1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Водные ресурсы
  4. T. 49, № 1, 2022

Водные ресурсы, 2022, T. 49, № 1, стр. 43-53

Сход оползня бузулган: моделирование селей по реке Герхожан-Су и сценарии их воздействия на город Тырныауз после произошедших в 2020 году изменений

В. А. Куровская a, *, С. С. Черноморец a, И. Н. Крыленко a, b, **, Т. А. Виноградова c, М. Д. Докукин d, Э. В. Запорожченко e

a Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
119899 Москва, Россия

b Институт водных проблем РАН
119991 Москва, Россия

c ООО НПО “Гидротехпроект”
175400 Валдай, Россия

d Высокогорный геофизический институт
360030 Нальчик, Россия

e Селевая ассоциация
357501 Пятигорск, Россия

* E-mail: viktoriiakurovskaia@gmail.com
** E-mail: krylenko_i@mail.ru

Поступила в редакцию 15.08.2021
После доработки 15.08.2021
Принята к публикации 17.08.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Рассмотрены три вероятных сценария развития селевого потока в долине р. Герхожан-Су: I – прохождение селевого потока, сопоставимого с селем 2017 г., II – подвижка оползня Бузулган и формирование завального озера с высотой плотины 20 м, III – катастрофическая подвижка и образование озера с плотиной в 40 м. Для расчета характеристик потока на участке потенциального селевого очага использовалась модель транспортно-сдвигового селеобразования, разработанная Ю.Б. Виноградовым. Для оценки планового распределения скоростей и глубин потока в долине использовалась гидродинамическая двумерная модель FLO-2D с различными параметрами селевого потока. В качестве исходных гидрологических данных использовались гидрографы селевых волн, полученные на основе модели селеобразования. Данные о рельефе для транспортно-сдвиговой и гидродинамической моделей построены на основе обработки снимков с беспилотного летательного аппарата, полученные авторами в результате рекогносцировочного обследования оползня через месяц после аномальной подвижки. Для каждого из сценариев рассчитаны: расход селя как на выходе из очага, так и на вершине конуса выноса, плотность потока, а также пространственное распределение скорости и глубины потока. Максимальный расход селевого потока на вершине конуса выноса для сценария I составил 1203, для сценария II – 1662, для сценария III – 3743 м3/с. При всех сценариях наблюдаются перелив селя через борта лотка и затопление значительной части г. Тырныауза.

Ключевые слова: сель, оползень, моделирование, FLO-2D Герхожан-Су, Тырныауз.

ВВЕДЕНИЕ

Одна из причин формирования селевых потоков – блокировка долин селеопасных рек крупными оползнями и обвалами. Такие оползни приводят к формированию плотин, иногда за ними образуются завальные озера. Это вызывает резкое увеличение опасности для территорий ниже по течению. Так, в результате Вэньчуаньского землетрясения в 2008 г. в Китае произошел одновременный сход тысяч оползней и обвалов, а в последующие два года многие из них послужили материалом для аномально крупных селей. Подобные события происходили на Тянь-Шане, Памире, в Каракоруме и в других горных регионах мира. Поэтому в случае блокировки долины селеопасной реки крупным оползнем требуется срочная оценка возможных изменений степени опасности для нижележащих территорий.

Такая ситуация была в 2020 г. в долине р. Герхожан-Су – одной из самых селеактивных в России, известной сходами катастрофических селей на г. Тырныауз Кабардино-Балкарской Республики. Причиной резкого изменения ситуации была быстрая подвижка оползня Бузулган в нижнем течении реки.

Ранее вопрос о влиянии оползневых смещений в урочище Бузулган на селевые потоки по р. Герхожан-Су рассматривался в связи с необходимостью обоснования инженерной защиты г. Тырныауза в Кабардино-Балкарской республике сразу после катастрофических селей 2000 г. [15]. Проведены расчеты с использованием транспортно-сдвиговой модели селеобразования [5] и анализ возникшей обстановки, положенные в основу разработанного и впоследствии осуществленного Проекта инженерного селепропускного лотка. Показано, что во время прохождения селей по р. Каяарты-Су, впадающей в р. Герхожан-Су, оползень (Бузулган) “…дает им существенную подпитку и сам может стать очагом зарождения селя, … перегородить реку, а в случае прорыва запруды образовать катастрофический сель” [15], а также что “… наиболее критической ситуация представляется при обвале оползня в русло в момент прохождения селевого потока” [9, 10].

Опыт моделирования катастрофических селевых потоков 18–25 июля 2000 г. представлен в работе [4]. Расчет проводился с помощью одномерной двухфазной непрерывной модели Божинского–Назарова [4]. В основе лежат уравнения движения и неразрывности. Значения некоторых характеристик селевого потока, входящих в уравнения, принимались случайными и подбирались при помощи метода Монте-Карло [3]. В результате статистического моделирования на выходе модели получались 300-точечные ряды восьми выходных динамических характеристик в конкретном створе: скорость, максимальная глубина и удельные (на единицу ширины русла) объемы слоев твердой и жидкой фаз потока, длина слоя твердой фазы, а также время прихода фронта потока в створ [4]. В работе [23] приведен расчет характеристик катастрофического селя 2000 г. в долине р. Герхожан-Су с использованием трехмерной математической модели DEBRIS. Данная модель основана на численном решении дифференциального уравнения движения материальной точки, составленного в соответствии со вторым законом Ньютона. На выходе из модели получено время движения, глубина потока в лотке и его скорость, объем отложений. В целом результаты моделирования с использованием моделей DEBRIS и Божинского–Назарова в общих чертах соответствуют общепринятой реконструированной картине движения селевого потока в 2000 г. [33].

