Рассматриваемая территория Красноярского края расположена в центральной части Российской Федерации. Общая площадь её свыше 1 млн. км2, протяженность с севера на юг 3200 км, ширина колеблется от 100 до 1200 км. Речная сеть в пределах изучаемой территории хорошо развита. Она представлена самой большой в стране речной системой Енисея, нижней частью бассейна Ангары и правыми притоками Оби.
На Рис. 1 представлена территория России, разделенная по бассейнам крупных рек (сети мониторинга Росгидрометцентра). Цветом выделены территории Сибирского региона и Красноярского края. Из всех субъектов федерального округа край имеет самую большую площадь и протяженность по широте. Кроме того, на территории края находятся водосборные бассейны трех рек – Енисея, Ангары и Оби. Вследствие этого задача изучения гидрологических процессов и, в частности, весеннего половодья на порядок сложнее, чем в любом другом субъекте Российской Федерации.
Рис. 1.
Для более детального анализа режимов рек бассейн реки Енисей условно разделен на 2 части – верхняя часть бассейна от Тувы до устья р. Большой Пит и нижняя часть бассейна – севернее устья р.Большой Пит. Исходя из характеристик режимов рек гидрологический год разделен на четыре сезона:
Таблица 1 - Деление гидрологического года на периоды
|
Период |
Верхняя часть бассейна |
Нижняя часть бассейна |
|
Осенний |
Октябрь-ноябрь |
Сентябрь-октябрь |
|
Зимний |
Декабрь-март |
Ноябрь-апрель |
|
Весенний |
Апрель-июнь |
Май-июнь |
|
Летний |
Июль-сентябрь |
Июль-август |
Рассмотрим результаты анализа режимов рек территории Красноярского края и процессов, приводящих к чрезвычайным ситуациям, а также характеристики последствий наводнений.
Характер замерзания рек
Поскольку территория края имеет большую протяженность в меридиональном направлении, замерзание рек бассейна длится 2-2,5 месяца. В конце сентября начинается замерзание рек бассейна Хатанги и Пясины. Кромка ледостава на Енисее начинает двигаться от устья на юг. Боковые притоки Енисея (Нижняя и Подкаменная Тунгуски) и Ангара замерзают раньше основной реки. К концу ноября льдом покрываются все реки региона. На Рис. 2 приведены изолинии средних дат появления плавучего льда на реках и начала ледостава. Изолинии дат ледостава развернуты в направлении с северо-запада на юго-восток, что характеризует преобладающее направление волн холода осенью.
Замерзание зарегулированных рек происходит в нескольких направлениях. На Ангаре первые ледовые перемычки образуются в районе Богучан-Орджоникидзе и кромка ледостава начинает двигаться вверх и вниз по реке. Замерзанию всего русла препятствует с одной стороны – теплая вода сбросов Усть-Илимской ГЭС, с другой - теплая вода с Енисея (сбросы Красноярской ГЭС). Не образуется льда на двух участках Енисея – нижних бьефах Саяно-Шушенской и Красноярской ГЭС. Для прогнозирования заторобразования ведется мониторинг уровней воды и сбросов ГЭС.
На Рис. 3 показаны типы замерзания рек. Замерзание по I типу происходит на малых реках. Сопровождается слабым ледоходом, начальная толщина льда до 2 см, период замерзания 1-2 суток. II тип замерзания наблюдается на левых притоках Енисея и в бассейне р.Хатанги. Начальная толщина при этом льда до 15 см, период замерзания 3-10 суток. По третьему типу замерзают все крупные реки Сибири. Ледоставу предшествует длительный шугоход, частые зажоры льда. Скорость течения более 0,5 м/с (при <0,1 для 1 типа), начальная толщина льда более 20 см, продолжительность ледостава 15 и более суток.
 Рис. 2 |
 Рис. 3 |
 Рис. 4 |
Зажоры льда в осенний период
Зажор льда наблюдается в начале зимы в период формирования ледяного покрова. Он представляет собой скопление шуги с включением мелкобитого льда в русле реки, вызывающее стеснение водного сечения и связанный с этим подъем уровня воды непосредственно на участке зажора и выше по течению. Образование сплошного ледяного покрова в месте зажора задерживается, а ниже по течению реки уровни воды понижаются.
Решающее значение при образовании зажора имеет поверхностная скорость течения воды (более 0,4 м/с), уклоны водной поверхности, а также температура воздуха в период замерзания. Образованию зажоров способствуют различные русловые препятствия: острова, отмели, валуны, крутые повороты и сужения русла, участки в нижних бьефах гидроэлектростанций. На Рис. 4 обозначены места образования зажоров льда. Форма, цвет и размер значков соответствуют разным характеристикам зажоров:
1) Hмакс.зж > Hмакс.н/зж,
2) Hмакс.зж < Hмакс.н/зж
3,4,5,6) – повторяемостью соответственно 0-40, 40-60, 60-80, 80-100%
7) h<300см,
8) 300<h<500см,
9) h>500 см.
