Оценка риска штормовых наводнений и их геоэкологических последствий в устьевой области реки Преголи (Калининградская область)

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Оценка риска штормовых наводнений и их геоэкологических последствий в устьевой области реки Преголи (Калининградская область)

специальность 25.00.36 - геоэкология (науки о Земле)

Любимова О.Е.

Калининград - 2012

Диссертация выполнена на кафедре геоэкологии в ФГАОУ ВПО «Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта»

Научный руководитель: Краснов Евгений Васильевич,

доктор геолого-минералогических наук,

профессор

Официальные оппоненты: Кочуров Борис Иванович,

доктор географических наук, профессор,

ведущий научный сотрудник Института

географии РАН (г. Москва)

Карлин Лев Николаевич,

доктор физико-математических наук, профессор,

ректор Российского государственного гидрометеорологического университета (г.Санкт-Петербург)

Актуальность исследования. Катастрофические штормовые наводнения в устьевых областях рек во многих странах почти ежегодно наносят колоссальный ущерб природным ландшафтам, портово-промышленным объектам и населению. Повсеместное увеличение количества, повторяемости и разрушительной силы наводнений в XXI в. - все это происходит на фоне длительного повышения уровня Мирового океана, ускорения глобальных и региональных изменений климата, активизации сейсмичности и тектонических движений земной коры. Для минимизации негативных экологических, социальных и экономических последствий наводнений необходим более высокий уровень междисциплинарных геоэкологических исследований, опирающихся на геоинформационные технологии, картографическое моделирование и прогнозирование, совершенствование методологии и методов оценки риска. В Балтийском регионе рискологические подходы особенно важны в исследованиях техногенно трансформированных устьев рек (Нева, Висла, Рейн, Неман, Преголя и др.), для которых в соответствии с Водной стратегией РФ должны быть предусмотрены не только оперативные меры защиты, но и превентивные (опережающие) научно-практические разработки.

Степень разработанности проблемы. Гидрологическим аспектам штормовых наводнений Балтийского региона посвящено множество публикаций. Риск негативных геоэкологических последствий оценен лишь в отношении отдельных аспектов (Мягков, 1995; Никонорова, 1999; Мазур, Иванов, 2004; Башкин, 2005; Музалевский, Карлин, 2011). В работе использован геосистемно-ситуационный подход, который базируется на фундаментальных разработках А.Г. Емельянова (1998), А.М.Трофимова и В.А. Рубцова (2010), теоретико-методологических принципах и методических рекомендациях Б.И. Кочурова (1997) и Н.И. Коронкевича (2011), исследованиях по антропогенной и техногенной трансформации речных геосистем в условиях внезапного и зачительного изменения геоситуаций в приустьевых районах (Самойлов, 1952; Зорина, 1970; Беркович, Зорина и др., 1993; Михайлов, 1997; Авакян, 2000; Полонский, 2000; Алексеевский, Жук и др., 2000; Сергеева, 1991; 2003; 2005; Козлович, Баринова, 2002; Навроцкая, Чубаренко, 2011; Стонт, Чубаренко, Гущин, 2010; Исупова, 2011; Savenije, 1986; Savenije, 1988; Shijf, Shonfeld, 1953; Thatcher, Harleman, 1972; Vasiliev, Dumnov, 1983 и др.).

Объект исследования - устьевая область р. Преголи (природно-техногенная геосистема).

Предмет - выявление пространственно-временных закономерностей развития особо опасных штормовых наводнений, совершенствование методов оценки риска затопления и ущерба портово-промышленным объектам (техногеосистемам), разработка системы мер по снижению негативных последствий, вызванных наводнениями.

Цель работы. Многовариантная оценка риска неблагоприятных геоэкологических последствий штормовых наводнений в устьевой области р. Преголи, обоснование путей их минимизации.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Уточнение теоретико-методологические оснований, понятийно-терминологического аппарата, подходов и методов оценок риска негативных последствий штормовых наводнений в устьевых областях речных геосистем.

2. Разработка классификации наиболее значимых природных, антропогенных и техногенных источников и факторов риска штормовых наводнений.

3. Выявление полей и зон возможного затопления устьевой области р. Преголи при различных уровнях подъема воды в периоды наводнений.

4. Оценка опасности повторения катастрофических штормовых наводнений в устье р. Преголи по ретроспективным наблюденным данным.

5. Обоснование приоритетных мер по превентивной защите устьевых областей рек от штормовых наводнений.

Материалы, методология и методы. Исследование базируется на геоэкологических принципах взаимообусловленности и взаимодействия природных, антропогенных и техногенных факторов. Картографические модели критических, кризисных и катастрофических геоситуаций с учетом степени риска затопления городских территорий и ущерба промышленным предприятиям разрабатывались с применением программных комплексов Digitals и Micro Station (модуль Geoterrain) совместно с А.В. Ясевичем на основе анализа цифровых карт рельефа. В основу эмпирико-статистической обработки исходных данных были положены представления о нестационарности и неоднородности процессов штормовых наводнений, исследованных по динамике многолетних рядов наблюденных максимальных уровней речных вод. Межгодовая динамика максимальных превышений уровня в устьевой области р. Преголи изучалась как вероятностно-детерминированный процесс, включающий трендовую (основная тенденция), циклическую и остаточную (случайные колебания) составляющие.