За последнее десятилетия произошли существенные изменения в исследуемой долине. Так, в августе 2020 г. произошла аномальная подвижка оползня, русло р. Герхожан-Су на протяжении ~600 м было оттеснено к левому борту и стало проходить по краю оползня, сформировав потенциальный селевой массив. Цель настоящего исследования – оценка влияния современного положения оползня Бузулган на условия прохождения возможных селевых потоков в бассейне р. Герхожан-Су. Для расчета характеристик селевого потока в зоне зарождения использована транспортно-сдвиговая модель селеобразования [5, 6]. Зонирование долины проводилось с помощью двумерной гидродинамической модели FLO-2D: проведены расчеты по нескольким наборам селевых параметров, разработано несколько сценариев формирования селевых потоков. В качестве данных о рельефе использованы снимки с беспилотного летательного аппарата (БПЛА), полученные авторами в результате рекогносцировочного обследования оползня в сентябре 2020 г., через месяц после аномальной подвижки.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Бассейн р. Герхожан-Су – один из самых селеопасных бассейнов на Северном Кавказе. В бассейне неоднократно возникали катастрофические селевые потоки, нанесшие значительный ущерб объектам и населению г. Тырныауза. Крупные сели сходили здесь в 1937, 1960, 1961, 1962, 1977, 1999, 2000, 2002, 20011, 2017 гг. [1, 7, 8, 11–17, 19, 22, 24–34, 42].

В нижнем течении р. Герхожан-Су ниже слияния рек Каяарты-Су и Сакашили-Су в селевом процессе существенную роль играл оползень Бузулган, на участке которого возникали заторы, и селевые потоки получали дополнительный материал и энергетический импульс за счет подрезки фронтального уступа оползня, что при прохождении селей создавало условия для увеличения объемов селевых выносов на территорию г. Тырныауза [33]. До 2000 г. выше оползня находился участок промежуточной аккумуляции. Вследствие глубинной селевой эрозии на его месте образовался врез глубиной до 15 м со скальным ложем. Произошли подрезка и значительная активизация движения примыкающего к руслу оползня-блока Бузулган (рис. 1, 2).

Рис. 1.

Оползень Бузулган, перекрывший р. Герхожан-Су в 2020 г. Фото с квадрокоптера С.С. Черноморец, 07.09.2020.

Рис. 2.

Город Тырныауз, конус выноса р. Герхожан-Су и участок р. Баксан. Фото с квадрокоптера С.С. Черноморец, 07.09.2020.

Оползень Бузулган находится на пересечении тектонических разломов. Протяженность его по руслу ~400 м, вдоль склона ~600 м. Это оползень – самый нижний из участков образования запруд в русле Герхожан-Су, что отмечалось по результатам работ после селя 2000 г. [33]. О роли Бузулгана в самой трагической для города селевой волне 19.07.2000, уничтожившей дом на ул. Отарова, писал очевидец С.Д. Джубуев: “Образовались многочисленные трещины отрыва по краям, где контактирует оползень с другими частями массива, и в самом оползне. Повсюду наблюдались отрывы и падения материала из оползня… Нас догнала главная волна селя 2000 г., которая на наших глазах уничтожила 9-этажный дом… Перед волной селя в русле воды не было… Видимо, был затор в районе оползня, после чего был прорыв, отчего и образовалась волна” [33]. По расчетам Ю.А. Гнездилова, при подвижках Бузулган может стать очагом подпитки катастрофического селя [9].

Оползень Бузулган имеет сложное строение. Один из его блоков характеризовался медленным движением и многочисленными обвалами, которые продолжались в течение весны–лета–осени 2020 г. В августе 2020 г. произошла аномальная подвижка оползня. В дальнейшем не исключена угроза нового продвижения и формирования высокой завальной плотины и подпрудного озера, прорыв которого может угрожать городу новой селевой катастрофой.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Транспортно-сдвиговая модель

Расчет селевого потока в зоне зарождения выполнялся с помощью модернизированной транспортно-сдвиговой модели селеобразования [6]. Данная модель одномерная и предназначена для расчета грязевых и грязекаменных селевых потоков. Ее отличительная особенность – возможность учета приращения твердого материала во время формирования потока в селевом очаге и относительная простота исходной информации. Модель разработана Ю.Б. Виноградовым на основе информации, полученной в ходе экспериментов по искусственному воссозданию селевых потоков в бассейне р. Чемолган в 1971–1975 гг. [43]. Уравнения модели физически обоснованы, а результаты расчетов соответствуют наблюденным значениям [43]. Ранее данная транспортно-сдвиговая модель использовалась для расчета селевого потока 2000 г. на р. Герхожан-Су [15], очаг зарождения селей находился в русле р. Западная Каяарты-Су.