Наиболее опасны участки в среднем течении Енисея, где зажоры сопровождаются высоким подъемом уровней воды и частой повторяемостью. На реке Ангаре возможно образование каскада зажоров различной мощности, вследствие неоднородности морфологических характеристик реки. Ангара является самой шугоносной из крупнейших рек Сибири – повторяемость зажоров 90-100%. В верхним течении Енисея также высокая концентрация зажороопасных участков.
На некоторых реках зажорные скопления сохраняются в течении всего зимнего периода и при вскрытии реки являются очагами заторообразования. При неустойчивых погодных условиях, особенно при потеплении, зажорные массы легко размываются потоком.
Характер вскрытия рек
Вскрытие рек происходит в порядке, обратном замерзанию Рис. 5. Скорость процессов вскрытия зависит от температуры воздуха и в меньшей степени от других факторов. Изолинии дат вскрытия имеют широтное направление в северных районах. Процесс рек вскрытия начинается в верховьях Енисея в середине апреля. Одновременно увеличиваются в размерах незамерзающие полыньи в нижних бьефах ГЭС. Обычно Ангара вскрывается позже Енисея и кромка ледостава на ней движется в двух направлениях - от устья и от Усть-Илимской ГЭС. Вынос ледовых полей с Ангары в Енисей часто сопровождается затоплением населенных пунктов в Енисейском и Туруханском районах. Река Енисей полностью очищается ото льда 5-10 июня. В отдельные бывают отклонения от средних значений на 15-20 дней.
 Рис. 5. |
 Рис. 6. |
Вскрытие зарегулированных рек начинается в нескольких местах – происходит увеличения незамерзающих участков в нижних бьефах ГЭС. Полное очищение ото льда Ангары происходит позже вскрытия Среднего Енисея (участок Стрелка-Бор), что приводит к образованию наводнений на данном участке в результате выноса ледового материала и коренной водя половодья из Ангары.
Рис. 6 иллюстрирует типы вскрытия рек, различающиеся по характеру разрушения ледяного покрова и очищению реки ото льда.
Первый тип характеризуется разрушением ледяного покрова за счет поверхностного и внутреннего таяния льда под влиянием тепла солнечной радиации, воздуха и воды. Продолжительность таяния льда составляет 10-20 суток с момента перехода температуры воздуха к положительным значениям и зависит от структуры льда, строения ледяного покрова и плотности теплового потока.
Второй тип характеризуется разрушением ледяного покрова как в путем таяния, так и в результате динамических перенапряжений, превышающих предел прочности льда, возникающих под действием энергии потока и ветра. Вскрытие сопровождается подвижками, расчленением ледяного покрова на поля и льдины, ледоходом различной интенсивности и продолжительности. В зависимости от размеров реки и погодных условий длительность периода вскрытия изменяется от 5 до 15 суток.
Третий тип вскрытия характеризуется разрушением ледяного покрова в основном под влиянием динамических перенапряжений при достаточно большой скорости движения паводочной волны. Вскрытие часто сопровождается формированием заторов. Длительность процесса вскрытия измеряется от 2 до 12 суток.
Заторы льда при вскрытии рек
Затор льда образуется в весенний период при вскрытии рек во время разрушения ледяного покрова. Он представляет собой многослойное скопление льдин в русле, вызывающее стеснение живого сечения и связанный с этим подъём уровня воды на заторном участке реки.
Главной причиной образования затора льда является задержка процесса вскрытия на тех участках рек, где кромка ледяного покрова весной смещается сверху вниз по течению. При этом движущийся сверху раздробленный лед встречает на своем пути ненарушенный ледяной покров. При величинах поверхностной скорости течения воды (во время вскрытия ледяного покрова), равных 0,6-0,8 м/с и более, происходит торошение льда, подсовы, подвижки и прочее.
Наличие разного рода русловых препятствий (крутых поворотов, сужений, островов, конусов выноса, изменений уклонов водной поверхности от большего к меньшему) усиливает процесс образования затора льда. В районах таких русловых препятствий у верхнего края ледяного покрова под напором приносимого течением ледового материала происходит торошение льда и образуется хаотическое нагромождение крупно- и мелкобитых льдин. Русло здесь в наибольшей мере стеснено льдом, в результате чего уровень воды в реке повышается, в том числе на некотором участке выше места стеснения, то есть в пределах зоны подпора.
На Рис. 7 показаны места распространения заторов.
Рис. 7.
Условные обозначения: а) при максимальном уровне воды h<500 см: 1) повторяемость (лет) - 20-40%, 2) 40-60%, 3) 60-80%, 4) 80-100%; ) h>500 см: 5) повторяемость 20-40%, 6) 40-60%, 7) 60-80%, 8) 80-100%.
