О ежегодных ледовых заторах на сибирских реках и мероприятиях, ослабляющих их вредоносное влияние
Ежегодно весной на реках России гремят взрывы: МЧС и другие ведомства с целью борьбы с заторами проводят подрывы ледяного покрова. Например, в 2004 году в Северо-Западном, Приволжско-Уральском и Сибирском регионах осуществлено более 3200 подрывов льда. В последующие годы ситуация менялась мало. К примеру, в Томской области начиная с 2010 по 2024 год ежегодно ледовый покров реки Томи подвергается взрыванию (рыхлению) на участках сложных перекатов и в районе гидротехнических сооружений (мостов). В этой работе ежегодно участвуют тысячи человек, затрачиваются огромные средства. Но всегда ли эти мероприятия приводят к желаемым результатам и что можно противопоставить профилактическим подрывам ледяного покрова и последующим бомбёжкам заторов льда?
Протоки как аварийные клапаны природы
Ответ на эти вопросы может быть получен при рассмотрении причинно-следственных факторов образования ледовых заторов. По образованию ледовых заторов в руслах сибирских рек проведено множество исследований. В журнале «Геосферные исследования» издания Национального исследовательского Томского государственного университета № 4 за 2017 год была опубликована статья «Факторы формирования заторов при ледоходе и их учёт для обоснования мероприятий по предотвращению наводнений на участке р. Томи у г. Томска».
В статье обосновывалось, что «…Образовавшийся в основном русле затор льда, подобно плотине, вызывает подъём уровня воды, происходит выход воды на пойму. По мере подъёма уровня на пойме возрастает альтернативный основному руслу поток паводковых вод. Пойменная и русловая многорукавность оказывается способной пропускать выходящие на пойму паводковые воды в обход образующихся заторов в основном русле. За многие тысячелетия на затороопасных участках сформировались пойменные протоки, отводившие воду с поймы в обход заторов. Они действуют подобно аварийным клапанам, сбрасывающим избыток воды. Борьба с наводнениями от заторов льда должна быть сведена к поддержанию в «действующем» состоянии проток, сбрасывающих паводковые воды, с одновременным обвалованием территорий, затопление которых недопустимо с хозяйственной и экологической точек зрения (речь о жилых массивах, предприятиях, коммуникациях и так далее).
Отметим, что причины появления заторов кроются в сочетании естественных условий протекания реки Томи и исторически сложившегося геологического основания, климатических особенностей региона и режима реки-приёмника – Оби, которая создаёт и регулирует базис эрозии на участке слияния. Однако всё по порядку.
Особенно благоприятным для развития экстремального паводка на сибирских реках, включая реку Томь, является последовательное сложение следующих климатических и геоморфологических условий, повторяющихся в отдельные годы.
Как правило, осенью бассейн реки насыщается обильными осадками, влажность почвы может приближаться к уровню максимальной влагоёмкости.
В такие годы в зиму река уходит с высоким уровнем воды, следовательно, увеличивается площадь акватории, что в сочетании с холодной зимой приводит к накоплению больших объёмов льда и шуги в руслах рек.
Формированию наводнений способствует также поздняя, затяжная весна: холодные март и апрель, часто выпадающие весенние осадки. А потом – заметное потепление в конце апреля и в мае, которое в южной части бассейна наступает раньше, чем в нижнем течении Томи. Здесь, в южной части бассейна, начинает формироваться первая волна весеннего половодья.
В нижнем течении Томь выходит на равнину. Здесь река разбивается на рукава, появляются острова и многочисленные протоки, плёсы и перекаты. Волна половодья, подходящая сверху, взламывает ещё прочный ледяной покров, густой ледоход останавливается на изгибах русла, перед островами, формируя заторы льда, сопровождающиеся катастрофически высокими подъёмами уровня воды, наводнениями и разрушениями.
Вторая волна половодья, которая формируется в мае за счёт снеготаяния, грунтовой составляющей и дождей в горах Кузнецкого Алатау, Салаирского кряжа и Горной Шории, также может вызвать формирование высоких уровней воды и наводнений.