Основное уравнение транспортно-сдвиговой модели выглядит следующим образом:

$l = \frac{{\left[ {\frac{{Q{{\rho }_{0}}}}{{\zeta {{\rho }_{0}} + \rho }}~{\text{ln}}\frac{{Q{{\rho }_{0}} + \left( {\zeta {{\rho }_{0}} + \rho } \right)G}}{{Q{{\rho }_{0}} + \left( {\zeta {{\rho }_{0}} + \rho } \right){{G}_{0}}}}~ - ~\frac{Q}{{\zeta - {{\theta }_{{{\text{пп}}}}}}}~{\text{ln}}\frac{{Q + \left( {\zeta - {{\theta }_{{{\text{пп}}}}}} \right)G}}{{Q + \left( {\zeta - {{\theta }_{{{\text{пп}}}}}} \right){{G}_{0}}}}} \right]}}{{A~\frac{{{\text{tg}}\alpha }}{{{\text{tg}}\varphi }}~{\text{g\;sin}}\alpha \left[ {Q{{\rho }_{0}}\left( {\zeta - {{\theta }_{{{\text{пп}}}}}} \right) + Q\left( {\zeta {{\rho }_{0}} + \rho } \right)} \right]}} + {{l}_{0}},$
l – расстояние по тальвегу селевого очага, м; l0 – расстояние до текущего участка, м; G – расход твердого вещества, м3/с; G0 – начальное значение переменной G для определенного участка и результат расчета для предшествующего ему (для первого верхнего участка G0 = 0), м3/с; α – угол наклона тальвега селевого очага, град.; Q – расходы воды, м3/с; θпп – отношение объема воды к объему твердого вещества, но на пределе текучести (неподвижности) смеси воды и селеформирующих грунтов; ζ – отношение объема воды к объему твердого вещества в потенциальнoм селевом массиве (ПСМ), безразмерная величина; g – ускорение свободного падения, м/с2; ρ0 – плотность воды, кг/м3; ρ – плотность селеформирующих грунтов в ПСМ, кг/м3; А – коэффициент пропорциональности, м/с2 кг [6].

Расход селевого потока рассчитывается следующим образом:

$Qc = Q + (1 + \zeta )~G,$
Q – расход воды, поступивший в селевой очаг, м3/с. Оценка максимального расхода передового вала на выходе из очага проводилась с помощью умножения на коэффициент 2.5 [6]. Уравнение для плотности представлено в виде:
$y = \frac{{Q{{p}_{{\text{0}}}} + \left( {\zeta {\kern 1pt} {{p}_{0}} + p} \right)G}}{{Q + \left( {1 + \zeta } \right)G}}.$
Также авторами статьи в ходе исследований селей на Памире [21] добавлен в модель расчет скорости селевого потока с помощью формулы Ю.Б. Виноградова:
$M = {\mu \mathord{\left/ {\vphantom {\mu {2\gamma {{\beta }^{2}},}}} \right. \kern-0em} {2\gamma {{\beta }^{2}},}}$
$N = \frac{{{\text{g}}\left( {{\text{sin}}\alpha - {\text{tg}}\varphi {\text{cos}}\alpha } \right)}}{{{{\beta }^{2}}}},$
$S = \frac{{{\text{g}}h{\text{sin}}\alpha }}{{{{\beta }^{2}}}},$
$\begin{gathered} V = \left( {\frac{1}{{1.5NH}}} \right) \times \\ \times \,\,\left[ {{{{\left( {\frac{{{{M}^{2}}}}{{{{H}^{2}}}} + S + NH} \right)}}^{{1.5}}} - {{{\left( {\frac{{{{M}^{2}}}}{{{{H}^{2}}}} + S} \right)}}^{{1.5}}}} \right] - \frac{M}{H}, \\ \end{gathered} $
здесь μ – коэффициент динамической вязкости потока, ПAс; γ – плотность селевой массы, кг/м3; β – безразмерный коэффициент сопротивления перемешиванию; α – угол наклона тальвега селевого очага, град.; φ * – динамический угол внутреннего трения селеформирующих грунтов, град. [6]. Время прохождения волны рассчитывалось делением расстояния между участками на скорость. Для проведения расчетов по уравнениям транспортно-сдвиговой модели, включая расчет скорости селевого потока, составлена программа на языке Python.

Модель FLO-2D

Для зонирования долины применялась гидродинамическая модель FLO-2D PRO (автор Дж. О’Брайен (J. O’Brien), США). Данная модель двумерная, базируется на регулярных прямоугольных расчетных сетках и для водного потока основывается на решении уравнений Сен-Венана, широко применяющихся в научных исследованиях движения водных потоков [21, 35].

Особенность модели FLO-2D – наличие селевого блока. Это основная причина выбора данной модели в работах, посвященных горным территориям в различных регионах мира [36, 37, 39, 44], включая и российские селевые объекты [18].

При моделировании движения селевого потока в модели FLO-2D принимается, что сели движутся, как жидкость Бингама (вязкопластичная жидкость) [40]. Базовое уравнение модели – уравнение для расчета уклона трения:

${{S}_{{f~}}} = {{S}_{y}} + {{S}_{{v}}} + {{S}_{{td}}},$
где Sf – уклон трения – сумма уклона поверхности Sy, уклона вязкости Sv и турбулентно-дисперсионного уклона Std.