Наиболее опасные места образования заторов: р.Енисей (участок Стрелка-Бор); р.Ангара (участок Богучанская ГЭС – устье); реки Туба, Чулым, Кан, Тасеева, Подкаменная Тунгуска. Следует отметить, что места образования заторов и зажоров довольно часто совпадают. Это подтверждается тем, что одним из главных факторов образования ледовых пробок является морфология русла.
Изменение закономерностей ледового режима рек под влиянием регулирования стока
Река Енисей с притоками, как и всякая иная природная экосистема, существует в определенных диапазонах своих основных характеристик (уровни, расходы воды, температура, ледовые процессы и так далее.). В течение длительного исторического периода эти характеристики практически не изменялись. Однако строительство крупных ГЭС на Ангаре и Енисее в 50-80 годах XX века внесли существенные изменения в режимы Верхнего и Среднего Енисея и реки Ангары. Эти изменения выходят за пределы сложивших веками природных параметров по уровням на участках водохранилищ, по температурам воды на сотни километров ниже ГЭС.
Значительные изменения произошли в ледовом и температурном режимах рек Ангара и Енисей ниже гидроэлектростанций. На Енисее ниже Саяно-Шушенской ГЭС на участке длиной 165 км, вплоть до г. Абакана (район выклинивания водохранилища Красноярской ГЭС) летом температура воды ниже бытовых значений, зимой при средних температурах ледяной покров отсутствует.
Ниже Красноярской ГЭС летом температура воды восстанавливается до бытовых значений только через 650-700 км от ГЭС. Зимой на участке 800 км ниже ГЭС вследствие повышенных сбросов и нередких оттепелей в начале декабря усилились зажорные явления, опасные как сами по себе, так и как очаги образования весенних заторов льда. За счет сбросов воды с температурой 1,5¸3,0°С в зимнее время ниже Красноярской ГЭС сохраняется открытая от льда акватория воды на участке длиной от 100 до 300 км в зависимости от погодных условий и расходов сброса.
На участках реки Енисей ниже Саяно-Шушенской ГЭС протяженностью 165 км и ниже Красноярской ГЭС протяженностью 350 км наибольшие уровни воды в современных условиях отмечаются в зимнее время. Это обусловлено неизбежными подвижками шуголедовых образований при формировании ледяного покрова, в результате чего русло стесняется, увеличивается его шероховатость, что и приводит к подъему уровней до 6-7 метров. На Рис. 8 показаны границы незамерзающих участков в нижних бьефах ГЭС в зимний период. Диаграммы на картах показывают количество гидротехнических сооружений по районам и их качественный состав. Плотины и дамбы, находящиеся в неудовлетворительном состоянии, являются потенциальными источниками опасности для населенных пунктов ниже по течению, поскольку напор воды многократно увеличивается под влиянием паводочного стока.
Рис. 8.
Общие сведения о весеннем половодье
Половодье – фаза водного режима реки, характеризующаяся наибольшей в году водностью, высоким и длительным подъёмом уровня, выходом воды из русла на пойму. Это явление повторяется в один и тот же сезон с различными интенсивностью и продолжительностью, которые зависят от различных метеоусловий.
Весеннее (весенне-летнее) половодье – важная фаза гидрологического режима рек рассматриваемой территории. Она ежегодно наблюдается на всех реках в виде хорошо выраженной волны. В формировании половодья участвуют талые, дождевые и подземные воды.
Характер весеннего половодья на столь обширной территории отличается большим разнообразием, что обуславливается многими причинами, в частности, географическим положением речных водосборов, взаимосвязью поверхностных и подземных вод и в большей степени влиянием местных природных факторов. При формировании весеннего половодья большое значение имеет также высота бассейна, характер его поверхности, положение к направлению простирания хребтов и к движению преобладающих ветров. Все это в основном обуславливает характер таяния снега и условия формирования половодья.
У равнинных рек деятельность его определяется условиями таяния снега, морфометрическими характеристиками бассейна, (величина площади, длина, ширина, средний уклон) и направление течения относительно стран света, а у горных рек решающим фактором является средняя высота их водосбора.
При дружном таянии снега половодье обычно протекает бурно, отличается высокими подъемами уровней воды, проходит за короткий период времени, имеет одну асимметричную волну с резко выраженным интенсивным подъемом и более плавным спадом.
При ранней, но затяжной весне сход снежного покрова происходит медленно, с перебоями в таянии при похолоданиях. В результате на реках наблюдается низкое растянутое половодье с несколькими волнами-подъемами. На Рис. 9-10 приведены изолинии дат начала и пика половодья. В нижней части бассейна они имеют вид, близкий к горизонтальному, большую удаленность друг от друга. В верхней части бассейна даты половодья резко отличаются на сравнительно небольших территориях, что обусловлено наличием горных хребтов и сочетанием высотной и горной поясности.