Автором были систематизированы и обобщены опубликованные и фондовые материалы лаборатории гидрофизических исследований Атлантического отделения Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Государственного океанографического института, ВНИИ гидрометеорологической информации - Мирового центра данных (г. Обнинск) о максимальных годовых уровнях подъема воды в устье р. Преголи за 60 лет (1950-2009); историко-географические сведения о штормовых наводнениях в Кенигсберге-Калининграде за ХVI-XX вв.; показателях загрязнения речной воды и донных илов за 1997-2010 гг. по данным региональных управлений Росприроднадзора и Роспотребнадзора и др.; данные о суммарном экономическом ущербе за 1995-2007 гг. Главного управления МЧС России по Калининградской области и территориального Центра мониторинга, лабораторного контроля и прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера; инженерно-геологические сведения о районе исследования института «Запводпроект»; авторские материалы маршрутного обследования и геоморфологического профилирования, экспертные оценки риска возможного затопления устьевой области р. Преголи.

Научная новизна и теоретическая значимость.

1. Разработана матричная классификация источников и факторов риска штормовых наводнений с учетом их происхождения, масштаба, продолжительности воздействия, возможных негативных последствий. Уточнен ряд неоднозначно определяемых понятий «устьевая область реки», «природно-техногенная геосистема», «штормовое наводнение», «приемлемый риск» и др.

2. Впервые предложен и реализован сопряженный метод оценки риска критических, кризисных и катастрофических по превышениям максимального уровня штормовых наводнений в устьевой области р. Преголи с применением картографического и эмпирико-статистического моделирования. За 60-летний период (с 1950 по 2009 гг.) выявлена тенденция приращения уровня в устьевой области на 40 см. Визуально и графически прослежена цикличность межгодовой динамики наводнений, наиболее отчетливы вековые, 35-летние и 16-18-летние циклы. На период с 2016 по 2018 гг. дан прогноз возможных штормовых наводнений с повышением уровня до 180 см БС и выше.

3. Межгодовая динамика максимальных превышений штормовых уровней и степень их геоэкологической опасности для г. Калининграда отображена цифровыми картографическими моделями. С учетом возможных негативных последствий выделены зоны: морского канала, портово-промышленных объектов и городской застройки. С использованием метода экспертных оценок очень высокая степень риска затопления и связанного с этим ущерба (более 90%) выявлена для перерабатывающей и транспортной техногеосистем, высокая (60-90%) - для целлюлозно-бумажной. Для портовой и судоремонтной техногеосистем риск затопления значительный и умеренный соответственно (30-60% и менее).

Основные защищаемые положения.

· Геосистемно-ситуационный подход к оценке риска негативных последствий штормовых наводнений.

· Многофакторная (матричная) классификация источников и факторов риска штормовых наводнений в устьевой области речной геосистемы.

· Сопряженный метод картографических, эмпирико-статистических и экспертных оценок риска затопления приустьевых территорий и социально-экономического ущерба от штормовых наводнений.

Практическое значение. Результаты исследования внедрены в Главном управлении МЧС России по Калининградской области для разработки мониторинговой системы наблюдений, оценок и прогноза кризисных ситуаций; обоснования управленческих решений по предотвращению опасных последствий наводнений и минимизации ущерба промышленным объектам, здоровью и жизни населения. Ряд положений использован автором при чтении курсов «География природного риска» в РГУ им. И. Канта (2002-2007) и «Экология» в Калининградском техническом колледже (2010-2011). Они могут также найти применение при разработке и реализации более надежной системы защиты устьевых областей рек Балтийского региона.

Достоверность и апробация результатов. Достоверность результатов обеспечена использованием современных междисциплинарных подходов и методик, согласованностью результатов эмпирико-статистической обработки 60-летнего ряда данных с историко-географическими сведениями о штормовых наводнениях с XVI по ХХ вв., сопоставлением цифровых моделей с результатами геоморфологического профилирования зон затопления в речной долине и экспертных оценок.

Основные результаты были представлены в Институте географии РАН, на международных и общероссийских научных конференциях «Региональные аспекты устойчивости и роль университетов» (Калининград, 2000); «География, общество, окружающая среда: развитие географии в странах Центральной и Восточной Европы» (Калининград, 2001); «Экологическая политика и устойчивое развитие регионов России» (Пенза, 2002); «Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы» (Москва, 2002); на ХII Съезде Русского географического общества (Санкт-Петербург, 2005); «Проблемы управления социально-экономическими процессами региона» (Калининград, 2005; 2006; 2010); «Устойчивость водных объектов, водосборных и прибрежных территорий; риски их использования» (Калининград, 2011) и др. С участием автора в 2000-2002 гг. был реализован проект «Картографическое моделирование и оценка риска возникновения чрезвычайных экологических ситуаций (ЧЭС) в условиях приморского региона», поддержанный грантом РФФИ (№ 00-05-65500-а).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 статей, из них две статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы (260 наименований, в том числе 45 - на иностранных языках) и трех приложений. Текст изложен на 166 страницах, содержит 22 таблицы, 26 рисунков.

Личный вклад. Автором обобщены и систематизированы основные опубликованные и фондовые источники информации о штормовых наводнениях в исследуемой устьевой области. Уточнен ряд базовых понятий, характеризующих штормовые наводнения и связанные с ними негативные геоэкологические и социально-экономические последствия. Разработана матричная классификация, учитывающая совокупность природных, антропогенных и техногенных источников и факторов риска штормовых наводнений. Впервые риск штормовых наводнений оценен с применением картографического, эмпирико-статистического и экспертного методов. Динамика повторяемости наводнений и геокологический риск определялись с помощью цифровых моделей. Составлены карты полей возможного затопления, схема зонирования устьевой области р. Преголи с учетом экономического ущерба и других негативных последствий для природных и техногенных комплексов (техногеосистем). Предложена система приоритетных мер по их защите от наводнений (экомониторинг, экоаудит и др.), включая последовательность опережающих (превентивных) действий по оценке риска.