Предполагаемая скорость представляет собой скорость потока, вычисленную в каждой ячейке сетки и через границы ячеек, если принять их глубину за среднее между соседними ячейками.

Для моделирования селевого потока с помощью FLO-2D, как и с помощью любой другой реологической модели, необходимо определить значения вязкости и напряжения пластического течения. В случае, если нет возможности провести подробный реологический анализ селевого потока и отложений, авторы модели предлагают следующие параметры из табл. 1, которые получены с использованием образцов селевой массы для ряда случаев.

Вариант параметров а рекомендуется использовать для расчетов наносоводных селевых потоков. Для расчетов грязекаменных потоков расчет велся по наборам параметров b–d, представленных в табл. 1.

Для расчета баллов потенциальной опасности в речных долинах использованы полученные на основе моделирования данные о скоростях и глубинах потока в каждой ячейке расчетной области. Ранжирование опасности проводилось по трехбалльной шкале согласно схеме, применяемой в модуле MAPPER PRO программного комплекса FLO-2D PRO [41].

Таблица 1.  

Параметры для расчета напряжения пластического течения и вязкости как функции от концентрации наносов [41]

Вариант расчета Образец селевых отложений Параметры для расчета напряжения пластического трения Параметры для расчета вязкости потока
α2 β2 α1 β1
а Аспен Натураил Соил 0.152 18.7 0.000136 28.4
b Гленвуд 1 0.0345 20.1 0.00283 23.0
с Гленвуд 2 0.0765 16.9 0.0648     6.20
d Гленвуд 3 0.000707 29.8 0.00632 19.9

Исходные данные и схематизация модельной области

В качестве данных о рельефе для транспортно-сдвиговой и гидродинамической моделей использовалась цифровая модель рельефа (ЦМР), полученная в ходе обработки снимков с БПЛА Mavic Pro Platinum от 07.09.2020. Для создания ЦМР и ортофотоплана местности использован программный комплекс Agisoft Metashape. На участке русла вдоль оползня Бузулган было большое количество деревьев, учет высоты которых приводил к возникновению своеобразного “вала” в ЦМР. В связи с этим проводилась автоматическая классификация плотного облака точек. Использование методов машинного обучения позволяет в программе автоматически классифицировать плотное облако на основе любой комбинации из следующих классов: земля, высокая растительность, здания, дорожное покрытие, автомобиль и искусственный объект. В данном случае проводилась автоматическая классификация для выделения класса “высокая растительность”. При построении ЦМР использованы все классы, кроме высокой растительности.

Средний уклон в потенциальном селевом очаге по результатам обработки ЦМР составил 12.4°. Угол внутреннего трения потенциальной селевой массы оползня, необходимый для расчетов по транспортно-сдвиговой модели, взят из материалов [15] и составил 32.3°; отношение объема воды к объему твердого вещества в ПСМ принято равным 0.4 как максимальное с учетом имеющихся родников в теле оползня [15].

При подготовке исходной информации для транспортно-сдвиговой модели потенциальный селевой очаг (участок р. Герхожан-Су протяженностью 332 м, примыкающий к оползню) был разбит на 10 участков с приблизительно одинаковыми морфометрическими характеристиками (рис. 3).

Рис. 3.

Схема участка моделирования в районе расположения оползня Бузулган.

Для каждого участка велся расчет приращения твердого материала по длине, а также расходов, скоростей и плотности селя.

Для модели FLO-2D данные ЦМР интерполировались в расчетную сетку с шагом 5 × 5 м. Рассчитанный по транспортно-сдвиговой модели гидрограф использовался в качестве входного для модели FLO-2D. Объемная концентрация селевого потока принята равной 33%, что соответствует несвязному селевому потоку.

На момент обследования в 2020 г. селепропускной лоток в г. Тырныаузе в значительной степени был заполнен селевыми отложениями, что и учитывалось при моделировании.

Сценарии

При моделировании были рассмотрены три вероятных сценария развития селевого потока. Сценарий I предполагает формирование селя в верховьях р. Каяарты-Су с последующим прохождением потока вдоль оползня. Расход потока на участке слияния рек Каяарты-Су и Сакашили-Су перед оползнем принят равным 700 м3/с, что приблизительно соответствует характеристикам реального селя 2017 г.

По сценарию II предполагается, что произойдет еще одна подвижка оползня Бузулган, что может привести к формированию завального озера (рис. 3). Плотина озера при этом может достигать 20 м. Максимальный объем озера, оцененный по имеющейся ЦМР, может составить 347 940 м3. Максимальный расход возможного прорывного паводка с учетом данного объема озера оценен по формуле, предложенной Дж.Е. Коста [38], и составил 372 м3/с.