 Рис. 9. |
 Рис. 10. |
В результате анализа большого числа паводков изучаемая территорию позволил была разделена на три области, где реки отличаются между собой по характеру паводков – их генезису, частоте и мощности.
· Первый район охватывает реки Тувинской котловины. Зимы здесь малоснежны, поэтому к началу весеннего половодья запасы влаги в снежном покрове невелики. Такое положение обуславливает невысокое весеннее половодье на реках. Летне-осенние дожди довольно часты; в отдельные годы на реках проходит до 10-15 паводков, длительностью 5-8 дней. Следует отметить, что у больших рек (Большой и Малый Енисей) весеннее половодье выражено более четко.
· Вторая область охватывает южную часть изучаемой территории до устья Ангары. Здесь, наряду с хорошо выраженным мощным весенним половодьем, наблюдаются значительные дождевые паводки. Однако в пределах этой области имеются различия в режиме рек отдельных районов. У водотоков степных и лесостепных районов половодье имеет одну, реже две волны. Оно обычно начинается в первой половине апреля и продолжается около 40 дней. Подъем уровня воды на небольших водотоках составляет 1-2 м. Таяние снега на водосборах горных рек происходит неравномерно. Этот процесс сначала охватывает более низко расположенные в высотном отношении части речных бассейнов, затем он распространяется на более высокие участки, в силу чего питание рек талыми снеговыми водами при дружной весне носит нарастающий характер. Вместе с тем наблюдающиеся возвраты холодов нарушают плавность развития половодья, в силу чего оно часто представляет собой серию волн, накладывающихся на общую волну подъема. Выпадающие в это время дожди усиливают общую водность рек. Если они наблюдаются в момент подъема, нередко возникают высокие пики смешанного, снего-дождевого происхождения. Чаще всего дожди формируют серию подъемов воды на спаде волны половодья. Случается, что среди этих подъемов воды резко выделяется один или два пика, сформированных ливневыми осадками; в редких случаях они по своей высоте могут даже превышать максимумы половодья. Начало половодья в горах обычно приурочено ко второй половине апреля, максимум наблюдается в конце мая – начале июня.
· В третьем, самом большом по площади, районе половодье по своим размерам и продолжительности является преобладающим. Этот район охватывает Среднесибирское плоскогорье, плато Путорана, полуостров Таймыр. Сюда входит несколько природных областей, главным образом горно-лесная таежная зона и зона тундры. Закономерности режима половодья в значительной мере определяются здесь географическим положением водосборов. На самых больших реках горно-лесной и таежной зоны половодье начинается в мае-июне и продолжается в среднем 60-70 дней. Паводки редки (в среднем один-два за сезон) и не образуют высоких подъемов воды.
Продолжительность половодья
Весеннее половодье ранее всего начинается на равнинных реках южных степных районов изучаемой территории – в конце марта – первых числах апреля. Процесс таяния снега постепенно распространяется на горные районы и в северном направлении. Фронт снеготаяния и наступления половодья на реках перемещается с юга на север со скоростью примерно по 30-50 км за сутки. В среднем за 60 дней (за апрель и май) она успевает передвинутся на расстояние 1500 км.
Продолжительность фазы подъема половодья колеблется у рек разных районов от 10-15 до 30-50 суток. Наименьшее ее значение характерно для рек степных и лесостепных районов, а наибольшее – для горных и больших рек с затяжным половодьем.
Существенное влияние на продолжительность половодья оказывают погодные условия в период его прохождения.
В отдельные годы первая волна тепла бывает очень мала и почти не вызывает таяния снега. В таких случаях вскрытие малых рек происходит в течение следующей волны тепла – в середине апреля, а при поздней и холодной весне – в конце апреля – начале мая.
В многоводные годы весеннее половодье развивается с большим запозданием против средних сроков. Формирование высоких половодий определяется главным образом большими запасами воды в снежном покрове и дружным таянием снега, особенно если этот процесс совершается в поздние сроки. К моменту прохождения пика весеннего половодья на реках сезонный слой промерзшего грунта, как правило, не успевает оттаивать, что также существенно влияет на дружность половодья. При ранней и средней весне половодье обычно бывает недружным; грунт в это время успевает оттаивать на большую глубину, что способствует увеличению потерь стока и снижает высоту весеннего половодья. Наличие многолетней мерзлоты обуславливает высокий сток половодья.
Наводнения в другие сезоны
В Красноярском крае повторяемость чрезвычайных ситуаций, связанных с обильными летними ливнями примерно один раз в 3-4 года. Максимум осадков в центральной группе районов края приходится на июль-август. Осадки обусловлены активной циклонической деятельностью. Зимой преобладает ясная антициклональная погода.