Размеры зон затопления в зависимости от уровня подъема воды

Для равнинных рек

Максимальный подъем уровня воды, м	1,5…2	2…4	4…6	6…14
Зона затопления, км^2		10…100	100…1000	>1000

 

Поражающее действие половодья определяется глубиной затопления. При этом различают прямой и косвенный ущерб.

Виды прямого ущерба:

- повреждение и разрушение жилых и производственных зданий, железных и автомобильных дорог, линий электропередач, связи, гибель скота и урожая сельскохозяйственных культур;

- уничтожение и порча материальных ценностей (продукты питания, корма, топливо, удобрения);

- смыв плодородного слоя почвы и занесение почвы песком и илом;

- затраты на эвакуацию населения и вывоз материальных ценностей.

Виды косвенного ущерба:

- затраты на приобретение и доставку в пострадавшие районы продуктов питания, строительных материалов, кормов для скота;

- ухудшение условий жизни населения;

- замедление темпов развития пострадавших районов;

- увеличение затрат на поддержание инфраструктуры территории.

Часто косвенный ущерб превышает прямой.

Паводок – быстрый кратковременный (1…2 суток) подъем воды в реке, вызванный ливневыми дождями или бурным таянием снега. Паводки могут повторяться несколько раз в год. Опасность паводкового наводнения заключается в его неожиданности. Форма гидрографа паводка подобна гидрографу половодья (но он сжат по оси времени ) – имеется восходящий участок, гребень (соответствует максимальному уровню воды) и нисходящий участок. Максимальный подъем уровня воды в реке и скорость потока при паводке рассчитываются по формулам (1.7), (1.8). Максимальный расход определяется выражением:

,

(1.9)

где и – расход максимальный и до выпадения осадков соответственно, м³/с; – интенсивность осадков, мм/час; – площадь района выпадения осадков в бассейне реки, км²; – коэффициент, учитывающий долю стока выпавших осадков в реку (в приближенных расчетах для оценки максимального подъема воды принимают ); коэффициент “3,6” учитывает переход от размерности – мм/час, – км² к размерности – м³/с. Высота паводка по мере удаления от места, где он максимален, уменьшается.

Скорость движения гребня паводка рассчитывается по формуле:

,

(1.10)

где – скорость течения реки до выпадения осадков, м/с.

Поражающее действие паводка помимо глубины затопления определяется и максимальной скоростью потока затопления.

Подпорное наводнение возникает из-за резкого увеличения сопротивления стоку воды при загромождении русла реки льдом во время ледохода (заторы) или внутриводным льдом (зажоры).

Нагонные наводнения создаются ветровыми нагонами воды в заливах, бухтах, устьях крупных рек. Для Санкт-Петербурга, где такие наводнения разной интенсивности наблюдаются ежегодно, можно выделить три их основные причины: прохождение циклонов, образование стоячих волн (сейши) и собственно ветровой нагон.

Циклон – это атмосферный вихрь большого размера (диаметр от сотен до нескольких тысяч километров) с пониженным давлением в центре. Воздух в циклоне циркулирует против часовой стрелки в северном полушарии (рис.1.6), помимо этого движется к центру и вверх. Циклоны постоянно образуются естественным образом в атмосфере из-за вращения Земли (сила Кориолиса) и обычно перемещаются с запада на восток.

Пониженное атмосферное давление в центре циклона может опускаться до (0,92…0,95)·10⁵ Па и вызывает подъем уровня воды – :

,

(1.11)

где и – нормальное атмосферное давление (периферия циклона) и давление в центре циклона соответственно, Па; – плотность воды, кг/м³; – ускорение свободного падения.