В сценарии III рассмотрена катастрофическая подвижка оползня Бузулган с формированием завального озера с плотиной высотой 40 м (рис. 3). Максимальный объем озера в данном случае может достигать 1 568 588 м3, а расход прорывного паводка – 865 м3/с.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

По результатам моделирования по каждому из сценариев получены расход потока на выходе из очага, расход селя на вершине конуса выноса, а также карты пространственного распределения скорости, глубины потока и баллов опасности. Согласно сценарию I, в верховьях Каяарты-Су формируется селевой поток, расход перед оползнем составляет 700 м3/с. В замыкающем створе потенциального селевого очага, по результатам моделирования, расход будет возрастать до 1019 м3/с. При этом средняя плотность потока составит 2051 кг/м3. Как указано выше, при зонировании долины в FLO-2D проведены расчеты с различными параметрами селевого потока для одного и того же входного расхода, получаемого из транспортно-сдвиговой модели. Так, расход селевого потока на вершине конуса выноса составил 1192 м3/с для варианта параметров b, 1203 для с и 1092 м3/с для d. Как можно видеть, величины расхода в зависимости от набора параметров меняются незначительно, максимальная разница составляет 111 м3/с. Ниже представлены карты пространственного распределения глубины и баллов опасности, полученных по модели FLO-2D для варианта параметров b по сценариям I и III (рис. 4).

Рис. 4.

Плановое распределение глубин (а, б), скоростей течения (в, г) и опасности затопления (д, е) при сценарии I с учетом формирования селевого потока выше оползня Бузулган (а, в, д) и сценарии III c учетом формирования подпрудного озера у оползня Бузулган с плотиной 40 м (б, г, е), по результатам моделирования на основе программного комплекса FLO-2D.

По результатам расчета в FLO-2D, для сценария I глубина потока в русле р. Герхожан-Су варьирует от 5 до 17 м, в русле Баксана – от 1 до 5 м (рис. 4а). На большей части конуса выноса глубина колеблется от 1 до 3 м. Для обоих наборов параметров скорость потока в русле р. Герхожан-Су >5 м/с, на больше части конуса выноса скорость селя ≥3 м/с (рис. 4в). Максимальная скорость по сценарию I составила 12.9 м/с для набора параметров b, 13.7 м/с для с и 13.2 м/с для d.

Для катастрофического селевого потока 2000 г., по данным видеосъемок, скорость в лотке при прохождении селевого потока составляла от 7.8 до 14.7, на конусе 8.3–10.5, в среднем 11.3 м/с [4]. По результатам моделирования селя 2000 г. в DE-BRIS, скорость потока получилась в среднем от 10 до 14 м/с [23]. В работе [4] максимальные расходы определялись на основе площади живого сечения потока в лотке и скорости потока, их величины составили: 1356 м3/с при средней скорости 11.3 м/с, 1764 м3/с при максимальной скорости 14.7 м/с. Расчетный максимальный расход селя, полученный в работе [15], составил 760 м3/с в районе автодорожного моста через р. Герхожан-Су. Таким образом, полученные авторами данной статьи максимальные скорости потока и расходы селя по долине Герхожан-су при сценарии I находятся в диапазоне оценок для наблюдавшихся предшествующих селей.

По сценарию I в зоне затопления оказывается значительная часть города, расположенная на левом берегу р. Герхожан-Су, включая здания администрации, нескольких школ и детского сада (рис. 4д). Также по данному сценарию при прохождении селевого потока будут затоплены дома, находящиеся в непосредственной близости к правому берегу р. Баксан ниже по течению. В целом можно говорить о том, что полученные для данного сценария результаты схожи с результатами ранее проделанных расчетов для селя 2000 г. [3, 23].

По сценарию II при формировании озера с высотой плотины 20 м и последующем прорыве расход составит 372 м3/с. Отдельно проводились расчеты для грязекаменного и наносоводного селевых потоков. Результаты представлены в табл. 2. По данному сценарию расход селя после прохождения очага вырос на 847 м3/с для наносоводного потока и на 947 м3/с для грязекаменного. Селевой расход на вершине конуса выноса при расчетах по четырем вариантам параметров меняется незначительно. Зона затопления значительно увеличивается по сравнению с сценарием I. Глубина потока на поворотах русла Герхожан-су достигает 17 м, но по большей части варьирует от 3 до 10 м, на конусе выноса – от 1 до 3 м.

Таблица 2.  

Результаты расчетов по транспортно-сдвиговой модели и FLO-2D по сценарию II

Тип Наносоводный сель Грязевой сель
Расход селевого потока на выходе из очага, м3/с 1219 1319 1319 1319
Плотность потока, кг/м3 1448 1713 1713 1713
Расход селевого потока на вершине конуса выноса, м3/с 1573 1642 1662 1832
Варианты параметров для расчета по модели FLO-2D а b с d

В русле Герхожан-Су скорость селевого потока >5 м/с. Максимальная скорость составила для параметров а – 12.8, с – 15.1, b – 12.7, d – 14.6 м/с. На большей части конуса выноса скорость достигает 1.5, иногда 5 м/c. Скорость потока в р. Баксан до впадения Герхожан-Су варьирует от 1.5 до 5 м/c, ниже впадения >5 м/с.

Растекание потока из лотка наблюдается уже после поворота русла. Также увеличивается зона затопления, в данном сценарии дополнительно затапливаются дома на правом берегу р. Баксан. Кроме того, если в сценарии I селевой поток на конусе концентрируется в нескольких рукавах, то в сценарии II такого разделения не происходит.