За формирование научных взглядов и многолетнее сотрудничество автор благодарен дг-мн, проф. Е.В. Краснову и кф-мн С.Н. Иванову; за консультации и полезные советы - кф-мн Б.В. Чубаренко, кгн В.Ф. Москальцу, дтн М.В. Болгову (г. Москва), В.Ф. Комчатову (г. Москва), Н.Н. Михайлову (г. Обнинск), И.В. Елисееву, Ю.В. Бабушкину. Особая признательность сотрудникам кафедры геоэкологии БФУ им. И. Канта за неизменную поддержку в годы подготовки диссертации и ее представления к защите.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Глава 1. Методология, терминология и методика исследования

Понятийно-терминологический аппарат. В связи с отсутствием общепринятых дефиниций в данной работе уточнен ряд определений. Риск - это количественная мера опасности (вероятности, возможности) неблагоприятного события, а также ущерба (экологического, экономического, социального), возникающего в чрезвычайных геоситуациях (в данном случае в результате штормовых наводнений). Устьевая область реки в дополнение к представлениям И.В. Самойлова (1952), С.Д. Муравейского (1960), В.Н. Михайлова (1997) и др. определена автором как сложный техногенно трансформированный физико-географический комплекс, включающий часть нижнего течения реки (приустьевой участок) и устьевого взморья, сформированный в результате длительного динамического взаимодействия водных масс и донных осадков морского и континентального происхождения.

По морфогенетическим признакам приморские устьевые области рек подразделены на два главных типа - эстуарный и дельтовый. К первому отнесены однорусловые устья (Преголя, Мезень, Южный Буг, и др.), сопряженные с воронкообразно суженными эстуариями (лагунами, бухтами). Дельтовый тип объединяет многорусловые речные устья (Висла, Неман, Нева и др.)

Понятием «природно-техногенная геосистема» (применительно к устьевой области в условиях урбогеосистемы) объединена совокупность техногенно трансформированных природных ландшафтов, портово-промышленных, историко-культурных, хозяйственно-бытовых комплексов г. Калининграда и объектов инфраструктуры (техногеосистем), подверженных риску затопления в случае штормовых нагонов морских вод. Устьевые области многих рек (в том числе р. Преголи) представляют собой исторически сложившиеся природно-техногенные геосистемы. Внешний облик их берегов и режим водопользования значительно изменены в процессе урбанизации, дно речных долин местами переуглублено и вместе с тем постоянно заиливается, что затрудняет проводку морских судов. Притоки паводковых и нагонных вод лишь местами сдерживаются гидротехническими сооружениями.

Термином «штормовое наводнение» обозначен чрезвычайно быстрый, непредсказуемый по продолжительности и последствиям процесс нагона морских вод в устьевую область, сопровождающийся резким подъемом уровня в речном русле.

В качестве критериев опасности штормовых наводнений в исследуемом районе были приняты: отметка 95 см БС (над нулем Кронштадтского футштока в Балтийской системе) была принята за критическую в связи с уже случавшимся ранее подтоплением портово-промышленных комплексов; отметка 155 см БС - как индикатор особо опасного (кризисного) наводнения, приводившего к серьезным перебоям в работе многих портовых и промышленных объектов (техногеосистем) г. Калининграда вплоть до их остановки. Катастрофическое наводнение фиксируется подъемом уровня до отметки 180 см БС и выше, при этом возникают самые масштабные негативные последствий для промышленных объектов, населения и речной геосистемы в целом.

Чрезвычайные геоэкологические ситуации, возникающие в процессе наводнений, - результат сложного взаимодействия природных, техногенных и социально-экономических процессов. Геоситуационный (в том числе ретроспективный) подход дает возможность определять начальные фазы кризисных и предкризисных изменений в геосистеме и таким образом содействовать разработке антикризисных мер в управлении геоситуациями. В предвидимую геоситуацию легче внести необходимую коррекцию, чем действовать в условиях необратимых структурных и качественных изменений. Малозатратные профилактические меры очевидно эффективнее форсмажорных действий, требующих огромных расходов, после катастрофического наводнения.

Вслед за Б.И. Кочуровым (1997, 2003), геоэкологическая ситуация рассматривается как пространственно-временное сочетание средообразующих природно-антропогенных условий, существенно влияющих на жизнедеятельность человека (от удовлетворительной и напряженной до кризисной и катастрофической). Критическая геоситуация характеризуется превышением допустимых нормативных нагрузок на речную экосистему. При кризисных геоситуациях существенно трансформируются природные условия, сгонно-нагонные процессы создают угрозу жизни населения и работе предприятий.

При катастрофической геоситуации природно-антропогенные нагрузки многократно превышают допустимые значения, разрушается структура природно-техногенной системы, в ней происходят глубокие, необратимые изменения. Они влекут за собой резкое ухудшение условий производства, деградацию ландшафтов и другие негативные последствия (прорывы дамб, затопление предприятий, оползни, разрушение берегов, заморы рыб и др.).