Бассейн нижнего течения Томи в районе города Томска давно приобрёл облик глубоко урбанизированной территории. На протяжении последних 400 лет, особенно в ХХ веке, наблюдаются активные антропогенные воздействия на русло и пойму реки в пределах Томской области. - Активный сброс тёплых вод поступал из р. Ушайки (вдоль правого берега), впадающей в центре г. Томска и из сливной трубы Мясокомбината (выход на острове Боярском), тёплые воды выходили в русло и оттеснялись вдоль левого берега. В последней четверти ХХ века дополнительный слив горячей воды от АЭС ниже областного центра практически остановил естественный ритм заторов. В этот же период интенсивная добыча гравия из русла Томи также способствовала снижению уровня воды в реке. Весенние заторы льда в районе Томска прекратились.
Однако последовавшее в конце ХХ и в начале ХХI века строительство гидротехнических сооружений – мостов, набережных, причальных стенок – изменило условия для прохода весеннего ледохода. Вновь построенная сеть дорог, насыпей, жилищных комплексов перекрыла пойму. Прекращение добычи песчано-гравийной смеси и последующая естественная аккумуляция наносов в русловых карьерах, запрещение и практически полное прекращение сброса городских тёплых вод в русло реки в зимний период, а также прекращение сброса горячей воды АЭС в связи с её закрытием обусловили возобновление заторов льда и заторных наводнений на Томи в районе областного центра, причём именно с заторами связаны катастрофические поднятия уровней и затопления в районе города Томска.
Затор – это скопление льдин в русле реки во время ледохода, вызывающее стеснение водного сечения и связанный с этим подъём уровня воды.
На участке образования затора льда можно выделить (рис. 1):
- Зону очага затора (1), представляющую собой сдвинутые вниз по течению ледяные поля, ниже которых может сохраняться ещё не нарушенный лёд (замок затора).
- Головную часть (голова) затора (2) – нагромождение взломанного спрессованного битого льда, имеющего большую мощность и стесняющего живое сечение реки, с навалами льда на берегах.
- Хвост (шлейф) затора (3) – верхняя часть заторного участка в основном из однослойных льдин, с редким ледоходом выше по течению и с подъёмом уровня воды ΔH за счёт подпора.
Заторы льда разрушают гидротехнические сооружения, провоцируют затопление больших пойменных территорий, нередко застроенных зданиями, сооружениями, целыми жилыми или производственными комплексами, что наносит значительный ущерб как самим хозяйственным комплексам, так и всей сопутствующей инфраструктуре. Особенно большие убытки наносятся коммунальному хозяйству крупных населённых пунктов. Например, в Томске вся пойменная часть застройки города постоянно находится под угрозой затопления.
Наивысшие уровни реки Томи у города Томска связаны с заторами льда. Они формируются в апреле, при прохождении первой либо второй волны половодья. Средняя дата наступления максимального уровня воды на Томи у Томска – 5 мая; крайние – 17 апреля (2000 год), 4 июня (1975 год). Самый высокий максимальный заторный уровень в Томске наблюдался в 1947 году — 11,03 м. За последние 40 лет оказался выдающимся и 2010 год: 29 апреля в южной части Томска у гидроствора (хвост затора) уровень воды поднялся примерно на 10,5 м, на два метра превысил опасную отметку. В зоне затопления оказался пригородный посёлок Чёрная Речка на левом берегу Томи. Здесь под воду ушли 270 жилых домов, было эвакуировано 1102 жителя.
Прогноз образования заторов льда позволяет заблаговременно провести противозаторные мероприятия. В настоящее время Росгидромет ежегодно в последней декаде марта выпускает прогноз высоты максимальных уровней воды у Томска. На сегодняшний день в комплекс противопаводковых мероприятий классически входят в первую очередь: оповещение населения, ослабление льда путём взрывов, его разрезания, чернения и другие подобные меры, а также создание гидротехнических сооружений в основном русле, обвалование, наращивание берегов русла с целью предотвращения затопления территории и проведение дноуглубительных работ на перекатах, где традиционно ожидается формирование заторов льда.
Ряд авторов считает, что снижение подпора воды на реках может быть достигнуто углублением и частичным спрямлением русла. Это, возможно, эффективно на тех реках, где можно создать на протяжённых участках перепад отметок водной поверхности, достаточный для беззаторного пропуска льда. Если же такой перепад создать невозможно вследствие, например, ограниченной высоты базиса эрозии, то углубление дна в лучшем случае лишь переместит участок формирования затора ниже по течению реки, на другой перекат, что может создать неблагоприятные последствия на новом участке.
Возникает вопрос: существуют ли альтернативные мероприятия по предотвращению наводнений (ослаблению вредного влияния вод), связанных с образованием ледовых заторов в Томске? Ответ на этот вопрос кроется в динамике взаимодействия русловых и пойменных потоков в нижнем течении Томи.