По сценарию III происходит катастрофическая подвижка оползня Бузулган, что приводит к образованию озера с плотиной высотой 40 м. Данный сценарий наиболее пессимистичный из рассматриваемых. Расход прорывного паводка составит 865 м3/с. Для этого сценария также проводились расчеты для вариантов образования потоков высокой и низкой плотности. В табл. 3 представлены результаты моделирования с использованием транспортно-сдвиговой модели для расчета характеристик потока в очаге и модели FLO-2D при расчете в долине.

Таблица 3.  

Результаты расчетов по транспортно-сдвиговой модели и FLO-2D по сценарию III

Тип Наносоводный сель Грязевой сель
Расход селевого потока на выходе из очага, м3/с 2832 3066 3066 3066
Плотность потока, кг/м3 1448 1694 1694 1694
Расход селевого потока на вершине конуса выноса, м3/с 3631 3753 3673 3672
Варианты параметров для расчета по модели FLO-2D а b с d

Расход селя на выходе из селевого очага достигает 3066 м3/с. Расходы селя на вершине конуса выноса, как и для сценария II, варьируют незначительно. Скорости >5 м/с наблюдаются не только в русле р. Герхожан-Су, но также и на большей части конуса выноса (рис. 4г). Максимальные скорости для параметров составляют: а – 16.7, b – 17.2, с – 18.1, d – 17.0 м/с.

Глубина потока на участках поворота русла р. Герхожан-Су достигает 21 м, но по большей части варьирует от 5 до 10 м (рис. 4б). На конусе выноса глубина потока возрастает от 3 до 10 м. Зона затопления в данном случае охватывает более половины территории г. Тырныауза. В случае реализации данного сценария пострадают дома, находящиеся не только по правому, но и по левому берегам р. Герхожан-Су (рис. 4е).

Как можно видеть на рис. 5, границы зоны затопления увеличиваются от сценария к сценарию, наиболее катастрофические последствия наблюдаются при прорыве 40-метровой плотины завального озера. Площадь затопления от оползня Бузулган до 500 м ниже устья р. Герхожан-Су для сценария I – до 391 329, для II – 471 960, для III – 581 626 м2.

Рис. 5.

Границы зон затопления по трем сценариям по моделированию на основе программного комплекса FLO-2D.

Стоит отметить, что все расчеты проводились с учетом цифровой модели рельефа, полученной в 2020 г., когда селепропускной лоток в городе не был расчищен. Таким образом, при моделировании воспроизводилась наихудшая ситуация с уменьшенной пропускной способностью лотка (такая же ситуация наблюдалась при катастрофическом селе в 2000 г. в условиях заполнения лотка отложениями предшествующего селя в 1999 г.). В 2021 г. была проведена работа по расчистке лотка от селевых отложений прошлых лет, что будет способствовать временнóму снижению опасности затопления. Авторы рекомендуют учитывать полученные карты максимальной опасности в будущем, так как возможны длительно развивающиеся селевые процессы, при которых селепропускной лоток может быть заполнен селевыми отложениями даже в ходе одного события или серии селей.

ВЫВОДЫ

В работе оценено возможное влияние оползня Бузулган на селевой поток после его аномальной подвижки. Расчет велся отдельно для зоны потенциального селевого очага и для долины. Моделирование характеристик селя в очаге проводилось с помощью модернизированной транспортно-сдвиговой модели селеобразования. К несомненным плюсам модели можно отнести физически обоснованные уравнения, а также относительную простоту исходной информации. Потенциальный селевой очаг, а именно русло р. Герхожан-Су вдоль оползня Бузулган, было разбито на 10 участков со схожими морфометрическими характеристиками. В качестве данных рельефа использовались ЦМР и ортофотоплан, полученный на основе съемки с БПЛА, проведенной авторами в сентябре 2020 г. после схода оползня. Проведено зонирование долины в гидродинамической модели FLO-2D с использованием нескольких вариантов наборов селевых параметров. Рассмотрено 3 сценария развития селевого потока: I – формирование селя в верховьяx р. Каяарты-Су, II – подвижка оползня Бузулган и формирование завального озера с плотиной 20 м, III – катастрофическая подвижка оползня и образования озера с плотиной 40 м. Для каждого из сценариев получены величины расходов селя как на выходе из очага, так и на вершине конуса выноса, плотности потока, а также пространственное распределение скорости и глубины потока. Максимальный расход селевого потока на вершине конуса выноса для сценария I составил 1203 (вариант с), для сценария II – 1662 (с), для сценария III – 3743 м3/с (b). Таким образом, по полученным в работе оценкам, при формировании нового селевого потока в верховьях Каяарты-Су без блокировки долины Герхожан-Су оползнем (сценарий I) расходы потока в г. Тырныаузе будут в диапазоне величин расходов селя в 2000 г., при блокировке долины Герхожан-Су оползнем и формировании запруды высотой 20 м (сценарий II) расходы селя на вершине конуса выноса будут выше расходов в 2000 г. в 1.2–1.4 раза, а при наиболее катастрофическом сценарии III будут превышать максимальные наблюденные в >2.5 раз. При всех сценариях наблюдается перелив селя через борта лотка и затопление значительной части г. Тырныауза, включая здания местной администрации, школы, жилые постройки и детский сад. Площадь затопления для сценария I составлят 391 329 м2, для II – увеличивается на 80 631 м2, а для III – в 1.5 раза больше, чем при сценарии I. Полученные результаты переданы в администрацию Эльбрусского района и Главное управление МЧС Кабардино-Балкарской Республики с целью привлечь их внимание к влиянию оползня Бузулган на формирование и движение селевых потоков и к необходимости подготовить население к возможности опасного прохождения селей в пределах города.