Глава 2. Формирование и современное состояние геосистемы р. Преголи

Ретроспективный анализ историко-географических и современных данных как основа многофакторной классификации штормовых наводнений. В длительной истории развития этой природно-техногенной геосистемы выявлено многократное увеличение повторяемости чрезвычайных геоситуаций регионального и локального масштабов, экстремальных повышений уровня вод в Юго-Восточной Балтике и штормовых нагонов в устьевые области рек (в ХVI-XVIII вв. отмечалось по одному значительному наводнению, сопровождавшемуся затоплением центральной части г. Кенигсберга, в XIX в. - 6, в ХХ - 12). Однако, в начале ХХI в. их количество снизилось до 5-ти. В многолетней динамике штормовых наводнений наиболее значимо выделяются 16-18-летние (1894, 1913, 1929-1933, 1949, 1967, 1983, 1999 гг.) и 35-летние циклы (1913, 1949, 1983 гг.). Из-за отсутствия очистки городских сточных вод при штормовых нагонах они в историческом прошлом периодически загрязняли водозаборы, приводя к эпидемиям чумы, холеры и других инфекционных заболеваний. Сгонно-нагонные явления с давних времен препятствовали проводке судов по морскому каналу, работе портов и терминалов. С конца XIV в. здесь приступили к строительству защитных гидротехнических сооружений - дамб, каналов, шлюзов, ослаблявших энергию штормовых нагонов морских вод в устьевую область и риск возможного ущерба хозяйственным объектам и населению.

Возникновение и развитие наводнений на р. Преголе обусловлено совместным действием штормовых ветров западного и юго-западного направлений и нагонных морских волн, проникающих в устьевую область через Балтийский пролив. При денивеляции водной поверхности Вислинской лагуны и ее наклоне в северо-восточном направлении здесь происходили самые катастрофические наводнения, приводившие к затоплению производственных и жилых объектов, размыву и обрушению берегов, проникновению соленых морских вод вверх по течению реки (Сергеева, 1991, 2003). С 1951 по 2010 гг. гидропостом «Калининград - рыбный порт» (в основном) было зарегистрировано 92 штормовых наводнения, восемь из них были связаны с подъемом уровня вод до особо опасных отметок: 188 и 183 см (в Балтийской системе отсчета) в январе 1983 г., 188 см - в декабре 1999 г., 162 см - в январе 2007 г., 160 см - в октябре 1967 г., 159 см - в августе 2005 г., 156 см - в ноябре 2004 г., 155 см - в ноябре 1981 г.; двенадцать были близки к особо опасным (126-154 см), остальные - в пределах 95-125 см БС. Амплитуда колебаний уровня нагонных вод за многолетний период наблюдений в портово-промышленной зоне г. Калининграда достигла 316 см. Как на р. Неве и р. Рейне в устьевой области р. Преголи отмечались вековые циклы наводнений, экстремальные геоситуации, вызываемые наводнениями, повторяются здесь каждые 4-6 лет, а умеренные - 2-4 раза в год. За 1951-1960 гг. зафиксировано всего 5 штормовых наводнений, в течение двух последующих десятилетий их количество возросло до 10-12, а в 80-х гг. - до 30. Однако, в 1995-2000 гг. количество наводнений значительно снизилось (с 30 до 19), за 2001-2010 гг. их число сократилось до 16. Это возможно увязать с перемещением основных траекторий циклонов в северном направлении.

Разработка многофакторной классификации источников и факторов риска штормовых наводнений. В основу классификации, разработанной автором путем обобщения ранее предлагавшихся схем (Мягков, 1995; Kolluru, 1996; Кропоткин, 1997; и др.), было положено их подразделение по происхождению, масштабу и продолжительности воздействия, степени риска, последствиям (табл. 1). Таким образом были интегрированы представления об основных пространственных, динамических и компонентных факторах риска, что особенно важно для разработки более обоснованных методов их оценки и прогноза.

В составе природных источников учитывался комплекс физико-географических условий, в том числе: скорость и направление ветра, траектории циклонов, градиенты атмосферного давления, динамика водных масс, (основные предикторы), а также изменения уровня морских вод вследствие океанизации (по В.В. Орленку, 2008), рельеф и уклоны дна, сейсмотектоническая и солнечная активность; к техногенным источникам риска отнесены прорывы дамб и плотин, аварийные сбросы вод из водохранилищ, загрязнение и заиление водозаборов; к антропогенным - сужение и спрямление русел, увеличение речного стока и др. В условиях их совместного проявления значительно возрастает роль природно-техногенных источников (например, трансформированные берега, загрязненные воды и донные осадки).

Таблица 1 - Матричная классификация источников и факторов риска штормовых наводнений в устьевых областях рек

По масштабу воздействия факторы риска дифференцированы на локальные - распространение последствий которых ограничено объектом производственного или социального назначения (количество пострадавших не более 50 чел., экономический ущерб не более 5 млн. руб.); региональные - в пределах сельского или промышленного района, города, области (количество пострадавших свыше 50 чел., но не более 500 чел., ущерб свыше 5 млн. руб., но не более 500 млн. руб.); глобальные - вследствие повышения уровня океанов и морей, изменения климата и др. (количество пострадавших свыше 500 чел., ущерб более 500 млн. руб.).

По длительности риск наводнений подразделен на краткосрочный - продолжительностью до 4 часов и долгосрочный - от 23 часов и более. Так, наводнение на р. Преголе в январе 1983 г. продолжалось 72 часа.

Критические геоситуации связаны с затоплением участков поймы и низких надпойменных террас, нарушениями хозяйственной деятельности и частичной эвакуацией населения; кризисные возникают при распространении негативных последствий на большую часть речного бассейна с большим материальным и моральным ущербом, массовой эвакуацией населения и материальных ценностей, защитой от затопления важных хозяйственных объектов; катастрофические последствия характерны для геоситуаций, охватывающих иногда несколько речных бассейнов, с полным нарушением производственной и хозяйственной деятельности, огромными материальными убытками и гибелью людей. По степени риск подразделен на неприемлемый (выше 1%-ной обеспеченности) и приемлемый (до 1%-ной).

