Оценка лавинной опасности на равнинных территориях Сахалина

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 25.00.36 - геоэкология (науки о Земле)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата географических наук

ОЦЕНКА ЛАВИННОЙ ОПАСНОСТИ НА РАВНИННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ О. САХАЛИН

БОБРОВА ДАРЬЯ АНДРЕЕВНА

Хабаровск - 2014

Работа выполнена в ФГБУН Дальневосточный геологический институт Дальневосточного отделения Российской академии наук (лаборатория лавинных и селевых процессов Сахалинского филиала)

Научный руководитель:	Казаков Николай Александрович, кандидат геолого-минералогических наук, ФГБУН Сахалинский филиал Дальневосточного геологического института ДВО РАН, директор
Официальные оппоненты:	Гарцман Борис Ильич, доктор географических наук, ФГБУН Тихоокеанский институт географии ДВО РАН, заведующий лабораторией
Ведущая организация:	Квашук Сергей Владимирович, доктор геолого-минералогических наук, Дальневосточный государственный университет путей сообщения, профессор ФГБУН Институт географии РАН

Защита состоится 6 июня 2014 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 005.019.01 на базе ФГБУН Институт водных и экологических проблем ДВО РАН по адресу:

680000, г. Хабаровск, ул. Ким Ю Чена, 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУН Институт водных и экологических проблем ДВО РАН

Автореферат разослан «___» апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук	Н. А. Рябинин

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Лавиноопасными являются около 70% территории о. Сахалин. В лавиноопасной зоне расположено 57 населенных пунктов (из которых 11 городских и 46 сельских поселений), а также более 500 км автомобильных и железных дорог. Более 50% случаев схода лавин на о. Сахалин приходится на лавины генетического класса - лавины нового снега (метелевого и свежевыпавшего). Ущерб от лавин нового снега выражается частыми завалами автомобильных и железных дорог.

Традиционно в лавиноведении лавиноопасными принято считать только горные территории. Так, например, низкие склоны речных террас часто не считают лавиноопасными, и при оценке лавинной опасности эти зоны выделяют как территории, не представляющие угрозы для населения. Тем не менее, в некоторых районах Российской Федерации, в т.ч. на о. Сахалин, на равнинных территориях, отмеченных на картах как нелавиноопасные, были зарегистрированы случаи попадания людей в лавины со склонов относительной высотой всего 5 метров, а также их гибели. Таким образом, можно говорить о том, что лавинные процессы накладывают заметный отпечаток на хозяйственное освоение равнинных территорий.

Под влиянием лавинных процессов происходит изменение природно-территориальных комплексов и возникают природные лавинные комплексы (ПЛК) (Кюль, 2004). Оценка геоэкологических последствий схода снежных лавин заключается в исследовании взаимодействия лавинных процессов с природной средой, а также с хозяйственной деятельностью человека. Данная проблема является малоизученной на равнинных территориях. Одним из аспектов изучения взаимного влияния лавинных процессов с хозяйственной деятельностью является активизация лавинных процессов в связи с деятельностью человека. Например, создание искусственных склонов увеличивает площадную пораженность территории лавинными процессами и затрудняет ведение хозяйства.

Другим важным геоэкологическим аспектом изучения лавинных процессов на территории равнин является определение границ лавиноопасных зон, что позволяет вести хозяйственную деятельность с учетом активности проявления опасных природных процессов, а именно, с учетом формирования снежных лавин.

На низких склонах равнинных территорий чаще всего формируются лавины нового снега. В связи с высокой частотой формирования лавин нового снега на о. Сахалин необходима разработка методики расчета дальности выброса, позволяющая максимально точно определять дальность выброса лавин этого генетического класса. На сегодняшний день существует большое количество моделей, позволяющих оценивать этот параметр. Однако в ряде случаев рассчитанные по этим методикам дальности выброса лавин сильно отличаются от фактических значений. Так, например, полученные расчетные значения дальности выброса лавин нового снега по методике С.М. Козика для низких склонов часто дают сильно завышенные результаты, что делает эту методику для расчёта характеристик таких лавин малоэффективной.

Объектом исследования являются лавинные процессы.

Предмет исследования: лавины нового снега, формирующиеся на склонах высотой более 5 метров, расположенных на равнинных территориях, и определение дальности выброса лавин нового снега.

Цель работы: оценить лавинную опасность равнинных территорий о. Сахалин

Задачи исследования:

• Определить условия формирования и характеристики лавин и лавинного режима на равнинных территориях о. Сахалин.

• Построить карту природных лавинных комплексов равнинных территорий о. Сахалин.

• На основе фактических данных о случаях схода лавин на о.Сахалин определить границу дальности выброса лавин нового снега.

• Определить степень зависимости дальности выброса лавин нового снега от параметров лавины и лавиносбора, используемых в расчетных методиках.

• Разработать методику расчета дальности выброса лавин нового снега.

Фактический материал и методы исследований. В основу диссертации вошли материалы 9-летних полевых работ и стационарных наблюдений, проведенных автором на территории о. Сахалин. В работе использованы архивные и полевые материалы лаборатории лавинных и селевых процессов Сахалинского филиала ФГБУН ДВГИ ДВО РАН, материалы Сахалинского управления по гидрометеорологии и контролю окружающей среды (СахУГМС), архивные материалы АНО НИЦ «Геодинамика».

При сборе и анализе материалов использовались традиционные методы географических исследований. Решение основных задач диссертационной работы основывалось на применении сравнительно-географического, картографического, экспедиционного, стационарного и других методов исследований динамичных природных систем. Для анализа данных многолетних наблюдений за лавинными процессами использованы методы статистического анализа и методы машинного обучения.