Русловой процесс – это процесс взаимодействия потока и русла. Русло управляет потоком, формируя его скоростное поле. Поток распределением скоростей влияет на форму своего русла, производит тут или там размывы и намывы, и путём переноса вниз по течению размытого материала сам создаёт себе такое русло, которое соответствует его скоростному полю. С выходом воды на пойму те же законы действуют и в случае с пойменными потоками (протоками).
Процессы формирования русла реки, речной поймы, её морфологических особенностей обусловлены размывом, транспортом и переотложением наносов. Они неразрывно связаны друг с другом. Поверхностный, подрусловой и подземный сток воды, растворённых веществ, размыв, перемещение и переотложение взвешенных и влекомых наносов формируют русловую, старичную и пойменную фации аллювия, влияют на почвообразующие процессы и растительность. Речные поймы – это унаследованные, постоянно изменяющиеся участки речной долины, неразрывно связаны с природными условиями бассейна реки, такими как величина и режим его тепловлагообеспеченности, геологическое строение, рельеф и другими.
Физико-географические условия участка речной долины определяют тип руслового процесса – то есть вид естественных деформаций русла и поймы. На участках реки Томи в пределах Томской области встречаются два типа руслового и пойменного процесса: русловая многорукавность и пойменная многорукавность. Оба эти типа переходят из одного в другой, или существуют одновременно, в зависимости от местных уклонов, расстояния между бортами долины, ширины унаследованной поймы, влияния подпорных явлений на рассматриваемых участках.
Признаками русловой многорукавности является наличие одного широкого русла в период половодья и дробление его на отдельные рукава в период летней межени. Существуют участки как с русловой многорукавностью осерёдкового типа, так и с русловой многорукавностью островного типа. Структура скоростного поля потока при данном типе руслового процесса весьма сложная. В реке наблюдается чередование подпоров и спадов водной поверхности, образование водоворотов, свальных течений, расходящихся и сходящихся потоков. Та или иная комбинация течений может вызвать смещение осерёдков как вниз, так и вверх по течению, а также изменение их поперечных размеров.
В случае с пойменной многорукавностью русло представляет из себя несколько (две и более) проток, обтекающих острова, либо пойму, расчленённую множеством (две и более) проток – самостоятельных русел. Существенным условием образования данного типа руслового процесса является наличие достаточно широкой поймы с разновысотными участками поверхности. Пойменные протоки развиваются в вытянутых понижениях, представляющих участки былого русла реки. В протоках может развиваться свой тип русловых переформирований, поэтому при исследовании пойменной многорукавности необходимо рассматривать русло каждой протоки, а также участки их слияния и разделения.
Формирование затора начинается от его «головы», упирающейся в кромку ледостава или остановившегося ледохода. Подплывающие льдины забивают русло, образуя «тело» затора. Ледяная плотина преграждает поток, повышается уровень воды, происходит выход воды на пойму. По мере подъёма уровня воды в основном русле на пойме возрастает альтернативный основному руслу поток паводковых вод, который дополняется водой от таяния местного снега и грунтовой водой, подпираемой со стороны вод реки в хвосте затора. В результате за многие сотни лет пойменная многорукавность оказывается способной пропускать выходящие на пойму паводковые воды в обход образующимся заторам. За тысячелетия существования поймы для каждого затороопасного участка сформировались пойменные протоки, регулярно отводившие воду с поймы и в обход заторам основного русла. Эти протоки можно сравнить с аварийными клапанами, сбрасывающими избыток воды.
В свете изложенного борьба с вредоносным влиянием паводковых вод во время заторов, с большими площадными затоплениями пойменных участков, застроенными, покрытыми инфраструктурными объектами, может быть сведена к поддержанию в «действующем» состоянии пойменных проток, сбрасывающих паводковые воды в обход ледяным пробкам в основном русле, с одновременным обвалованием территорий, затопление которых недопустимо с хозяйственной и экологической точек зрения.
С природой нужно не бороться. Природе нужно помогать!
Проводимая сегодня борьба с заторами предполагает направление средств на такие мероприятия, как подрывы льда, его распиливание и окрашивание, проведение углубления перекатов и другие. Накопленный опыт показал, что подобные мероприятия, как правило, не особенно эффективны. Это мероприятия разовые. Да, они направлены на ослабление ледяного покрова в конкретном месте в конкретное время, но место применения этих мероприятий выбирается весьма субъективно. После прохождения паводка о них забывают, как и о потраченных средствах. При этом оценка их эффективности так же субъективна и не всегда очевидна! Но каждый год в преддверии ледового паводка эта работа возобновляется с новой силой, тратятся средства, и опять – на один сезон.