Глава 3. Оценка геоэкологического риска штормовых наводнений в устьевой области р. Преголи

Эмпирико-статистическая оценка риска наводнений проводилась в следующей последовательности: формирование базы исходных данных из 60-летнего ряда годовых максимальных уровней р. Преголи, наблюденных с 1950 по 2009 гг. на гидропосту «Калининград - порт», выявление в исходном ряду трендовой и циклической составляющих, расчет статистически значимых характеристик и уравнения тренда (по методикам Рождественского и Чеботарева, 1974; Елисеевой и Юзбашева, 1998), визуальный и графический анализ цикличности, ориентировочный прогноз возможного превышения максимальных отметок уровня воды на краткосрочную перспективу (до 2016-2018 гг.).

В основу оценок риска было положено представление о неоднородности исследуемого ряда максимальных значений штормовых уровней, отражающих процессы различных временных масштабов (от вековых до суточных), что потребовало соответствующих изменений в методике по сравнению со стандартной статистической обработкой данных. Априорно процесс многолетней динамики максимальных уровней рассматривался как направленный и одновременно циклический, а для прогноза учитывались значения, существенно превышающие рядовые вариации в пределах возможных погрешностей.

Эмпирико-статистическая обработка межгодовых наблюденных значений уровня в Калининградском морском рыбном порту выявила в исходном ряду положительный линейный тренд приращения уровня на 40 см за 60 лет. Тенденцию и тип уравнения регрессии выявляли визуально, а параметры - методом наименьших квадратов. Рассчитанные по двадцатилетиям ретроспективные значения превышений особо опасной отметки 155 см БС показали, что с 1950 по 2009 гг. их относительная частота возросла в 4 раза, частота превышения отметки 95 см БС увеличилась в полтора-два раза, а частота уровня 180 см осталась неизменной. Все полученные значения надежно превышают приемлемую 1%-ную обеспеченность на порядок, что указывает на срочную необходимость разработки и реализации системы превентивных мер по снижению риска вероятных последствий штормовых наводнений (экономических, экологических, социальных) в устьевой области р. Преголи.

Колеблемость уровня р. Преголи относительно тренда (для интервала с 1990 по 2009 гг.) составляет ±30 см. Со значимостью критерия Стьюдента б=0,1, доверительный интервал для прогноза ±50 см. Рост предельной ошибки с расширением интервала прогноза не позволил сколько-нибудь надежно использовать лишь эмпирико-статистический метод для оценки риска штормовых наводнений на долговременную перспективу. Однако, для ориентировочного кратковременного прогноза он оказался вполне приемлемым.

Чередование разновысотных уровней и размах их изменчивости (по амплитуде) указывают на существование разнопорядковой цикличности, но графически (рис. 1) наиболее отчетливо выражена 16-18-летняя цикличность, коррелируемая с водностью (стоком) рек западной части России и Украины (Рождественский, Чеботарев, 1974). Допустимы также гипотезы о 35-летней цикличности, которые принято (по Э. Брюкнеру) увязывать с вариациями температуры приземного слоя воздуха, атмосферных осадков и давления, а также с чередованием климатических фаз теплообеспеченности и увлажненности (Лазарева, Максимов, 1991; Максимов, 2005).

Гипотезы цикличности вполне согласуются с эмпирическими данными и позволяют прийти к выводу о возможности появления в устье р. Преголи очередных экстремальных по уровню наводнений в 2016-2018 гг. Ориентировочно (судя по тренду) без учета цикличности в ближайшие 4-6 лет наиболее вероятны штормовые превышения уровня до 140-160 см БС, а с учетом 16-летних циклов - до 160-180 см БС и даже несколько выше, чем определяется угроза затопления пойменных островов в устьевой области.

По данным ежегодной отчетности Управления МЧС России по Калининградской области установили, что наибольший риск негативных последствий приходился на годы активизации штормовой деятельности.

Рисунок 1 - Тренд и межгодовая изменчивость уровня вод в устье р. Преголи за 1950-2009 гг.

Если, в 1995 г. общий ущерб от природных и техногенных чрезвычайных ситуаций в Калининградской области составлял 78 млн. руб., то в 1999 г. - 166,7 млн. руб., из них 161 млн. руб. был направлен на ликвидацию последствий штормовых наводнений (уровень в устье р. Преголи поднимался до 188 см). В 2002 г. 104 млн. руб. пришлось затратить на возмещение ущерба, причиненного наводнением с подъемом уровня воды до 135 см. В 2005 г. с повышением уровня до 159 см были затоплены 14 крупных промышленных предприятий г. Калининграда, а ущерб достиг 580 млн. руб. Вероятный экономический ущерб в случае затопления лишь одного предприятия (ОАО «Мукомольный завод») может превысить 1 млн. 200 тыс. руб., включая расходы на ликвидацию аварийных ситуаций и компенсацию упущенной выгоды предприятия.

На основе ретроспективного анализа историко-географических и современных данных выявлено, что штормовые нагоны морских вод в устьевую область р. Преголи приводят к обширному затоплению не только поймы, но и надпойменных террас (первой и второй), а также островов, что существенно нарушает гидроэкологическую обстановку во всем бассейне, активизирует глубинную и боковую эрозию донных отложений, разрушение береговых геоморфосистем, изменяет состав твердых стоков, объем взвешенных веществ, характер русловой и пойменной седиментации. В фазы максимальных штормовых нагонов загрязненные техногенными илами соленые морские воды проникают по речному руслу до 56-123 км. При катастрофическом понижении содержания кислорода в речной воде активизируются процессы бактериальной сульфатредукции и выделения сероводорода, происходят заморы рыб и беспозвоночных.

