимости.
Результаты и обсуждение
Оценку экономического ущерба от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера затрудняет отсутствие единого подхода к содержанию данного показателя. Единственным законнодательным актом, в котором дается понятие ущерба, является Гражданский кодекс РФ. В гражданском праве под ущербом понимается уменьшение имущества, либо недополучение дохода, который мог быть получен при отсутствии правонарушений. За анализируемый период времени 1991-2021 гг. на территории Красноярского края был зафиксирован материальный ущерб от 192 опасных гидрологических явлений (рис.1).
Рис.1. Динамика и структура опасных гидрологических явлений на территории Красноярского края.
Только 4 года из 31 (13%) на территории края опасные гидрологические явления не приносили материальный ущерб. К примеру, в 2001 году произошло 10 опасных явлений, в 2021 гг. - 9, в 2006 году было зафиксировано 8 явлений. В среднем в год на территории Красноярского края фиксируется 3 опасных гидрологических явления, причиняющих экономический ущерб. Структура опасных гидрологических явлений приведена на рис.2 .
Рис.2. Структура опасных гидрологических явлений с зафиксированным материальным ущербом за 1991-2021 гг.
Наиболее часто на территории Красноярского края материальный ущерб наносят заторы (40% случаев) и половодья (37% случаев), затем следуют паводки (19%). Зажоры льда и низкая межень повлекли за собой материальный ущерб только в 3% и 1% случаев соответственно.
Для выявления статистически значимых трендов роста числа опасных гидрологических явлений факты объединены в две группы: Ледовые затруднения, Высокие воды/Низкие межени. Кроме того, рассмотрен тренд общего числа опасных гидрологических явлений с зафиксированным материальным ущербом. Факторные поля и полученные уравнения парной линейной регрессии приведены на рисунках 3-5.
Рис.3. Линейный тренд общего числа опасных гидрологических явлений с зафиксированным материальным ущербом
Рис.4. Линейный тренд ледовых затруднений с зафиксированным материальным ущербом
Рис.5. Линейный тренд половодий, паводков и низких меженей с зафиксированным материальным ущербом
Результаты оценки статистической значимости трендов приведены в Таблице 1.
|
Вид опасного гидрологического явления |
Среднеквадратическая ошибка |
Коэффициент корреляции |
Отношение ошибки к коэффициенту корреляции |
Значимость тренда |
|
Все явления |
0,180 |
0,126 |
0,708 |
Не значим |
|
Ледовые затруднения |
0,174 |
0,218 |
1,254 |
Не значим |
|
Половодья, паводки, низкая межень |
0,268 |
0,169 |
1,583 |
Не значим |
Общее число опасных гидрологических явлений, причинивших материальный ущерб на территории Красноярского края, имеет слабо выраженный тренд к росту. Тренд статистически не значим как на уровне 5%, так и на уровне 1%. Число заторов и зажоров с материальным ущербом имеет статистически незначимый тренд к снижению, в то время как число половодий и паводков с зафиксированным материальным ущербом имеет тренд к росту, который также статистически не значим. Другими словами, за период 1991-2021 гг. можно сделать вывод о временной однородности рядов наблюдений, то есть отсутствии динамики числа опасных гидрологических явления, повлекших за собой зафиксированный материальный ущерб.
Своевременный прогноз опасного гидрологического явления может значительно снизить его негативные последствия [12]. Следующим этапом анализа стали данные по выпуску прогнозов в ретроспективном периоде. Выделяют следующие виды гидрологических прогнозов по срокам их выхода: краткосрочные прогнозы, выпускаемые с заблаговременностью до 15 суток; среднесрочные прогнозы с заблаговременностью от 15 суток до 1 месяца; долгосрочные прогнозы – с заблаговременностью от одного до нескольких месяцев и более. В Таблице 2 приведены сведения о заблаговременности прогнозов каждого вида опасных гидрологических явлений.
|
Опасное гидрологическое явление |
Число случаев |
Долгосрочных прогнозов |
Среднесрочных прогнозов |
Краткосрочных прогнозов |
Заблаговременность прогноза неизвестна |
|
Все виды |
96 |
19 |
3 |
69 |
5 |
|
Затор |
38 |
8 |
2 |
28 |
- |
|
Зажор |
3 |
- |
1 |
2 |
- |
|
Половодье |
36 |
8 |
0 |
27 |
1 |
|
Паводок |
18 |
2 |
0 |
12 |
4 |
|
Низкая межень |
1 |
1 |
- |
- |
- |
|
ИТОГО |
192 |
38 |
6 |
138 |
10 |
Следует отметить, что за период 1991-21 гг. все опасные гидрологические явления были предсказаны заранее, т.е. спрогнозированы. Прогнозы заторов в большинстве случаев (74%) были краткосрочными со сроком выпуска от1 до 14 дней. Проблемы заблаговременности выпуска прогнозов заторов и зажоров, которые являются ледовыми затруднениями связана с их многофакторностью. Прогнозы половодий в 75% случаев также были краткосрочными, остальное количество прогнозов было долгосрочным. В прогнозах паводков также преобладали краткосрочные прогнозы (67%), но точность выводов снижается за счет достаточно большого числа прогнозов, заблаговременность которых оказалась неизвестной (22%).
Выводы:
- В результате исследований получена типизация опасных гидрологических явлений, характерных для Красноярского края.
- Выполнен анализ стационарности рядов наблюдений. Число опасных гидрологических явлений с материальным ущербом остается примерно постоянным и не имеет статистически значимого тренда к росту. Число ледовых затруднений (заторов и зажоров льда) имеет тенденцию к снижению, но тренд статистически не значим. Число половодий и паводков, повлекших за собой материальный ущерб, увеличивается, но рост статистически не значим.
- Все опасные гидрологические явления на территории Красноярского края были предсказаны прогнозами, но подавляющее большинство прогнозов (более 70%) было краткосрочными с заблаговременностью от суток до 14 дней.
- Данные исследований могут использоваться учреждениями и организациями, уполномоченными по проведению мониторинга окружающей среды, при определении региональных перечней и критериев опасных природных явлений, подготовке информации об угрозе возникновения таких явлений, при сборе сведений о последствиях воздействия и мониторинге опасных явлений на территориях.