Авторы выражают благодарность М.Ю. Беккиеву, Р.Х. Калову, М.М. Хаджиеву (Высокогорный геофизический институт) за помощь в проведении полевых работ и сборе материалов.

Список литературы

  1. Барановский А.Ф. Селевые потоки 2000 года в бассейне Герхожан-Су // Защита народнохозяйственных объектов от воздействия селевых потоков. Пятигорск, 2004. Вып. 2. С. 90–96.

  2. Беккиев М.Ю., Докукин М.Д., Калов Р.Х., Мальнева И.В., Анаев М.А., Висхаджиева К.С. Аномальная подвижка оползня Бузулган в долине р. Герхожан-Су (Центральный Кавказ) в 2020 г. // ГеоРиск. 2020. Т. 14. № 4. С. 44–54.

  3. Божинский А.Н. Моделирование динамики селевых потоков методом Монте-Карло // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5, География. 2003. № 5. С. 28–31.

  4. Божинский А.Н., Виноградова Н.Н., Крыленко И.В. Математическая модель катастрофического селевого потока в 2000 г. в г. Тырныаузе // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5, География. 2004. № 5. С. 22–27.

  5. Виноградов Ю.Б. Транспортный и транспортно-сдвиговой селевые процессы // Селевые потоки. 1980. Сб. 4. С. 3–19.

  6. Виноградов Ю.Б., Виноградова Т.А. Математическое моделирование в гидрологии. М.: Академия, 2010. 304 с.

  7. Герасимов В.А. Селевые потоки 10 и 11 августа 1977 г. в бассейне р. Герхожансу (Северный Кавказ) и условия их образования // Селевые потоки. 1980. Сб. 4. С. 68–76.

  8. Герасимов В.А. Схема прогнозирования селевых потоков в бассейне р. Герхожансу // Тр. ВГИ. 1981. Вып. 49. С. 133–137.

  9. Гнездилов Ю.А. О влиянии оползня “Бузулган” на селевые потоки р. Герхожан-Су // Сб. науч. тр. ОАО “Cевкавгипроводхоз”. 2002. Вып. 15. С. 149–155.

  10. Гнездилов Ю.А., Запорожченко Э.В. Расчетные характеристики селевых потоков 2000 года по реке Герхожан-Су // Тр. ВГИ. 2003. Вып. 93. С. 100–113.

  11. Голубев Г.Н., Лабутина И.А. Дешифрирование селей высокогорий по аэрофотоснимкам // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5, География. 1966. № 1. С. 48–53.

  12. Голубев Г.Н., Лабутина И.А. Изменения рельефа морен в зоне формирования гляциальных селей (по данным аэрофотосъемок) // Материалы гляциол. исслед. 1968. Вып. 14. С. 322–325.

  13. Докукин М.Д. К вопросу о процессах формирования и трансформаций селей в бассейне р. Герхожансу // Тр. ВГИ. 1985а. Вып. 7. С. 58–71.

  14. Докукин М.Д. Формирование гляциальных селевых очагов при деградации ледников Приэльбрусья // МГИ. 1985б. Вып. 53. С. 62–71.

  15. Запорожченко Э.В. Сели бассейна реки Герхожан-Су: история проявления, условия формирования, энергетические характеристики // Сб. науч. тр. ОАО “Cевкавгипроводхоз”. 2002. Вып. 15. С. 80–148.

  16. Запорожченко Э.В. Уроки селевых катастроф недавнего прошлого // Обеспечение безопасности гидротехнических сооружений и предотвращение вредного воздействия вод в период прохождения половодий и паводков. Пятигорск, 2005. С. 162–175.

  17. Золотарев Е.А., Поповнин В.В., Сейнова И.Б. Режим ледника Каярты на Центральном Кавказе – активного селевого очага // Материалы гляциол. исслед. 1982. Вып. 43. С. 69–75.

  18. Кидяева В.М., Петраков Д.А., Крыленко И.Н., Алейников А.А., Штоффел М., Граф К. Опыт моделирования прорыва Башкаринских озер // Геориск. 2018. Т. 12. № 2. С. 38–46.

  19. Крыленко И.В., Петраков Д.А., Тутубалина О.В., Черноморец С.С., Журавлева П.Г. Динамика селевого бассейна р. Герхожан-Су (Кабардино-Балкария) после катастрофы в июле 2000 г // МГИ. Вып. 96. С. 159–166.

  20. Куровская В.А., Черноморец С.С., Виноградова Т.А., Крыленко И.Н., Гуломайдаров А.Г., Раимбеков Ю.Х. Сценарные расчеты прорывных паводков и селевых потоков // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов. Пермь, 2021. С. 135–140.

  21. Кюнж Ж.А., Холли Ф.М., Вервей А. Численные методы в задачах речной гидравлики. М.: Энергоатомиздат, 1985. 255 с.