Особый риск связан с нагонным проникновением соленых морских вод на городские водозаборы Калининграда и Гвардейска. Воды в устьевой области р. Преголи систематически загрязняются соединениями азота, тяжелых металлов, сульфатами, нефтепродуктами, фенолами и т.д. В 2010 г. значения БПК₅ превышали предельно допустимые в 1,5-2,5 раза, железа общего достигали 2,3ПДК, азота аммонийного - 2,2ПДК, азота нитритного - 2,8ПДК. Содержание хлоридов (1067 мг/л) и сульфатов (147 мг/л) превышало ПДК в 3,6 и 1,4 раза соответственно. Кратность превышения ПДК по нефтепродуктам составила 2,4, по ртути - 1,8 (Доклад об экологической обстановке…, 2011). штормовой наводнение река

Самоочищающая способность экосистемы в нижнем течении р. Преголи почти полностью утрачена. С 1997 по 2010 гг. прослежена тенденция возрастания в речной воде БПК, взвеси, нефтепродуктов, коли-индекса и некоторых тяжелых металлов (Ni) и др., что указывает на углубление кризисного состояния геосистемы, которое приводит к заморам, сокращению численности рыб и беспозвоночных. При повышениях уровня до +1,5, +2,0 м штормовые наводнения наносят особенно значительный вред защитным гидротехническим сооружениям и территориям морского, торгового и рыбного портов, вагонзавода, ЗАО «Цепрусс», ОАО «Мукомольный завод», нефтебазы, а также водозаборам г. Калининграда, районам жилой застройки.

В зонах возможного затопления расположены многолетние свалки твердых бытовых отходов г. Светлого - 1 млн. тонн (на прибрежно-морской равнине), г. Калининграда - 22 млн. тонн (на заболоченной моренной полого-холмистой равнине) и г. Черняховска - 2,8 млн. тонн (на аллювиальной равнине). На полигоне в непосредственной близости от пос. Космодемьянского скопилось около 70% всех ТБО Калининградской области, свалки непрерывно загрязняют сточными фильтратами не только р. Преголю и Вислинскую лагуну, но и грунтовые воды. К источникам повышенной экологической опасности отнесены и неутилизируемые с начала ХХ в. промышленные отходы бывших целлюлозно-бумажных производств, содержащие мышьяк, хлорорганические соединения и др. поллютанты. Содержание взвешенных веществ в Калининградском морском канале достигает 40,3 мг/л (ПДК 0,25 мг/л для рыбохозяйственных водоемов I категории), а лигносульфонатов - 3,6-11,5 мг/л (ПДК 1,0-3,0 мг/л).

Насыщенность устьевой области промышленными предприятиями и ее значительная техногенная трансформация определили целесообразность выделения нескольких типов техногеосистем: транспортной, портовой, судоремонтной, целлюлозно-бумажной и перерабатывающей (рис. 2). Согласно экспертным оценкам, наибольший риск затопления угрожает целлюлозно-бумажной, перерабатывающей и транспортной техногеосистемам (60-90% и более), а наименьший - судоремонтной (менее 30%). Промежуточные значения (30-60%) определены для портовой техногеосистемы.

Рисунок 2 - Экспертная оценка риска затопления техногеосистем портовой зоны г.Калининграда

Цифровые модели полей возможного затопления промышленных и природных объектов в нижнем течении р. Преголи.

На основе цифровой карты рельефа местности масштаба 1:10000 по горизонталям и отметкам высот в триангуляционной форме были построены (в соавторстве с А.В. Ясевичем) цифровые модели рельефа и полей затопления речной долины для различных уровней подъема воды (через каждые 25 см), а также осуществлена их визуализация для 7 стадий развития штормового наводнения в районе пос. Борисово (рис. 3).

Сопоставление результатов моделирования при различных сценариях развития штормового наводнения позволяет более надежно прогнозировать чрезвычайные геоситуации и вырабатывать меры по минимизации их негативных последствий в устьевой области реки.

а) б) в)

Рисунок 3 - Цифровые модели полей затопления участка р. Преголи (пос. Борисово) при различных уровнях подъема воды, см БС: а) 25; б) 100; в) 150

Глава 4. Пути снижения риска штормовых наводнений

Зонирование устьевой области р. Преголи. По совокупности природных (геолого-геоморфологических, почвенных, гидродинамических и геоэкологических), антропогенных и техногенных факторов устьевая область речной геосистемы была подразделена на три зоны.

Рисунок 4 - Зонирование устьевой области р.Преголи

А - зона морского канала; Б - портово-промышленная зона; В - зона городской застройки.

Сравнительный анализ геоморфологических и гидроэкологических особенностей устьевой области р. Преголи завершился выделением в ней трех зон (рис. 4), отчетливо различающихся не только природными условиями, но и возможным ущербом портово-промышленным техногеосистемам и городскому населению, проживающему на территориях обводненной поймы, низких речных террас и островов (табл. 2).

Таблица 2 - Геоэкологические и социально-экономические последствия штормовых наводнений в устьевой области р. Преголи

Рекомендации по снижению риска штормовых наводнений.

Опыт защиты устьевых областей рек от опасных наводнений выявил недостаточность традиционных (сугубо технических) решений (строительство дамб, шлюзов, обвалование берегов и т.п.). С целью их заблаговременного предупреждения необходим геосистемный мониторинг, включая использование спутниковой информации о состоянии прибрежных морских, эстуарных и речных геосистем в периоды паводков и усиления штормов. Для оценки негативных последствий затопления приустьевых территорий и объектов городской инфраструктуры (мосты, дороги, районы производственной и жилой застройки) рекомендован экоаудит территорий и предприятий, подверженных риску затопления, упреждающие комплексные геоэкологические исследования - от картографирования и районирования (зонирования) до моделирования и прогнозирования. Только таким образом возможно свести к минимуму вероятный ущерб природным геосистемам, хозяйственным объектам и здоровью населения. Необходимо более действенное и последовательное применение эколого-правовых инструментов, включая ограничение и приостановку деятельности предприятий, наносящих вред речной геосистеме загрязнением ее неочищенными стоками.