Перемещающийся подъем уровня воды в циклоне формирует длинную волну с высотой в центре несколько десятков сантиметров. В возникновении наводнений в Санкт-Петербурге опасны циклоны, пересекающие Балтийское море с юго-запада на северо-восток, т. е. в том направлении, в котором вытянуто само море. При мощных циклонах высота длинной волны в горле Финского залива обычно 40…60 см, а скорость ее движения 40…60 км/час. С подходом волны к вершине залива ее высота возрастает, так как залив становится мелководнее и уже (площадь сечения уменьшается). Длинная волна пробегает залив за 7…9 часов и может вызвать подъем уровня воды в устье р. Невы на 200…250 см. После прихода длинной волны в вершину Финского залива она отражается от берегов и в результате интерференции волн возникают сейши – стоячие волны большого периода. Сейши возникают в более или менее замкнутых водоемах (морях, озерах, заливах) при интерференции волн, возникающих под действием внешних сил (циклоны, ветер и др.) и волн, отраженных от берегов. В зависимости от внешнего воздействия (направление и интенсивность) и формы водоема могут формироваться сейши с одним, двумя и более узлами (одноузловые, двухузловые и т. д.) – рис. 1.7.

Сейши Балтийского моря имеют период около 26 часов, узел располагается в районе о. Готланд, а пучности – в оконечностях моря: у Датских проливов и в вершинах Ботнического и Финского заливов. Поэтому после

прохождения циклона с запада в устье р. Невы с периодом примерно в сутки наблюдается несколько подъемов уровня воды см. В случаях, когда циклоны с запада движутся «семействами» с интервалами около 24…28 часов, возможно наложение колебаний и тогда подъем уровня воды в устье р. Невы за счет сейши достигает 100…150 см. Кроме этого, в пределах Финского залива иногда образуются сейши с периодом 7…9 часов.

Третья причина нагонного наводнения – ветровой нагон (рис. 1.8) – возможен в любое время года. Движущийся воздушный поток передает энергию водной среде, создавая в ее толще течения, которые могут длиться часами и более продолжительным временем. Кинетическая энергия течения у береговой черты преобразуется в потенциальную энергию подъема уровня воды. Высота нагонного подъема уровня зависит от скорости ветра, состояния водной поверхности (высота волн), длины поверхности энергообмена между средами.

Особенно опасна ситуация, когда действие всех трех факторов суммируется.

Наводнение прорыва возникает при гидродинамической аварии – разрушении плотин, дамб и образовании волны прорыва. Авария на гидротехническом сооружении может произойти вследствие воздействия опасных природных процессов (землетрясения, оползни, обвалы, ураганы), проявления конструктивных дефектов, нарушения правил эксплуатации, а также при ведении боевых действий.

При разрушении плотин изливающаяся через проран вода образует волну прорыва – типа мощного паводка (рис. 1. 9).

 

Высота гребня волны прорыва и скорость движения гребня могут быть рассчитаны по соответствующим формулам для паводка при задан

ных характеристиках прорана в теле плотины. В качестве примера в табл. 1.4 приведены параметры волны прорыва для двух характерных гидроузлов: равнинного ( м, уклон дна ) и предгорного ( м, ), в обоих случаях отношение ширины прорана к длине плотины принималось равным 0,5. Считалось, что русло имеет прямоугольную форму.

Т а б л и ц а 1.4

Параметры волны прорыва

Гидроузел	, км	, м	, м/с	, час	, час
Равнинный м,		7,5	1,8	1,3
	7,0	1,2
	6,5	0,9
	5,5	0,55
Предгорный м,			9,2	0,25	0,5
		7,0	1,70	2,9
		6,0	3,80	6,0
		4,5	11,0	15,0

Примечание: – расстояние от плотины, – высота гребня, – максимальная скорость течения, – время прихода фронта волны, – время прихода гребня волны прорыва.

Поражающее действие волны прорыва определяется ее высотой, скоростью движения и длительностью затопления. Разрушительное действие волны прорыва обусловлено как действием непосредственно массы воды, движущейся с большой скоростью, так и размывом и перемещением значительных масс грунта и обломков разрушенных зданий и сооружений – таранное действие

Для защиты от наводнений наиболее эффективно строительство гидротехнических сооружений: плотин, дамб, водохранилищ, укрепление берегов, подсыпка территорий.