Теоретической и методологической основой диссертационного исследования послужили работы отечественных и зарубежных специалистов в области лавиноведения (Тушинский Г.К, Войтковский К.Ф., Казаков Н.А., Гофф А.Г., Оттен Г.Ф., Божинский А.Н., Лосев К.С., Благовещенский В.П. и др.).

Научная новизна.

1. Установлено, что лавиноопасными являются равнинные территории, где лавины формируются на склонах с относительной высотой от 5.

2. Выделены участки равнинных территорий о. Сахалин, на которых развиты лавинные процессы, и определены характеристики лавин и лавинного режима.

3. Установлено, что лавины на равнинных территориях о. Сахалин сходят со склонов дюн, бугров пучения, просадочных впадин, речных террас.

4. Установлено, что лавиноопасными могут быть искусственно созданные склоны авто- и железнодорожных насыпей, отвалов, выемок, каналов, карьеров и т.д.

5. Предложен новый метод расчета дальности выброса лавин нового снега, построенный на основе статистических данных о сходах лавин нового снега на о. Сахалин. Методика позволяет определять дальность выброса лавин частой повторяемости генетического класса нового снега.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. На о. Сахалин лавинные процессы развиваются на равнинных территориях, в том числе на антропогенных формах рельефа, при относительной высоте склона более 5 м; максимальные объемы лавин достигают 500 мі; площадная пораженность равнинных территорий лавинными процессами составляет 1-10 %. Выделено четыре типа природных лавинных комплексов равнинных территорий о. Сахалин.

2. Дальность выброса лавин нового снега объемом до 8 000 тыс. мі в меньшей степени зависит от значений объема лавины и площади лавиносбора и в большей степени зависит от формы продольного профиля лавиносбора.

3. Методика расчета дальности выброса лавин нового снега позволяет на основе данных об относительной высоте лавиносбора и форме его продольного профиля рассчитывать дальность выброса лавин нового снега объёмом до 8 000 м3.

Личный вклад автора. Основные результаты и положения, выносимые на защиту, получены автором лично. Автор принимал участие в сборе и обработке материалов полевых наблюдений.

Практическое значение работы. Основной результат исследования - карта «Природные лавинные комплексы равнинных территорий о. Сахалин» в масштабе 1:1 000 000 - рекомендуется для использования на ранних стадиях проектно-изыскательских работ при разработке проектов линейных сооружений, освоения рекреационных территорий и территориальном планировании. Методика расчета дальности выброса лавин нового снега может быть использована изыскательскими и проектными организациями для определения границ лавиноопасных зон при проектировании и эксплуатации объектов и сооружений и застройки селитебных территорий.

Изложенные в диссертации принципы были использованы при разработке схем планировочных ограничений к генеральным планам населенных пунктов Сахалинской области, 2009; научном сопровождении проектно-изыскательских работ по оценке лавинной, селевой и оползневой опасности на участке км 214 - 217 автомобильной дороги г. Южно-Сахалинск - г. Оха, 2009; научно-исследовательских работах по определению динамических характеристик лавин и разработке методов стабилизации снежного пласта в лавиносборе на участках проведения мероприятий по инженерной противолавинной защите автомобильных дорог Невельск - Томари - аэропорт Шахтерск (км 141и км 152) и Южно-Сахалинск - Оха (км 214 - км 219), 2012; при оценке дальности выброса лавин во время предупредительного спуска лавин на территории МО «Невельский муниципальный район» и автодорог Сахалинской области.

Апробация работы. Основные положения и выводы, содержащиеся в диссертации, докладывались автором на 20 научных симпозиумах, конференциях, семинарах и совещаниях, из которых 6 региональных, 6 всероссийских и 8 международных, в том числе, международная конференция «Лавины и смежные вопросы» (Кировск, 2006, 2011), XIV - XV Гляциологический симпозиум (Иркутск, 2008; Архангельск, 2012), международный симпозиум «Физика, химия и механика снега» (Южно-Сахалинск, 2011, 2013), всероссийские конференции: «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (Москва, 2010), «Опасные природные явления. Инновационные пути снижения рисков промышленной деятельности» (Южно-Сахалинск, 2010); региональная конференция «Геодинамические процессы и природные катастрофы в Дальневосточном регионе» (Южно-Сахалинск, 2011).

Результаты работы были отмечены сертификатом за лучший доклад на молодежной научной конференции «Современные научные исследования на Дальнем Востоке», (г. Южно-Сахалинск, 2011) по теме «Построение карт лавинной опасности территорий населенных пунктов Сахалинской области» и на II Международном симпозиуме «Физика, химия и механика снега» (Южно-Сахалинск, 2013) по теме «Лавинная опасность равнинных территорий на примере о. Сахалин».

Публикации. По результатам исследований автором лично и в соавторстве опубликовано 36 работ, в том числе 7 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения. Работа изложена на 146 страницах, содержит 16 рисунков, 24 таблицы, 29 фотографий. Список литературы включает 162 источника, из которых 8 на иностранных языках.

2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, научная новизна, сформулированы основные научные положения, отмечен личный вклад автора, практическая значимость работы, ее апробация.

В главе I «Изученность вопроса» представлена история разработки карт лавинной опасности для территории о. Сахалин. Также рассмотрены наиболее известные методики расчета дальности выброса лавин.

Во главе II «Лавинные процессы на равнинных территориях о. Сахалин» описаны факторы лавинообразования на равнинных территориях о. Сахалин, на основе которых была составлена карта «Природные лавинные комплексы равнинных территорий о. Сахалин», а также рассмотрены геоэкологические аспекты проявления лавинных процессов на равнинных территориях.

В главе III «Дальность выброса лавин на о. Сахалин» посвящена описанию факторов лавинообразования на всей территории о. Сахалин, а также анализу применения существующих методик расчета дальности выброса лавин на основе накопленных данных о сходах лавин нового снега на о. Сахалин.

В главе IV «Методика расчета дальности выброса лавин нового снега» посвящена разработке методики расчета дальности выброса лавин нового снега.

Благодарности. В основу работы положены результаты многолетних исследований автора, которые проводились в лаборатории лавинных и селевых процессов ФГБУН ДВГИ ДВО РАН. Научные задачи исследования и основные подходы к их решению были определены совместно с научным руководителем к.г.-м.н. Н.А. Казаковым, а также с к.г.-м.н. Ю.В. Генсиоровским. Автор выражает им свою искреннюю благодарность за всестороннюю помощь и поддержку на всех этапах работы. Автор признателен им, а также С. П. Жируеву и В.И. Окопному за предоставленные материалы наблюдений за лавинами на о. Сахалин.

Автор считает приятным долгом выразить искреннюю благодарность всем членам коллектива лаборатории лавинных и селевых процессов за помощь, поддержку, замечания к работе: В. А. Лобкиной, М. В. Михалеву, С. В. Рыбальченко, А. А. Музыченко.

Автор признателен за помощь и критические замечания, высказанные во время обсуждения диссертации д.г.н, профессору Г.Е. Глазырину и к.г.-м.н. Ю. А. Степновой, Т. С. Казаковой, А. М. Боброву, Е. Н. Казаковой.

Автор отдельно благодарит И. А. Кононова за поддержку идеи и программную реализацию методики расчета дальности выброса лавин нового снега.

3. ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. На о. Сахалин лавинные процессы развиваются на равнинных территориях, в том числе на антропогенных формах рельефа при относительной высоте склона более 5 м; максимальные объемы лавин достигают 500 мі; площадная пораженность равнинных территорий лавинными процессами составляет 1-10 %. Выделено четыре типа природных лавинных комплексов равнинных территорий о. Сахалин.

Случаи попадания и гибели людей в лавинах на равнинных территориях неоднократно фиксировались во многих регионах Российской Федерации. За последние 30 лет в лавины со склонов относительной высотой 5-30 м попал 41 человек, из которых 20 - погибли. Лавина, сошедшая со склона 5-10 м при уклоне 30°, по расчетным данным, может иметь пиковое давление до 0,08 МПа, дальность выброса - 20 м, объем - 50 мі. Было подсчитано, что в России из 20 человек, ежегодно погибающих в лавинах, 1-2 человека гибнут в снежных лавинах на равнинных территориях (Селиверстов, [электронный ресурс]). Снежные лавины на равнинных территориях о. Сахалин сходят ежегодно и причиняют материальный ущерб народно-хозяйственным объектам, а также приводят к гибели людей.

Обеспечение безопасного освоения территории невозможно без изучения изменений природных условий лавинной деятельностью. Некоторые характеристики элементов ландшафта (морфометрические и морфологические параметры рельефа, характер подстилающей поверхности, климат) являются факторами лавинообразования. В свою очередь, роль лавин в формировании компонентов равнинных ландшафтов о. Сахалин выражается в гравитационном переносе вещества, влиянии на почвенно-растительный покров, на гидрологический режим, а также на формирование рельефа. Поэтому изучение и регулирование воздействия опасных природных процессов, в том числе лавин, на природную среду равнинной территории требует комплексного подхода. Данная проблема весьма актуальна для о. Сахалин, так как за счет увеличения антропогенной нагрузки на ландшафт (прокладка нефте- и газопроводов, автомобильных и железных дорог, рыбопромышленная деятельность и т.д.), увеличивается и активизация опасных природных процессов.

Исследование лавинных процессов на равнинных территориях о. Сахалин показало наличие лавиноопасных склонов высотой 5-50 м (рис. 1 - 3) (Боброва, 2013а, 2013б). Преобладающим генетическим классом лавин, формирующихся на низких склонах равнинных территорий о. Сахалин, являются лавины нового снега.

Рис. 1. Типы природных лавинных комплексов (ПЛК) равнинных территорий о. Сахалин.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Природные лавинные комплексы равнинных территорий о. Сахалин

В результате исследования равнинных территорий о. Сахалин была составлена карта «Природные лавинные комплексы равнинных территорий о. Сахалин» в масштабе 1:1 000 000 (рис. 2). По геоморфологическим факторам лавинных процессов выделен 1 класс, 2 подкласса и 4 типа природных лавинных комплексов равнинных территорий о. Сахалин.

Относительная высота лавиносборов 5-50 м, площадная пораженность территории лавинными процессами - 1-10 %, максимальные объемы лавин - 100-500 мі, повторяемость - 1-3 раза в год (рис. 2). Лавины формируются на склонах дюн, бугров пучения, просадочных впадин, образованных термокарстом, низких морских террас, речных террас.

Рис. 3. Лавина, сошедшая со склона речной террасы высотой 5 м. Юго-Восточное побережье о. Сахалин, Макаровский район, с. Туманово, р. Горная. 13.02.2013 г.

Исследование равнинных территорий о. Сахалин показало, что лавинные процессы, в основном характерные для горных территорий, накладывают заметный отпечаток на хозяйственное развитие на равнинах. Оценка геоэкологических последствий схода снежных лавин заключается в исследовании взаимодействия лавинных процессов с природной средой, а также с хозяйственной деятельностью человека. Данная проблема является малоизученной на равнинных территориях и включает в себя следующие аспекты.

1. Взаимное влияние лавинных процессов и хозяйственной деятельности человека.

Формирование лавин относится к опасным природным процессам. В зависимости от характера причиненного ущерба влияние лавин на жизнь и деятельность человека может быть отнесено к двум группам:

· социальный ущерб (попадание и гибель людей в лавинах);

· экономический ущерб (разрушение зданий, сооружений, транспортных средств, нарушение коммуникаций, задержка движения транспорта).

В общей проблеме безопасности населения лавинные процессы рассматриваются как дестабилизирующие факторы, создающие угрозы устойчивому развитию общества. В связи с этим, для предупреждения ущерба от лавин разрабатываются схемы планировочных ограничений к генеральным планам населенных пунктов. Основными параметрами, характеризующими интенсивность и активность лавинных процессов, являются площадная пораженность территории лавинными процессами и частота формирования лавин, границы зон воздействия лавин (в т.ч. дальность выброса лавины). Для равнинных территорий о. Сахалин эти параметры имеют низкие значения. Площадная пораженность лавинными процессами равнинных территорий не превышает 10%.

В свою очередь, хозяйственная деятельность человека также ведет либо к увеличению, либо к уменьшению лавинной активности.

Так, создание искусственных склонов увеличивает площадную пораженность территории лавинными процессами и затрудняет ведение хозяйства.

Любые железнодорожные и автомобильные насыпи, выемки, карьеры, отвалы (снега, грунта, горных пород, мусора и т.д.) высотой более 5 метров и уклоном от 30 до 50° при толщине снежного покрова более 30 см на склонах являются лавиноопасными (Арсеньев и др. 1973; Красносельский, 1975; Зюзин, 2006).

При разработке средне- и крупномасштабных карт лавинной опасности, а также на стадии инженерных изысканий при строительстве необходимо проводить исследование территории на наличие искусственно созданных склонов. Кроме того, при планировании антропогенного воздействия на территорию необходимо учитывать возможность формирования лавин на искусственно созданных склонах. При подрезке, выемке, разработке карьера, насыпи необходимо формировать такой уклон антропогенных форм рельефа, при котором не будет происходить формирование лавин, т.е. уклон должен быть менее 30є или более 50є. В г. Иркутск (рис. 4) под искусственно созданным склоном автомобильной насыпи проходит автомобильная дорога, которая находится на лавиноопасной территории. На урбанизированных территориях искусственно созданные склоны представляют постоянную опасность для населения.

Рис. 4. а) лавина на искусственно созданном склоне (насыпь) высотой 5 метров, г. Иркутск, 2013 г; б) отвал снега высотой 8 м и уклоном 45°, г. Южно-Сахалинск.

Чаще всего в условиях урбанизации (на территории городов, пригородов и в сельской местности) в небольшие лавины попадают дети. Проблема попадания подростков в лавины довольно существенна: бывают годы, когда число лавинных трагедий в горах не сильно отличается от общего количества несчастных случаев на территории населенных пунктов и вблизи их (Якшин, [электронный ресурс]).

Примерами снижения активности лавинных процессов или предотвращения схода снежных лавин являются меры, специально направленные на защиту от лавин (инженерная защита: строительство сооружений противолавинной защиты; изменение положения объекта; изменение характеристик рельефа и др.), а также хозяйственная деятельность человека, которая ненамеренно приводит к снижению лавинной активности (например, лесопосадки на склонах с целью производства и сохранения леса).

Однако равнинные территории не рассматриваются как лавиноопасные, поэтому примеров инженерной защиты от лавин на равнинах практически нет.

Тем не менее, на равнинной территории о. Сахалин расположено более 30 населенных пунктов, объекты сельского хозяйства, автомобильные и железные дороги.

Территориальное планирование необходимо осуществлять с учетом разработанной карты лавинной опасности равнинных территорий, которая может быть использована на первых этапах инженерных изысканий, а также при территориальном планировании селитебных территорий.

2. Взаимное влияние лавинных процессов и ландшафтов равнинных территорий.

Значение лавин как элемента формирования горных экосистем гораздо шире, чем его восприятие как стихийного бедствия. Роль лавин выражается в гравитационном переносе вещества, влиянии на местные климатические характеристики, на гидрологический режим и на водность рек, в уничтожении леса и т.д. (Божинский, Лосев, 1987).

Влияние лавинных процессов на компоненты ландшафта для равнинных территорий не изучалось. Лавины, формирующиеся на низких склонах равнинных территорий, имеют некоторые отличия от лавин, формирующихся в горах. Главными отличиями являются: небольшие объемы лавин (до 500 мі), а также небольшие значения динамических характеристик лавин (дальность выброса лавины, давление лавины, высота и ширина фронта лавины). Влияние лавин на ландшафт равнинных территорий о. Сахалин выражается в следующем.

Литогенная основа и рельеф.

В основном, влияние лавинных процессов на формирование рельефа на равнинах связано с перемещением минерального материала к подножию склона. В зонах зарождения лавины часто встречаются обнажения горных пород, которые могут быть источниками материала, накапливающегося в снежном покрове до схода лавины. Далее при движении лавинного тела в зоне транзита происходит процесс денудации и выметания материала, а в зоне отложения лавин у подножия склона происходит процесс аккумуляции и переотложения вынесенного материала (Божинский, Лосев, 1987).

Кроме того, очищение склонов от снега должно приводить к изменению характера процессов физического выветривания.

В свою очередь, морфологические и морфометрические параметры рельефа сильно влияют на характеристики лавин.

Почвы и растительный покров.

Механическое воздействие лавин с низких склонов превышением всего 5-50 м на растительность не такое масштабное, как при формировании лавин больших объемов в горах. Лавины с низких склонов не способны уничтожить древесную растительность на склоне и у его подножия, тем не менее, нередко такие лавины ломают кустарники и молодые деревья. Травостой, полегший в результате схода лавины, впоследствии служит поверхностью скольжения для других лавин.

На равнинных территориях в результате схода снежных лавин происходит перераспределение влаги и тепла. Почвы в лавиносборах формируются под влиянием выноса влаги лавинами и дополнительного отепления в весенний период и охлаждения в зимний период, когда склон оголяется в результате схода с него снежных масс.

Также для равнин характерен процесс заболачивания почв в результате избыточного накопления воды, перенесенной в твердом состоянии лавиной к подножию склона. равнинный лавина снежный глыба

Следует отметить, что тип растительности и почв оказывает влияние на характер снегонакопления, а также на скорость метаморфизма снежного покрова, которая, в свою очередь, определяет формирование лавин генетического класса перекристаллизации снежной толщи, а также смешанных лавин (Боброва, Бобров, 2013).

Большое влияние на скорость перекристаллизации оказывает гидроморфность почв, которая обусловливает плотность потока водяного пара внутри снежной толщи и, как следствие, структуру и текстуру снежной толщи (Lobkina, 2012).

Поверхностные и подземные воды.

Влияние лавинных процессов на подземные воды практически не изучено.

Есть ряд работ, посвященных влиянию лавинных процессов на гидрологические характеристики рек (Генсиоровский и др., 2006).

Вероятно, формирование лавин влияет на водность рек. Лавинный снежник имеет гораздо большую плотность по сравнению со снегом, лежащим на склоне, поэтому таяние его происходит медленнее. За зимний период в долинах рек формируются лавины, которые могут играть регулирующую роль стока.

Таким образом, лавиноопасными являются склоны с относительной высотой более 5 метров. На равнинных территориях о. Сахалин лавины формируются на склонах речных и низких морских террас, бугров пучения, дюн, просадочных впадин, образованных термокарстом. Лавины формируются также на антропогенных склонах. Преобладающим генетическим классом лавин, формирующимся на низких склонах, являются лавины нового снега.

2. Дальность выброса лавин нового снега объемом до 8 000 тыс. мі в меньшей степени зависит от значений объема лавины и площади лавиносбора и в большей степени зависит от формы продольного профиля лавиносбора.

Практика снеголавинных расчетов показала, что существующие методики расчета дальности выброса лавин дают большие погрешности как относительно фактических значений, так и между собой (Северский,1978; Северский, Благовещенский, 1983; Москалев, 1977 и др.). Поэтому выбор наиболее приемлемой методики вызывает трудности и требует большого опыта работы. Кроме того, выбор методики должен основываться на задачах, стоящих перед исследователем. Так, для выбора места под строительство зданий и сооружений необходимо определить максимально возможную величину дальности выброса лавины, в то время как при прокладке линейных сооружений с экономической точки зрения целесообразно учитывать возможную частоту расчистки лавинных завалов, т.е. рассчитывать дальность выброса лавин частой повторяемости. В Сахалинской области около 400 км железных и автомобильных дорог проходит у подножия лавиноопасных склонов, на которых несколько раз в год формируются лавины, что несет за собой значительные затраты на расчистку дорог от лавинных завалов (Жируев и др., 2010). Решением в данном случае может быть расчет дальности выброса лавин частой повторяемости и вынос дорожного полотна за пределы определенных таким образом лавиноопасных зон. Более 50 % случаев схода лавин на о. Сахалин приходится на лавины генетического класса нового снега (метелевого и свежевыпавшего).

На основе фактических данных о сошедших на о. Сахалин лавинах за период наблюдений с 1950 по 2014 гг. был проведён анализ методик расчета дальности выброса лавин. За этот период зафиксировано более 2 000 случаев схода лавин в разных районах острова. Для получения выборки из всех случаев схода выбирались только те лавины, у которых были точно известны местоположение лавиносбора на карте, объем лавины, высота зоны отрыва и зоны остановки лавины, генетический класс лавины, тип подстилающей поверхности лавиносбора, дальность выброса лавины. Помимо этого важным условием выборки было наличие крупномасштабной карты лавиносбора, что позволяло измерить значения морфометрических параметров лавиносбора. Итоговая выборка включала в себя 250 случаев схода лавин. Из них основную часть составили лавины нового снега - 200 случаев, на основе данных о которых проводился последующий анализ. Ключевую роль в формировании выборки имела достоверность описанных случаев схода лавин.

Для анализа были использованы данные о сходах лавин как на равнинной, так и в горной части острова. Зафиксированных данных о случаях формирования лавин на равнинных территориях для статистического анализа недостаточно. Кроме того, важно отметить, что для анализа необходимо исследовать лавиноопасные склоны, имеющие разные значения относительной высоты, а также лавины, имеющие разные значения объемов.

Данная работа посвящена анализу лавин нового снега, т.к. наиболее часто на низких склонах формируются лавины этого генетического класса, также более 50% всех случаев схода лавин на о. Сахалин, в т.ч. на горной территории, приходится на лавины генетического класса нового снега.

В литературных источниках приводятся методики расчета дальности выброса лавин, позволяющие на основе собранных данных провести их сравнительный анализ (Москалев, 1977; Северский,1978; С.М. Козик, 1962; Благовещенский, 1973, 1974; Дюнин и др., 1987; Снег (справочник), 1986). Были выбраны методики, наиболее часто встречающиеся в рекомендациях для снеголавинных расчетов при проектировании, а также используемые при проведении расчетов разными исследователями. Важным условием при выборе расчетных формул является и доступность определения входящих параметров. Часто встречающееся значение скорости лавины при определении дальности выброса затрудняет расчеты, поскольку существует большое количество разных формул для расчета этого параметра. В свою очередь, выбор формулы расчета скорости лавины также должен быть обоснованным и подтвержденным полученным в результате наблюдений достаточным рядом фактических значений. Однако инструментально зафиксировать скорость лавины удается достаточно редко, кроме того, несмотря на возможность фиксирования средней скорости лавины по всему участку пути, наблюдение за моментальной скоростью лавины в конкретной точке требует специально подготовленных наблюдений, включающих в себя использование технических приборов. Таким образом, использование значений скорости при расчете дальности выброса лавины предполагает наличие слишком больших погрешностей.

Для анализа были выбраны методики С. М. Козика, В. П. Благовещенского, И. В. Северского, Ю. Д. Москалева, В. Н. Аккуратова и методика, основанная на гидравлической модели движения лавин (табл. 1).

Таблица 1. Отклонение расчетных величин дальностей выброса лавин нового снега от фактических значений (на основе данных о 200 случаях схода лавин нового снега на о. Сахалин)

Методика расчета дальности выброса лавин	Пределы отклонений расчетных дальностей выброса от фактических, м	Средняя абсолютная ошибка, м	Среднеквадратическая ошибка, м
С.М. Козик	+35; +1640	421	513
Гидравлическая модель движения лавины	-1790; +1	299	385
В.Н. Аккуратов	-719; +516	113	152
В.П.Благовещенский	-25; +680	171	188
И.В. Северский	-1687; +427	175	269
Ю.Д.Москалев	-132; +389	152	170

Анализ методик расчета дальности выброса лавин показал, что наименьшую величину средней квадратической ошибки имеет методика В.Н. Аккуратова, однако, эта методика показывает большой интервал пределов отклонений расчетных значений дальности выброса от фактических. Методика И. В. Северского имеет значительную величину среднеквадратической ошибки. Самые заниженные результаты дает методика, основанная на гидравлической модели движения лавин. Расчетная формула В.П. Благовещенского в ряде случаев завышает расчетные значения на 500-600 метров. Кроме того, данную методику нельзя использовать для расчетов дальностей выброса лавин в лавиносборах со средним уклоном меньше 25°, а для осовных склонов - с превышением меньше 200 м. Таким образом, характеристики части лавин по данной методике рассчитать не представилось возможным. Методика С.М. Козика часто используется в снеголавинной практике для расчета максимальной дальности выброса лавин, т.е. для лавин редкой повторяемости. Все значения, полученные по данной методике, дали завышенные результаты, величина среднеквадратической ошибки - наибольшая среди остальных методик. Таким образом, при расчете дальности выброса лавин частой повторяемости использование методики С.М. Козика нецелесообразно. Примером может служить проектирование линейных сооружений, когда с экономической точки зрения должна учитываться частота расчистки лавинных завалов.

Многолетние наблюдения за лавинами на о. Сахалин, а также исследования других авторов дают основания утверждать, что ведущую роль в значении дальности выброса лавины играют морфологические и морфометрические характеристики лавиносбора (Козик, 1962; Благовещенский, 1974б; Боброва, 2009; Боброва и др, 2009а; Боброва и др., 2009б и др.). Для подтверждения данной идеи на основе фактического материала о сходах лавин на о. Сахалин был проведен корреляционно-регрессионный анализ связи дальности выброса с традиционно используемыми в расчетных методиках входными параметрами (объем лавины, площадь зоны отрыва лавины, относительная высота и средний уклон лавиносбора, угол подхода лавины к подножию склона).

Для этого данные были ранжированы по генетическому классу лавин.

Выделение генетических классов лавин основано на выявлении основных причин лавинообразования, которые обусловлены метеорологическими явлениями и физическими процессами, происходящими в снежной толще. Критериями выделения классов лавин в основном являются такие показатели, как водонасыщенность, плотность, возраст, степень перекристаллизации снежных слоев, текстура и структура снежной толщи (Дзюба, Золотарев, 1984; Аккуратов, 1959; Казаков, Генсиоровский, 2007б; Казаков, Боброва, 2013). Эти характеристики во многом обусловливают характер движения лавины, ее скорость, давление, дальность выброса, высоту фронта.

Казаков Н.А. выделил в отдельный класс лавины перекристаллизации снежной толщи, которые образуются из сухого снега (старого снега) или смешанного снега (сухого старого и нового снега; сухого и влажного снега; сухого и мокрого снега), в котором вследствие процессов метаморфизма произошли преобразования структуры и текстуры снежных слоев и сформировались лавиноопасные слои (Казаков, 2000в). Такие лавины обладают наибольшими скоростями и объемами, внутренняя причина их формирования - перекристаллизация снежной толщи, в результате которой происходит образование лавиноопасного слоя. Также лавины перекристаллизации снежной толщи чаще всего имеют наибольшую дальность выброса, в отличие от лавин нового и мокрого снега. Так, в Восточно-Сахалинских горах, на Чамгинском перевале, зарегистрирована лавина с дальностью выброса 3 800м.

Вероятно, большой разброс отклонений среди методик связан как с применением в них различных входящих параметров, так и с недоучетом состояния снежной толщи в лавиносборе, т.е. генетическим классом лавины. Таким образом, анализ следует проводить отдельно для каждого генетического класса лавин. В данной работе рассматриваются только лавины генетического класса нового снега.

Значение относительной высоты лавиносбора используется почти во всех существующих методиках определения дальности выброса. Корреляционно-регрессионный анализ показал тесную связь между дальностью выброса лавины с одной стороны, и относительной высотой лавиносбора с другой (рис. 5). В интервалах превышения лавиносборов от 100 до 300 м наблюдается наибольшая теснота связи между исследуемыми параметрами, что говорит о большей зависимости дальности выброса от превышения в этих высотных отметках. При увеличении значений высоты лавиносбора теснота связи уменьшается.

Рис. 5. Поле корреляции дальности выброса лавин нового снега и превышения лавиносбора.

Влияние объема лавины на значение дальности выброса лавин нового снега оказалось несущественным (рис. 6). При разных значениях объемов лавин нового снега значения дальности выброса были одинаковыми. Зафиксирован ряд случаев схода лавин в одних и тех же лавиносборах, когда при значениях объемов, отличающихся на порядок, дальность выброса их различалась несущественно (табл. 2).

Лавины нового снега на о. Сахалин отличаются небольшими объемами (в среднем 3 000 мі), в то время как зависимости, полученные другими авторами, были основаны на объемах, значительно превышающих объемы лавин нового снега на о. Сахалин. Таким образом, можно говорить о том, что для лавин нового снега объемом от 25 м3 до 8 000 м3 теснота связи между ее дальностью выброса и объемом низкая.

Анализ связи среднего уклона лавиносбора показал более тесную связь с дальностью выброса лавины, чем с ее объемом. Большинство значений уклонов лежат в интервалах между 28 и 35° (рис. 7).

Рис. 6. Дальность выброса и объем лавин нового снега.

Таблица 2. Фактические значения объемов и дальности выброса лавин нового снега в одних и тех же лавиносборах (Восточно-Сахалинские горы, Чамгинский перевал)

№№ лавиносбора	Объем, мі	Фактическая дальность выброса лавин, м
49	300	145
49	120	165
49	800	190
49	1100	145
49	3000	190
49	7800	190
63	250	190
63	400	190
63	600	190
63	900	190
63	3000	190
112	420	255
112	660	255
112	700	255
112	1500	255
112	4000	255
114	300	180
114	525	180
114	600	180
114	1000	180
114	4000	180

Интересно, что в данном случае наблюдается обратная тенденция - с возрастанием величины среднего уклона лавиносбора убывает значение дальности. Но уклоны на протяжении пути движения лавины часто варьируются, так, уклон в зоне отрыва лавины может достигать 45°, а ближе к подножию склона уменьшаться до 10-15°, поэтому этот параметр не характеризует форму профиля склона.

Угол подхода лавины к подножию склона используется при расчете дальности выброса лавин по методике, основанной на гидравлической модели движения лавины. В данной методике не приводятся рекомендации для определения этого параметра, поэтому он принимался как угол между горизонтальной линией плоскости и отрезком пути движения лавины перед началом зоны аккумуляции, составляющим 15% от всей длины продольного профиля лавиносбора.

При условии, что участок склона у подножия имеет резкий перегиб, т.е. происходит резкое изменение уклонов от зоны транзита к зоне аккумуляции, определение угла подхода лавины к подножию склона не вызывает затруднений. В случае, когда профиль склона имеет плавный переход у подножия, однозначно определить границу зоны транзита и зоны аккумуляции невозможно. Таким образом, в некоторых случаях определение угла подхода лавины к подножию склона является условным.

Рис. 7. Поле корреляции дальности выброса лавин нового снега и среднего уклона лавиносбора (в выделенной области находится наибольшее скопление точек, которое определяет линию регрессии).

Регрессионно-корреляционный анализ связи дальности выброса лавины и угла подхода лавины к подножию склона показал достаточно тесную связь этих двух параметров. Так же, как и для среднего уклона лавиносбора, с возрастанием величины угла подхода лавины к подножию склона убывает значение дальности выброса лавины (рис. 8).

На основе проведенного анализа были получены значения, характеризующие тесноту связи между фактическими значениями дальности выброса лавины и параметрами, входящими в расчетные формулы дальности выброса лавин в исследуемых в данной работе методиках (табл. 3).

Теоретическое и эмпирическое корреляционные отношения выражают тесноту связи между изучаемой величиной (в данном случае это дальность выброса) и независимым фактором (относительная высота лавиносбора, объем лавины, площадь лавиносбора и т.д.). Чем ближе значение корреляционного отношения к единице, тем полнее (сильнее) корреляционная связь между признаками, тем меньшее влияние оказывают прочие факторы (Сампер, 1981).

Рис. 8. Поле корреляции дальности выброса лавин нового снега и угла подхода лавины к подножию склона.

Эмпирическое корреляционное отношение рассчитывается непосредственно по исходным данным на основе правила сложения дисперсий как корень квадратный из отношения межгрупповой дисперсии изучаемой величины (дальность выброса) к общей дисперсии этой величины.

Теоретическое корреляционное отношение определяется на основе теоретических значений, рассчитанных по уравнению регрессии. Теоретическое корреляционное отношение представляет собой корень квадратный из отношения дисперсий теоретического и эмпирического ряда значений изучаемой величины (Математическая статистика, 1975).

Таблица 3. Показатели тесноты связи между фактическими значениями дальности выброса лавины и параметрами, входящими в расчетные формулы дальности выброса

Параметры, входящие в формулы расчета дальности выброса лавины (по методикам С.М. Козика, В.П. Благовещенского, И.В.Северского, Ю.Д. Москалева, В.Н. Аккуратова и методике, основанной на гидравлической модели движения лавин)	Эмпирическое корреляционное отношение, зэмп	Теоретическое корреляционное отношение, зтеор
Относительная высота лавиносбора, м	0,819	0,867
Объем лавины, мі	0,305	-
Площадь зоны отрыва лавины, кмІ	0,378	-
Средний уклон лавиносбора, град	0,606	0,491
Угол подхода лавины к подножию склона, град	0,768	0,698

Таким образом, совокупность уклонов на разных участках пути лавины (форма профиля лавиносбора) оказывает наиболее значительное влияние на дальность выброса лавины.

Для подтверждения данного предположения для каждого случая схода лавины было найдено отношение высоты лавиносбора к дальности выброса лавины (H/L). По значениям H/L все лавины были разбиты на классы. Для подробного описания профиля склона в каждом лавиносборе были разделены три участка, для которых были определены средние уклоны (табл. 4).

Таблица 4. Таблица диапазонов уклонов лавиносборов.

Классы лавин по значению отношений H/L	Классы лавин	Уклоны в разных зонах лавиносбора, град	Средний уклон лавиносбора, град.
		Верхняя часть	Средняя часть	Нижняя часть
0,4-0,5	Лавины с максимальной дальностью выброса	30	28	20	26
0,5-0,6	Лавины с большой дальностью выброса	35	31	24	30
0,6-0,7	Лавины со средней дальностью выброса	38	35	29	34
>0,7	Лавины с малой дальностью выброса	39	38	34	37

Оказалось, что дальность выброса лавин разных классов зависит от значений уклонов лавиносборов. Из таблицы видно, что чем меньше среднее значение интервала уклонов, тем более высокие значения дальности выброса имеет лавина (табл. 4).

Рис. 9. Характерные для разных классов лавиносборов формы профилей (а - для лавин с максимальной дальностью выброса; б - для лавин с большой дальностью выброса; в - для лавин со средней дальностью выброса; г - для лавин с наименьшей дальностью выброса); h - относительная высота лавиносборов.

На рисунке 9 показаны характерные для разных классов формы продольных профилей лавиносборов.

Было отмечено, что наиболее часто лавины нового снега формируются в лавиносборах, имеющих уклон в верхней части (который характеризует зону отрыва лавины), равный 38°.

Кроме того, дальность выброса лавины нового снега сильно зависит от уклона лавиносбора в зоне выхода лавины к подножию склона. Вероятно, что скорость лавины гасится в момент удара о резко выполаженную поверхность подножия. Таким образом, на склонах, имеющих резкие перегибы, формируются лавины с небольшими значениями дальности выброса.

Проведенный анализ дает основания говорить о существенной зависимости дальности выброса лавины от уклонов на разных участках пути лавины, т.е. от формы продольного профиля лавиносбора.

3. Методика расчета дальности выброса лавин нового снега, позволяет на основе данных об относительной высоте лавиносбора и форме его продольного профиля рассчитывать дальность выброса лавин нового снега объёмом до 8 000 м3.

Анализ методик расчета дальности выброса показал, что наиболее часто используемые в практике снеголавинных расчетов методики не позволяют адекватно оценивать дальность выброса лавин нового снега небольших объемов (до 8 000 м3). Между тем, такие лавины ежегодно формируются не только на равнинной и горной территории о. Сахалин, но и на всей территории России (в том числе, на её равнинной территории). Практически все лавины, формирующиеся на невысоких склонах равнинных территорий, имеют небольшие объемы и относятся к генетическому классу лавин нового снега.

Собранные статистические данные о лавинах нового снега, сошедших на равнинной и горной территории о. Сахалин, дают возможность разработки статистической методики расчета дальности выброса лавин нового снега, позволяющей более точно оценивать исследуемый параметр для лавин этого генетического класса.

Результаты проведенного анализа дают основания полагать, что достаточным условием для расчета дальности выброса лавин нового снега являются данные о форме продольного профиля лавиносбора и его относительной высоты.

Для более подробного описания формы продольного профиля лавиносбора необходимо разбить профили на большее количество участков с равными проложениями (рис. 10). В качестве числовой характеристики каждого участка был выбран его средний уклон.

Рис. 10. Продольный профиль лавиносбора, разбитый на 9 участков с одинаковым проложением. H - относительная высота лавиносбора, L - проложение лавиносбора, I - участок проложения.

Очевидно, что, чем больше количество таких участков, тем большее число параметров будет получено. Классические методы восстановления регрессии не подходят для такого числа переменных. Поэтому возможно, что методы восстановления регрессии, основанные на машинном обучении, могут дать лучшие результаты. Машинное обучение - обширный подраздел искусственного интеллекта, изучающий методы построения алгоритмов, способных обучаться (Журавлев и др., 2006). Методы машинного обучения позволяют восстанавливать зависимость между зависимой переменной и набором независимых переменных. В данном случае был использован метод Random Forest, реализованный в пакете программ MatLab. Данный метод, как и большинство методов, основанных на машинном обучении, решают две основные задачи: задача классификации и задача восстановления множественной регрессии. Данный алгоритм обладает хорошей обобщающей способностью даже при сравнительно небольшом размере обучающей выборки (Hastie, 2009).

В итоге был получен обученный алгоритм, с помощью которого, подставляя данные, характеризующие форму продольного профиля лавиносбора, и значение относительной высоты лавиносбора можно рассчитывать дальность выброса лавин нового снега.

Результаты работы построенных алгоритмов представлены в табл. 5.

Таблица 5. Характеристики предлагаемой автором методики расчета дальности выброса лавин.

Пределы отклонений расчетных дальностей выброса от фактических, м	Средняя абсолютная ошибка, м	Среднеквадратическая ошибка, м
-54; +145	20	31

Величина среднеквадратической ошибки у предлагаемой автором методики наименьшая среди рассмотренных в работе методик (табл. 2, 5). Среднее отклонение расчетных дальностей выброса от фактических - 20 м, среднеквадратическая ошибка - 31 м. Методика была отдельно апробирована на случаях схода лавин со склонов относитльной высотой от 5 до 50 м. Расчет дальности выброса таких лавин показал, что максимальная величина ошибки составляет 7 м. Диапазон фактических дальностей выброса составляет 15-75 м. Диапазон расчетных дальностей выброса составил 14-82 м.

Ограничения применения методики:

· генетические классы лавин - лавины нового снега;

· относительная высота лавиносборов - до 500 м;

· объёмы лавин - до 8 000 м3.

Преимуществами методики является:

· бульшая точность расчета дальности выброса лавин нового снега;

· минимальный набор параметров и доступность их определения;

· возможность производить расчет дальности выброса лавины для любого лавиносбора при наличии крупномасштабной карты района исследования;

· возможность быстрого получения расчетных значений дальности выброса лавин с помощью компьютерной программы (MatLab), возможность работать с алгоритмом специалисту без специальных технических знаний;

· возможность последующего обучения алгоритма как для увеличения точности расчетов дальности выброса лавин нового снега, так и для нового обучения алгоритма на данных о сходах лавин в других регионах, т.е. возможность адаптации методики.

...