В качестве алгоритма геоэкологической оценки риска, связанного с наводнениями, предлагается следующая последовательность действий аудитора (эксперта): выявление наиболее вероятных источников и факторов риска для объектов, расположенных в зонах возможного затопления; определение вида воздействия и степени ущерба; оценка масштаба, частоты, продолжительности критических, кризисных и катастрофических геоситуаций в связи с риском для техногеосистем.

ВЫВОДЫ

1. Многофакторная (матричная) классификация источников и факторов риска штормовых наводнений позволяет интегрально представить их воздействие на устьевую геосистему по наиболее значимым показателям (происхождению, масштабу и длительности воздействия, негативным последствиям, уровню риска), а также уточнить представления о риске.

В качестве критериев риска наводнений целесообразно использовать быстрые и наиболее значительные по амплитуде превышения штормовых уровенных отметок речных вод в устьевой области р. Преголи. Опасная (критическая) отметка 95 см БС над нулем Кронштадтского футштока характерна для начала подтопления портово-промышленных комплексов; особо опасная (кризисная) отметка 155 см БС связана с серьезными перебоями в работе многих промышленных предприятий г. Калининграда вплоть до их остановки, а подъем уровня до 180 см БС и выше определяет катастрофическое наводнение с негативными геоэкологическими последствиями для многих урбогеосистем (Гвардейск, Черняховск и др.).

2. Ретроспективный анализ историко-географических данных о штормовых наводнениях в устьевой области р. Преголи выявил многократное увеличение их повторяемости от одного-двух за 100 лет в ХVI-XVIII вв. до 6-ти в ХIХ в. и 12-ти в ХХ в. с затоплением центральной части Кенигсберга (о-вов Кнайпхоф, Ломзе и др.), прорывами дамб, размывом берегов, активизацией оползневых процессов и другими геоэкологическими последствиями. Установлено, что в те периоды, когда количество наводнений на р. Преголе возрастало, на р. Неве оно снижалось. Разнонаправленные тенденции в балтийских реках, по-видимому, обусловлены перемещением траекторий североатлантических циклонов. В многолетней динамике штормовых наводнений на р. Преголе наиболее отчетливы 16-18-летние и 35-летние циклы, что подтверждается результатами эмпирико-статистической обработки 60-летнего ряда максимальных годовых значений уровня с 1950 по 2009 гг.

3. Для оценки риска наиболее перспективным оказалось построение цифровых моделей полей затопления портово-промышленной зоны г. Калининграда и района пос. Борисово. Методом картографического моделирования процесс возникновения и развития штормового наводнения был подразделен на 7 последовательных стадий (фаз), различающихся степенью затопления поймы и надпойменных террас. Наибольший риск в связи с возможным затоплением выявлен для промплощадок ЗАО «Цепрусс», ОАО «Мукомольный завод» и АО «Вагоностроитель» (абсолютные отметки местности здесь не выше +1,0 м). Показано, что в годы усиления штормовых наводнений экономический ущерб портово-промышленным предприятиям значительно возрастает (1995, 1997, 1999, 2007, 2011).

4. Установлено, что расчетные значения относительных частот превышений максимальных отметок уровня вод р. Преголи (для 95, 155 и 180 см БС) надежно превышают приемлемый уровень 1%-ной обеспеченности на порядок, в связи с чем необходима разработка системы превентивных мер по снижению риска возможного ущерба. Методом наименьших квадратов получено уравнение положительного линейного тренда (y=0,7066х+85) и выявлена основная тенденция приращения уровня вод в среднем на 40 см за 60 лет. Графически и визуально в многолетнем ряду наблюденных уровней наиболее отчетливо прослежена 16-18-летняя и 35-летняя цикличность (квазипериодичность), с учетом которой и основной тенденции (тренда) в ближайшие 4-6 лет здесь возможны штормовые наводнения с превышением кризисной (155 см БС) и катастрофической (180 см БС) отметок.

5. Штормовые наводнения на р. Преголе сопряжены со значительными геоэкологическими последствиями: размывом и разрушением речных берегов, активизацией оползневых процессов, нарушением гидрологического режима, глубинной и боковой эрозией, изменением состава твердых стоков, русловой и пойменной аккумуляцией, а также перемещением массы солоноватых морских вод, взвесей и токсичных техногенных илов на значительное расстояние вверх по течению (на 56-123 км). Самоочищающая способность экосистемы в нижнем течении реки почти полностью утрачена в результате многолетнего загрязнения промышленными и бытовыми отходами.

По данным Калининградского центра гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды, ООО «Водоканал», ежегодным отчетам региональных органов «Росприроднадзор» и «Ростехнадзор» с 1997 по 2010 гг. прослежена тенденция возрастания в речной воде БПК, взвеси, нефтепродуктов, коли-индекса и других контаминантов, что указывает на углубление кризисного состояния речной геосистемы. В результате мощных наводнений водозаборы г. Калининграда оказываются загрязненными встречными потоками эстуарных и морских вод, чем возможно обусловлены вспышки инфекционных заболеваний местного населения.

