ИСТИНА

Географический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова (кафедра гидрологии суши и лаборатория эрозии почв и русловых процессов), начиная с 2000 г., проводит изучение ледотермического и руслового режима рек Сухоны, Юга и Малой Северной Двины для разработки рекомендаций по защите г. Великий Устюг от затопления и подтопления. В последние годы особое внимание было уделено анализу многолетнего и современного водного режима исследуемых рек, а также комплексу гидрологических расчетов уровней и расходов воды различной обеспеченности и генезиса, которые легли в основу дальнейшего математического моделирования и разработки мероприятий по снижению негативного воздействия вод. Одним из основных результатов работы стала адаптированная и откалиброванная по материалам полевых изысканий 2013 г. двумерная гидродинамическая модель русла р. Северной Двины и устьевых участков Сухоны и Юга от г. Великого Устюга до г. Котлас, протяженностью около 90 км. В качестве базового программного комплекса для моделирования движения потоков на рассматриваемых участках был выбран программный комплекс Stream-2D (модернизированная версия программного комплекса River) (авт. В.В. Беликов и др.), широко применяемый в России и показавший высокую эффективность при решении различных задач, связанных с исследованием динамики водных потоков и затоплением территории при природных и техногенных паводках. В основу программного комплекса положено численное решение двумерных уравнений Сен-Венана в приближении мелкой воды на основе гибридных нерегулярных четырехугольно-треугольных расчетных сеток. В качестве исходных данных для моделирования используется цифровая модель рельефа пониженной части долины реки, в качестве граничных условий задаются расходы и уровни воды. Получаемые на основе моделирования характеристики водного потока – уровни воды, скорости течения, глубины и площади затопления, удельная энергия потока, продолжительность стояния воды, являются базовыми для оценки опасности наводнений и потенциальных ущербов от них. В качестве верхних граничных условий задавались расходы воды рек Сухоны и Юга, нижнее граничное условие задано по уровням в г. Котлас. По данным экспедиционных изысканий лаборатории эрозии почв и русловых процессов географического факультета МГУ, данных режимных наблюдений за период 1970-2014 гг., космических снимков за период половодья проведены калибровка и верификация модели, получено хорошее соответствие результатов моделирования данным наблюдений. На основе разработанной модели выполнен анализ динамики выдающихся наводнений у г. Великий Устюг, имеющих стоково-заторный генезис. На период формирования ледовых заторов в модели адаптирован ледовый блок, позволяющий учесть место формирования затора, повышение шероховатости и уменьшение пропускной способности русла. Разница смоделированных и наблюденных уровней по г.п. Великий Устюг не превысила 30 см, разница площадей затопления, определенных дистанционными методами и на основе моделирования, на пике половодий не превысила 5%. Анализ динамики выдающихся наводнений у г. Великий Устюг 1998, 2013, 2016 г, выполненный на основе разработанной модели, показал, что диапазон изменения уровней воды стокового генезиса может составлять 4-6.5 м, дополнительно за счет заторной составляющей уровни воды могут повышаться на 2 – 3 м. Модельные расчеты хорошо воспроизводят динамику уровней воды в контрольных точках, где расположены гидрологические посты, в том числе и в период заторного повышения уровней воды. Созданная модель русла позволила детально рассмотреть различные гидрологические сценарии прохождения весеннего половодья (1 и 5% обеспеченности, в том числе с учетом заторной составляющей). В результате подготовлена серия карт зон затопления с детальной информацией о распределении глубин и скоростей течения в пределах пойменно-руслового комплекса на всем исследуемом 90 км участке. Результаты проведенных модельных расчетов легли в основу рекомендаций и предложений по гидротехнической защите противопаводковыми дамбами населенных пунктов, оценки их возможной эффективности и соотношения величин возможного предотвращенного ущерба и капиталовложений в строительство. На основе сопоставления результатов моделирования при наличии и отсутствии защитных дамб при прохождении высоких половодий было выявлено, что помимо выполнения защитных функций сооружения необходимо учитывать возможное стеснение потока дамбами и связанное с этим подпорное повышение уровней воды на прилегающих поймах. Величина этого повышения может достигать 1 м и более и зависит от конфигурации долины реки и формы сооружения, а также доли поймы, выходящей из-под затопления при наличии дамбы. Из рассматриваемых ключевых участков указанный эффект дополнительного подпорного повышения уровней за счет предполагаемой к строительству дамбы проявился у города Великий Устюг. При формировании ледового затора в узле слияния рек Сухоны и Юга дополнительное подпорное повышение уровней воды за счет влияния дамбы по результатам моделирования достигает 1.3 м, что составит более 10% от общего повышения максимальных уровней воды (для сравнения, заторная составляющая повышения уровней воды на этом участке может достигать 50% от общего повышения).