5.12: Повені

Визначення потопу

Ось просте визначення річкового потоку: виникнення потоку такої величини, що він перекриває природні або штучні береги в межах річкового русла. Якщо заплава існує, ось інший спосіб визначення повені: будь-який потік, який поширюється над заплавою.

Відносний обсяг паводкової води не великий: в середньому вода, що скидається понад пропускну здатність каналу, становить близько 5% від загального річного скиду даного дренажного басейну. Але абсолютний обсяг паводкових вод приголомшує. Гіпотетичний приклад: дводюймовий дощ над водосбором в одну квадратну милю, грунти якого можуть поглинати 0,5 дюйма, забезпечить майже 3,5 мільйона кубічних футів води за пару годин! (Це куб 150 футів на стороні.)

Повінь - це хвиля: вона має хвилеподібну форму (хоча і дуже приглушену, з низькою амплітудою щодо довжини хвилі), і вона поширюється вниз по річці з деякою швидкістю, як правило, меншою за середню швидкість течії води в річці.

Детальніше про заплави

Ось два схожих, але не зовсім однакових визначення заплави, взятих з літератури:

• рівнинна територія, прилегла до русла річки, побудована нинішньою річкою в теперішньому кліматі і часто піддається переливу (Leopold, 1994)
• рівнинна територія, що примикає до річкового русла, побудована річкою в теперішньому кліматі і переповнена в періоди високого скиду (Dunne and Leopold, 1978)

Як ви дізналися в більш ранньому розділі, існування заплави є свідченням бічної міграції русла річки. Згодом зрушення каналу змітає всю ширину заплави, розмиваючи «передній» берег і депонуючи в міру проходження «задній» банк. Якщо клімат, або базовий рівень, змінюється таким чином, що річка деградує (тобто опускає своє русло), стара заплава надрізається, утворюючи безліч терас, і розвивається нова, більш вузька заплава. Якщо клімат, або базовий рівень, змінюється таким чином, що річка погіршується, заплава зазвичай (крім крайніх випадків) погіршується разом з нею.

Від чого залежить висота заплави над руслом каналу? Тобто чому річка має характерний поперечний профіль, який ми бачимо? Це пов'язано з взаємозв'язком між ефективністю та частотою. Низькі розряди поширені, але не ефективні при транспортуванні осаду та формуванні каналів, тоді як дуже високі розряди дуже ефективні, але дуже рідкісні.
Розряди з найбільшою ефективністю при підтримці геометрії каналу та заплави мають деяке проміжне значення: високе, але не надзвичайно високе, і поширене, але не надзвичайно поширене. Для більшості річок повні скиди (ті, що перекидаються на заплаву) відбуваються в середньому один-два рази на рік. (Виявляється, розряд, який відповідає за максимальне скидання осаду, в даний часовий проміжок, як рік, званий ефективним скиданням, дуже близький до того, щоб бути рівним банку-повному скиду. )

Якими бувають заплави?

• Вони коливаються в ширину від декількох метрів, на найменших струмках, до багатьох десятків кілометрів, на найбільших річках.

• Вони не плоскі, як дошка: мають незначний рельєф, у вигляді сутуловин і западин, залишених позаду нерегулярним зміщенням русла річки.

• Вони розвинені в їх класичному розумінні в зв'язку з звивистими річками. Плетені річки працюють нерегулярно по всій долині, так що в певному сенсі вся долина є «руслом річки».

• Вони, як правило, сильно рослинні в своєму природному стані; насправді ефект банкової стабілізації рослинності є одним з найважливіших, якщо не найважливіших, факторів існування заплави в першу чергу.

• Вони різняться за своєю «вологістю»: зазвичай вони сухі і значно вище місцевого рівня води протягом більшої частини року і, таким чином, сприяють використанню людиною, але в районах зі стабільно великою кількістю опадів та/або сильно погіршеним режимом річок на заплаві можуть бути великі болотисті ділянки.

Важливі аспекти повеней

Існує кілька важливих аспектів повеней:

• скид: скид важливий через його тісне відношення до швидкості потоку: наскільки ерозійним є потік паводків з точки зору берегів, дамбів та річкових структур?
• стадія: висота води визначає пошкодження затоплення на заплаві (саме про це думає громадськість найбільше в зв'язку з повенями.) Також він відноситься до водопропускної здатності мостів, водопропускних труб, водоскидів греблі тощо.
• обсяг: це стосується того, скільки води є для вилову та злиття у водоймах для водопостачання та боротьби з паводками.
• територія затоплена: це визначається етапом разом з рельєфом річки-долини.
• швидкість потоку: Хоча швидкість потоку набагато менша над заплавою, ніж у головному каналі, вона може бути достатньо великою, щоб завдати шкоди.

Ось кілька важливих питань, пов'язаних з паводками річок:

• керівні ефекти?

• погіршується?

• як контролювати?

• як передбачити?

Які важливі наслідки або фактори, що регулюють величину повені?

• Опади в дренажному басейні вище за течією заданої точки на даній річці. Це зводиться як до інтенсивності опадів (глибина в одиницю часу), так і тривалості опадів, а також до площі дренажного басейну, покритого зливом. Найгірший сценарій: висока інтенсивність протягом тривалого часу на великій площі дренажного басейну.

• Передує умова вологості ґрунту в зоні опадів: суха, яка зменшує стік, або насичена, що максимізує стік? Різниця може становити цілих півдюйма еквівалентних опадів. Це великий ефект для невеликих повеней, але лише невеликий ефект для великих повеней.

• Канал зберігання. Подумайте з точки зору того, що відбувається, коли потоковий скид з річки вище за течією потрапляє у велике озеро. Озеро має велику площу поверхні, тому потоці повені потрібно багато часу, щоб підняти висоту озера і, отже, збільшити скид з озера. Цей ефект зберігання також присутній у незначній мірі вздовж самого русла річки: Оскільки повінь протікає вниз за течією, він повинен заповнити більший і більший обсяг простору в самому руслі річки. Цей ефект послаблює повінь у напрямку нижче за течією: по суті, він витягує гідрограф і знижує його пік (з точки зору гідрографа стадії або гідрографа розряду).

• Геометрія каналу. Чим вужче канал, для даного потокового скидання, тим більше піднімається стадія. Коли стадія досягає повного банку, вода поширюється по заплаві, а стадія потім збільшується набагато менш швидко зі збільшенням скидання.

• Перехід від дюн до плоского русла. Як обговорювалося в попередньому розділі, це має тенденцію до уповільнення збільшення стадії зі збільшенням розряду: канал може проходити заданий розряд з більшою швидкістю та нижчою стадією через зменшений опір потоку, що надається площинним шаром.

Повені погіршуються?

Відповідь на це питання, безумовно, «так», з точки зору доларової вартості збитку, тільки через більш широке використання людиною схильних до повеней районів поблизу річок. Але відповідь так і з точки зору вищої стадії, через ефект більшої захисту дамби: дамби перешкоджають поширенню високих розрядів по заплаві, тому підйом на стадії обмежується всередині каналу (рис. 3-49).

Малюнок 3-49. Стадія потокового потоку для даного паводкового скиду. А) Перед будівництвом дамбів. Б) Після будівництва дамбів.

Чи збільшується розряд повені в середньому? У цього питання є два аспекти.

(1) У урбанізованих дренажних басейнів відсоток площі вимощеної збільшується, тим самим зменшуючи час концентрації та, як правило, утворюючи більш високі піки на гідрографі (стадія та скидання) для заданої кількості опадів. У сільських дренажних басейнів сільське господарство з голим ґрунтом та чітке вирубка лісів мають однаковий ефект, хоча це, здається, не є справді великим ефектом. (Однак їх вплив на вихід осаду набагато більший.)

(2) Середня кількість опадів у дренажному басейні може збільшуватися через зміни клімату (хоча в більшій частині США прогноз полягає в тому, що глобальне потепління зменшить кількість опадів, а не збільшить їх). «Буря» (збільшення частоти великих зливів) також може зрости.

Чи можна контролювати повені?

Кращим способом поставити питання було б: як можна мінімізувати шкоду від повені, в тому сенсі, що даний захід забезпечує більший захист від повеней, ніж коштує інститут?

(1) Побудуйте вищі та вищі рівні. Так, ви можете утримати заплави від заплави, будуючи дамби вище. У реальному сенсі, однак, це самознижена діяльність (рис. 5-50). У природних умовах стадія затоплення вбудувала в неї самообмежуючий ефект: площа заплави настільки більша, ніж площа русла, що, як тільки річка виходить за межі заповненого берега, щоб затопити заплаву, підйом рівня води незначний. (Але пам'ятайте, що «неповнолітній» в природному сенсі може виявитися катастрофічним для людей, що живуть на заплаві.) Будівництво дамбів вище обмежує скид річки набагато більш вузькою шириною річкової долини, тому стадія повені набагато вища, ніж це було б без вищих дамбів. Через ефект усунення ефекту поширення заплави ефективний захист вимагав би непрактично високих дамбів. Більше того, якщо ці високі дамби перевищені, пошкодження від повені навколишньої заплави, ймовірно, буде набагато гіршим, ніж якби дамби там не були.

(2) Дамби контролю повені. Зрозуміло, що гідрографи стадії та скидання можуть бути зменшені нижче за течією заданої точки на річці, будуючи там греблю для зберігання води: зловити воду так, щоб збити пік повені, і повільно звільнити воду пізніше в періоди нижчого скиду. Проблеми, окрім великої вартості будівництва дамб, полягає в тому, що ефект зменшується нижче за течією, тому потрібна низка гребель. Протягом десятиліть, у середині 1900-х років, існувала суперечка щодо того, чи будувати багато невеликих гребель у районах вище за течією або кілька великих гребель у районах нижче за течією. Остаточно було зроблено висновок, що для ефективної боротьби з повенями по всьому басейну знадобляться обидва комплекти гребель.

(3) Землевпорядкування. Належна сільськогосподарська практика (посадка під парою; терасне землеробство; контурна посадка) повинна збільшити інфільтрацію і, таким чином, знизити стік, а також зробити час концентрації довшим. Однак ретельний розгляд показав, що ефект вимірюється десятими частками дюйма еквівалентних опадів, тому він був би ефективним проти незначних повеней, але не великих повеней. Великою перевагою є значно зниження ерозії ґрунту - що є іншим (але дуже важливим) питанням.

(4) Обмеження використання людиною заплав. Очевидно, що найкращий спосіб запобігти пошкодженню від повені - це не наносити нічого сприйнятливого до пошкодження на заплавах! Витрати на переселення, як правило, занадто великі, щоб це було практичним (хоча це відбувається в деяких місцях; це питання політики, а не наукове питання), але проміжні заходи ефективні: встановити повені та зони поширення, які використовуються для таких речей, як сільське господарство (певних видів) та рекреаційних, але не постійних споруд. Однак це не вирішує проблеми для вже урбанізованих районів.

Чи можна передбачити повені?

Проста відповідь - просто «ні». Ну, в якомусь сенсі можна передбачити повені, але тільки після того, як дощ перестав падати! У цьому є два аспекти:

(1) Враховуючи дощ, передбачте стік, щоб створити гідрограф затоплення

(2) Враховуючи гідрограф повені, спостерігайте за еволюцією гідрографа, коли хвиля повені рухається вниз за течією. Ця методика називається флуд маршрутизацією.

Різні приблизні методи були розроблені і продовжують вдосконалюватися для прогнозування характеру хвилі повені нижче за течією зливу в дренажному басейні. Припущень і наближень багато: розподіл опадів; ступінь стоку проти інфільтрації; час концентрації для створення гідрографа. Він добре працює для дуже маленьких водозборів, але не так добре для великих водозборів. Це стандартна інженерна техніка для дуже невеликих водозборів (набагато менше однієї квадратної милі). Однак після повені існують хороші методи маршрутизації повені для прогнозування його майбутнього курсу вниз по річці. Маршрутизація повеней детально розглядається в підручниках з флювіальної гідрології.

Інший аспект прогнозування повені пов'язаний зі статистикою або ймовірністю повеней. Один припускає, що, враховуючи клімат та характер дренажного басейну вище за течією певної точки на річці, існує певний основний розподіл частот повеней з точки зору або стадії скидання. Будь-який запис повеней - це вибіркова популяція (на мові статистики) з цього базового розподілу частот. Отже, якщо ви знаєте розподіл частот, ви можете вказати ймовірність заданого потопу за певний період часу (це не прогноз, але це дуже корисно для аналізу витрат та вигод або рішення). Якщо вам цікаво дізнатися більше про те, як флювіальні гідрологи йдуть про з'ясування ймовірності даного потопу в даний період часу в даній річковій системі, перейдіть до наступної просунутої теми.

РОЗШИРЕНА ТЕМА: ЙМОВІРНІСНИЙ ПІДХІД ДО ПОВЕНЕЙ РІЧОК

1. Виникає важливе питання: що можна зробити щодо встановлення ймовірності дуже великих повеней? Це вкрай важливо, але загрожує труднощами. Ось як це робиться, враховуючи довгий запис скидання в якомусь місці вздовж річки (див. Рис. 5-51):

• Визначити найбільші миттєві виділення в кожному році.

• Оцініть їх у порядку зменшення розряду (найвищим є номер один, найнижчий дорівнює кількості років рекорду).

• Обчислити інтервал повторення (також званий періодом повернення), у роках: середня кількість років, протягом яких задана подія (тобто потоп заданої величини) буде дорівнює або перевищено), за формулою T = (n +1)/ m, де T - інтервал повторення, n - кількість років у записі, а m - ранг події (або, еквівалентно, ймовірність p даної події зрівняється або перевищується в будь-якому заданому році; це називається ймовірність перевищення).

• Побудувати результати на графіку з інтервалом повторення та/або ймовірністю перевищення на горизонтальній осі і річним максимальним розрядом на вертикальній осі.

• Підігніть плавну криву через точки певним чином.

Малюнок 5-51. Приклад кривої частоти повені. (Від Леопольда, 1994.)

2. Результати є надійними для середнього діапазону графіка, але вони стають дуже невизначеними поблизу кінця високого розряду через малу кількість дуже великих подій. Підгонка такого хвоста дистрибутива - це завжди складна справа, але важливо, якщо потрібно намагатися екстраполювати на набагато більш тривалий час, що є однією з важливих цілей такої вправи. Для підгонки такої кривої були використані різні методи. Зазвичай використовується різновид графічного паперу з логарифмічною вертикальною (розрядною) віссю та горизонтальною віссю гумовим листом, так що певні теоретичні розподіли частот будуються як прямі лінії. (Це полегшує підгонку хвостів розподілу.) Кілька таких дистрибутивів були у використанні. Проблема з підгонкою сліпих кривих полягає в тому, що одна або дві нерепрезентативні або віддалені точки на кінці високого розряду можуть значно змістити криву. Деякі гідрологи вважають за краще підганяти криву на око, використовуючи судження про те, чи включати такі, здавалося б, віддалені точки.

3. Один цінний підхід полягає в тому, щоб спробувати визначити, з історичних записів, чи найбільший розряд в період запису був перевищений в більш ранні часи. Якщо найбільший розряд за період запису може бути встановлено, що він був більшим за будь-який інший протягом ряду років до періоду запису, період запису може бути продовжений назад у часі, а рейтинг перероблений. Це, як правило, зміщує непредставницьку велику віддалену точку вправо і привести її більш тісно у відповідність з рештою розподілу.

наслідки урбанізації

Урбанізація може мати серйозні наслідки масштабів та частоти повеней. Ось приклад (рис. 5-52): Крик Сенека, поблизу Роквілла, штат Меріленд, осушує площу 100 квадратних миль. Його вододіл зазнав значної урбанізації в останні десятиліття. Візьміть запис про звільнення, довжиною 61 рік, з 1931 по 1991 рік, і розділіть його на дві рівні частини, ранню і пізню. Середньорічна повінь у період 1931—1960 рр. становила 3000 cfs, у період 1961—1991 рр. це було 6000 cfs — вдвічі більше! Так само повне розрядження банків відбувалося 1,2 рази на рік у першому періоді, але 2,2 рази на рік у другому періоді.

Малюнок 5-52. Крива частоти повені для Сенека-Крік, штат Меріленд. (Від Леопольда, 1994)

Опади були майже точно однаковими за два періоди, тому великі відмінності повинні повністю враховуватися наслідками наслідків урбанізації. Потік не штучно вирівнюється, тому, імовірно, ефект був викликаний зменшенням часу концентрації; чим більше тротуар, тим швидше стік і коротший час концентрації.

Наслідки агрегації

Існує серйозна довгострокова проблема в районах, особливо в нижній течії великих річок, де осідання кори є незначним (тобто субстрат під активним каналом рухається вниз відносно бази, як рівень моря) та/або де рівень моря піднімається сам. (Перший ефект важливіший за другий.) Просідання може являти собою сукупність двох ефектів:

• глибоке осідання кори

• просідання, викликане ущільненням осадового субстрату річки

Річкове русло погіршується, щоб йти в ногу з просіданням, і, як наслідок, виявляється вище і вище над своєю заплавою, тому що в умовах чистої аградації осадження може відбуватися набагато швидше в руслі, де річка транспортує більшу частину свого осаду, ніж над заплавою. У певний час річка проривається через якусь особливо вразливу точку вздовж своїх природних дамбів і знаходить вихід на заплаву, яка зараз знаходиться на значно меншій висоті, і встановлює абсолютно новий курс на великі відстані вниз по заплаві. Процес називається авульсією; річка, як кажуть, авульсе. Потім річка продовжує нарощувати русло і його дамби, знову бути високо над заплавою, і знову впасти. Авульсії часто розвиваються протягом певного періоду часу, а не відбуваються відразу: все більше і більше річкових скидів відводиться через щілину в дамбі, повені після повені. Кінцевий результат, однак, однаковий.

Щоб запобігти авульсії, люди в схильних до авульсії районах, як правило, будують все вище і вище дамби, в надії запобігти такій нещасній події. Русло каналу стає все вище і вище щодо навколишньої заплави (рис. 5-53).

Це відбувається сьогодні в самих нижніх течіях річки Міссісіпі. Значна частина міста Новий Орлеан лежить значно нижче річки. Міссісіпі має невдалу перевагу стікати по річці Атчафалая до міста Моргана. Інженерний корпус армії США підтримує гігантський головний устрій на лівому березі річки вище за течією Нового Орлеана, щоб запобігти всьому скиду Міссісіпі вниз по Атчафалайї; в даний час близько третини скидання залишає Міссісіпі в цей момент. Як довго така ситуація може зберігатися - питання деяких суперечок. Якщо ви хочете прочитати цікавий розповідь про проблему з нижнім Міссісіпі, перегляньте книгу Джона Макфі (1989).

Малюнок 5-53. Річкова долина, в якій русло річки та береги річок погіршилися щодо навколишньої заплави, що робить річку сприйнятливою до авульсії.

Китай має ще більшу проблему з Хуан Хе (англійською мовою, Жовта річка), тому що вони воюють з річкою набагато довше, ніж ми воюємо з Міссісіпі. Я знаю, побувавши в Китаї, що русло Хуан Хе в місті Кайфен знаходиться майже на п'ятнадцяти метрах над вулицями міста, всього в декількох кілометрах від річки! Китайці наполегливо працюють над тим, щоб придумати спосіб вирішення цієї проблеми в довгостроковій перспективі; на найближчу перспективу (ще кілька десятиліть) дамби вважаються адекватними.