6. С учетом риска наводнений по совокупности морфоструктурных особенностей в устьевой области р. Преголи выделены: зона судоходного морского канала, портово-промышленная зона и зона городской застройки. В первой из них риск обусловлен заилением и обмелением речного русла - фарватера Калининградского морского канала, что препятствует проводке судов. Во второй зоне риск связан с экономическим ущербом портовым и промышленным объектам, а в третьей - с проникновением загрязненных эстуарных вод на городские водозаборы и возрастанием риска здоровью населения городов и поселков. Наиболее высока степень риска для перерабатывающей и транспортной техногеосистем (более 90%), высокая - для целлюлозно-бумажной (60-90%), значительная - для портовой (30-60%) и умеренная - для судоремонтной техногеосистем (менее 30%).

7. Для защиты р. Преголи от наводнений предложено систематически проводить экомониторинг всей системы "море - эстуарий - река", а также экоаудит предприятий в зонах возможного затопления и загрязнения по предложенному алгоритму действий. Опережающие геоэкологические исследования и разработки многовариантных систем оценок риска - важнейшее звено предупреждения наводнений и минимизации ущерба в случае их возникновения. Более последовательно следует использовать и эколого-правовые инструменты, совершенствовать их на региональном и федеральном уровнях с целью безусловного ограничения и даже прекращения деятельности предприятий, наносящих значительный ущерб речной геосистеме неочищенными токсичными стоками.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В ведущих изданиях (по перечню ВАК):

1. Любимова О.Е., Краснов Е.В. Картографическое моделирование кризисных ситуаций в прибрежно-морских районах // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2006, № 2. - С. 160-168 (0,5 п.л.).

2. Любимова О.Е. Техногенная трансформация устьев рек и ее геоэкологические последствия // Вестн. РГУ им. И. Канта, 2011. Вып. 1. - С. 35-39 (0,3 п.л.).

В иных изданиях:

3. Любимова О.Е., Краснов Е.В. Природные экологические кризисы и катастрофы в истории Калининградской области // Материалы Международной науч.-техн. конф. Ч.1. - Калининград: КГТУ, 2000. - С. 165-166 (0,06 п.л.).

4. Любимова О.Е. Критерии выделения зон экологической опасности в Калининградской области // Экологические проблемы Калининградской области и Балтийского региона: Сб. науч. тр. - Калининград: КГУ, 2001. - С. 35-37 (0,2 п.л.).

5. Ljubimova O.E. Risk assessment of the present pollution situation in Kaliningrad Region // Regional Aspects of Sustainability and the Role of the Universities: Proceedings of the Regional INES Seminar / INES. - Dortmund, Germany, 2001. - S. 81-82 (0,1 п.л.).

6. Любимова О.Е., Краснов Е.В., Ясевич А.В. Использование ГИС-технологий для создания региональных картографических моделей // Экологическая политика и устойчивое развитие регионов России: Материалы Всероссийской науч.-практ. конф. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2002. - С. 226-228 (0,09 п.л.).

7. Любимова О.Е., Краснов Е.В., Ясевич А.В. Геоэкологическое картографирование и моделирование в системе оптимизации регионального природопользования // Актуальные проблемы геоэкологии: Материалы Международной науч. конф. Ч.1. - Тверь: Тверской государственный университет, 2002. - С. 82-83 (0,06 п.л.).

8. Любимова О.Е., Краснов Е.В., Баринова Г.М., Зотов С.И. Опыт эколого-географического моделирования в Калининградской области // Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы: Материалы Юбилейной Всероссийской науч. конф. - М.: МГУ, 2002. - С. 257-258 (0,04 п.л.).

9. Любимова О.Е., Краснов Е.В. Цифровое картографирование геоэкологических ситуаций и моделирование зон затопления в приморском регионе // Проблемы управления социально-экономическими процессами региона: Материалы Международной науч.-практ. конф. - Калининград: Ин-т «КВШУ», 2005. - С. 99-102 (0,1 п.л.).

10. Любимова О.Е. Классификация чрезвычайных геоэкологических ситуаций приморского региона (на примере Калининградской области) // Геоэкология и природопользование: Труды ХII Съезда РГО. Т. 4. - СПб, 2005. - С. 120-125 (0,4 п.л.).

11. Любимова О.Е. Польдеры Калининградской области как природно-технические системы и их современное состояние // Проблемы управления социально-экономическими процессами региона: Материалы II международной науч.- практ. конф. - Калининград: Ин-т «КВШУ», 2006. - С. 113-118 (0,4 п.л.).

12. Любимова О.Е., Иванов С.Н., Бережный Б.Д. Анализ динамики уровня в устьевой зоне р. Преголи у г. Калининграда // Проблемы управления социально-экономическими процессами регионов: Материалы VI международной науч.-практ. конф. - Калининград: АНО ВПО «КИУ», 2010. - С. 103-107 (0,2 п.л.).

13. Любимова О.Е., Краснов Е.В. Многофакторная оценка риска возникновения чрезвычайных экологических ситуаций в Калининградской области // Вестн. КГУ, 2000. - С. 90-98 (0,3 п.л.).

14. Любимова О.Е. Картографическая оценка природного и антропогенного риска в Калининградской области // Ученые записки Русского географического общества (Калининградское отделение). Т.1, 2001. - С. 2D1-2D7(0,4 п.л.).

15. Любимова О.Е. Чрезвычайные экологические ситуации и их классификация // Проблемы географических наук: Материалы постоянных научных семинаров. - Калининград: КГУ, 2002. - С. 19-22 (0,2 п.л.).

16. Любимова О.Е. Новое об экологическом риске // Вестн. РГУ им. И. Канта: Серия Естественные науки, 2006, № 1. - С. 115-117 (0,2 п.л.).

Размещено на Allbest.ru