Самым эффективным способом воздействия на ледовые заторы является уничтожение или глобальное ослабление ледового покрова на участках возможного заторообразования. Так было в период 1970 – 90 годов, когда на участке реки вдоль города тёплые стоки реки Ушайки существенно ослабляли ледовый покров вдоль Томска, а дополнительный слив горячей воды от АЭС ниже Томска практически остановил естественный ритм заторов. В этот период заторных явлений в черте областного центра и ниже по течению практически не было.
При отсутствии возможности теплового воздействия на ледовый покров в целях защиты от вредоносного влияния паводковых вод речь может идти о целенаправленном использовании пойменных проток для сброса воды в обход формирующихся заторов. Имеющиеся в пойме реки протоки были созданы природой за многие сотни лет исключительно паводковыми водами, в основном при заторных явлениях. В настоящее время вследствие хозяйственной деятельности (освоения поймы) пойменные протоки приведены в ненадлежащее, зачастую в слабопроточное состояние.
Во-вторых, речь идёт об одновременной защите ценных в хозяйственном отношении территорий путём поднятия отметок или создания заградительного сооружения (обвалования) вокруг них. Объём изымаемого грунта при углубительных работах пойменных проток может быть близок к объёму необходимого обвалования, или объёму, необходимому для поднятия территории. То есть грунт, извлекаемый при расчистке проток, укладывается в заградительное сооружение с минимально коротким плечом перевозки.
Работы могут проводиться практически круглогодично с минимальным набором карьерной техники. Прокопанные, расчищенные протоки не будут нарушать ландшафт территории. После естественной рекультивации они примут облик обычных пойменных озёр-староречий, заселённых водными биоресурсами, типичными для данной местности, собственно коими они и являются. Заградительные сооружения, обрастая растительностью, также впишутся в местный ландшафт, поскольку на участках обвалования и на самих дамбах могут произрастать деревья и кустарники, которые в естественных условиях произрастают вне зоны затопления (сосна, ель, акация, шиповник, облепиха и другие).
Таким образом, мероприятия по борьбе с опасным воздействием паводковых вод следует разделить на долгосрочные и краткосрочные (разовые).
Долгосрочные – это мероприятия, проводимые на протяжении длительного времени (несколько лет) с целью:
- изучения территории (рельеф, топография, грунты, почвы, растительность, ландшафты, грунтовые воды),
- изучения русловых и пойменных процессов,
- проектирования и строительства сооружений (защитных водоотводных и других),
- перемещения грунтовых масс для строительства сооружений, каналов, поднятия территорий под застройку и так далее.
Краткосрочные – это мероприятия, проводимые применительно к грядущему паводку, при наличии прогноза его масштаба. Эти мероприятия направлены прежде всего на планирование эвакуации населения в случае наступления чрезвычайной ситуации, а также на смягчение вредоносного воздействия ледохода на создание временных гидротехнических сооружений, предотвращения заторов в створах ледовых переправ, мостов, подрывы льда, его распиливание, проведение углубления перекатов и другие.
Также к краткосрочным, локальным, малоэффективным мероприятиям, по мнению автора, могут быть отнесены расчистка судовых ходов, разработка русловых карьеров (в том числе на динамической оси потока), создание струенаправляющих гидротехнических сооружений. Данные мероприятия (сооружения) не могут повлиять на затороопасность реки. Они могут только смещать участки формирования заторов. Ещё раз: причины появления заторов кроются в сочетании естественных условий протекания реки Томи, в сочетании исторически сложившегося геологического основания (крупный меридиональный неотектонический рельефообразующий разлом в совокупности с современными географическими факторами), климатических особенностей региона и режима реки-приёмника (Оби), которая создаёт и регулирует базис эрозии на участке слияния.
Автор статьи предлагает во главу угла поставить долгосрочные мероприятия и, приняв их за основу, приступить к реализации, что в конечном счёте обезопасит население, проживающее на пойменных террасах и в случае с городом Томском позволит уверенно и безопасно развивать градостроительные проекты в Томском левобережье.
Дмитрий Замараев,
главный маркшейдер ООО «Спецгеострой»