  22. Мальнева И.В., Кононова Н.К. Метеорологические условия формирования катастрофических селей в июле 2000 г. в бассейне р. Герхожан-Су и прогноз селевой опасности // Геологическое изучение и использование недр. Науч.-тех. инф. сб. 2001. Вып. 6. С. 75–81.

  23. Михайлов В.О., Черноморец С.С. Математическое моделирование селей, обвалов и оползней. Саарбрюккен: LAP Lambert, 2011. 131 с.

  24. Москалев Е.Л., Рубцов Е.А. Инфильтрационные параметры селевого бассейна Герхожансу (Северный Кавказ) // Тр. ВГИ. 1984. Вып. 54. С. 77–84.

  25. Панов В.Д., Лурье П.М., Заруднев В.М. Селевые потоки в бассейне реки Герхожансу (Северный Кавказ) в июле 2000 г. // Метеорология и гидрология. 2001. № 2. С. 89–97.

  26. Петраков Д.А., Тутубалина О.В., Черноморец С.С., Крыленко И.В. Методика мониторинга селевого бассейна в условиях горной криолитозоны (на примере долины реки Герхожан-Су, Кавказ) // Криосфера Земли. 2004. Т. 8. № 3. С. 57–67.

  27. Рубцов Е.А., Сейнова И.Б. Комплексное изучение селеопасного района города Тырныауза // Селевые потоки и горные русловые процессы. Ереван: Изд-во АН АрмССР, 1968. С. 297–303.

  28. Сейнова И.Б. Селевые процессы бассейна р. Баксан в последнем тысячелетии (Центральный Кавказ). М.: Деп. ВИНИТИ № 9763-В97, 1997. 295 с.

  29. Сейнова И.Б., Золотарев Е.А. Ледники и сели Приэльбрусья. (Эволюция оледенения и селевой активности). М.: Науч. мир, 2001. 203 с.

  30. Сейнова И.Б., Рубцов Е.А. Причины селевой активности в бассейне р. Герхожан-Су // Тр. ГГИ. 1967. Вып. 141. С. 121–126.

  31. Тушинский Г.К., Попов А.И., Голубев Г.Н., Мудров Ю.В., Тумель Н.В. Опыт изучения гляциальных селей Большого Кавказа (на примере реки Герхожансу бассейна реки Баксан) // Инф. сб. о работах по МГГ. 1966. № 13. С. 5–106.

  32. Флейшман С.М., Сейнова И.Б., Золотарев Е.А. Формирование гляциальных селей непрорывного генезиса в бассейне Герхожан-Су на Северном Кавказе // Материалы гляциол. иссл. 1979. Вып. 35. С. 195–198.

  33. Черноморец С.С. Селевые очаги до и после катастроф. М.: Науч. мир, 2005. 184 с.

  34. Черноморец С.С., Тутубалина О.В. К 40-летию университетских селевых экспедиций в бассейне р. Герхожан-Су (Кавказ) // Вест. Моск. ун-та. Сер. 5, География. 2005. № 2. С. 79–80.

  35. Aleksyuk A.I., Belikov V.V. Simulation of shallow water flows with shoaling areas and bottom discontinuities // Computational Math. Math. Phys. 2017. V. 57. № 2. P. 318–339.

  36. Calligaris C., Boniello M.A., Zini L. Debris flow modelling in Julian Alps using FLO-2D // WIT Transactions Engineering Sci. 2008. V. 60. P. 81–88.

  37. Cesca M., d’Agostino V. Comparison between FLO-2D and RAMMS in debris-flow modelling: a case study in the Dolomites // WIT Transactions Engineering Sci. 2008. V. 60. P. 197–206.

  38. Costa J.E. Floods from dam failures. Rep. U.S. Geolo-gical Survey. Denver, 1985. 54 p.

  39. Hsu S.M., Chiou L.B., Lin G.F., Chao C.H., Wen H.Y., Ku C.Y. Applications of simulation technique on debris-flow hazard zone delineation: a case study in Hualien County, Taiwan // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 2010. V. 10. №. 3. P. 535–545.

  40. O'Brien J.S., Julien P.Y. laboratory analysis of mudflow properties // J. Hydraul. Eng. 1988. V. 114. № 3. P. 877–887.

  41. O'Brien J., Julien P., Fullerton W. Two-dimensional water flood, mudflow simulation // J. Hydraulic Engineering // ASCE. 1993. V. 119. № 2. P. 244–259.

  42. Seinova I.B., Popovnin V.V., Zolotaryov Ye.A. Intensification of Glacial Debris Flows in the Gerkhozhan Basin, Caucasus, in the Late 20th Century // Landslide News. 2003. № 14/15. P. 39–43.

  43. Vinogradova T.A., Vinogradov A.Yu. The experimental debris flows in the Chemolgan River basin // Natural Hazards. 2017. V. 88. № 1. P. 189–198.

  44. Wu Y.H., Liu K.F., Chen Y.C. Comparison between FLO-2D and Debris-2D on the application of assessment of granular debris flow hazards with case study // J. Mountain Sci. 2013. V. 10. № 2. P. 293–304.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Водные ресурсы

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал