Наводнения: причины, типы, анализ частоты и катастрофические последствия

Наводнение возникает, когда в определённом месте скапливается чрезмерный объём воды, превышающий естественную или искусственную дренажную способность территории. Данные гидрологические явления обычно являются результатом продолжительных дождей, быстрого таяния снега или сочетания обоих факторов, вследствие чего в населённые районы поступает больше воды, чем могут вместить существующая инфраструктура и природные системы. На протяжении истории человеческие цивилизации сталкивались со значительными разрушениями от наводнений, поскольку за последние столетия общества намеренно переселили значительную часть населения в поймы рек — плоские низменные территории, прилегающие к руслам, которые естественным образом подвержены периодическим затоплениям.

Древние земледельческие общины признавали сельскохозяйственную ценность естественных циклов наводнений, используя богатые питательными веществами органические отложения в качестве механизма удобрения пахотных земель. Однако современные модели развития привели к тому, что посёлки и крупные населённые пункты оказались непосредственно в исторически затопляемых зонах, превратив некогда полезные экологические процессы в воспринимаемые как стихийные бедствия.

Статистические данные показывают, что примерно 90 % всех президентских деклараций о стихийных бедствиях в Соединённых Штатах издаются для мероприятий, связанных с наводнениями, в первую очередь для оказания финансовой помощи общинам, развивавшимся в границах пойм. Кроме того, повсеместное уничтожение местной растительности на склонах холмов, особенно в урбанизированных районах, существенно снизило естественную способность к инфильтрации, одновременно увеличив объём и скорость поверхностного стока, что усиливает опасность наводнений.

Кривая частоты наводнений для двух разных периодов в различных климатических условиях вдоль реки в Африке. Время повторения (горизонтальная ось) показывает, как часто наводнения с определённым объёмом воды (вертикальная ось — расход в кубических футах в секунду) происходят в конкретном месте. С 1934 по 1960 год на реке был сухой климат, и наводнения были не столь масштабными и частыми, как во влажный период 1961–1970 годов. Изменения климата могут серьёзно повлиять на прогнозируемую частоту наводнений.

Речные паводки и анализ частоты наводнений. Сезонные колебания в характере выпадения осадков непосредственно влияют на расход воды в реках, вызывая повышение уровня, который иногда выходит за пределы естественных берегов. Во время паводков как расход, так и скорость течения значительно увеличиваются, что позволяет водотокам переносить более крупные осадочные частицы, чем в нормальных условиях. Наиболее значительные геоморфологические изменения речных русел часто происходят именно во время паводков, включая образование новых извилистых участков (меандров), прокладку альтернативных путей, разрушение естественных дамб и, в крайних случаях, полный отказ от существующих русел в пользу более эффективных путей стока.

Наводнения демонстрируют предсказуемую повторяемость: интервалы повторения представляют собой статистическую вероятность наводнений определённой величины, происходящих с течением времени. Наводнения меньшей силы проявляются относительно часто, как правило, ежегодно, тогда как более крупные наводнения происходят реже, а экстремальные события имеют самые длительные интервалы. Интервал повторяемости, обычно выражаемый через такие показатели, как 50-летнее наводнение, 100-летнее наводнение и 500-летнее наводнение, обеспечивает вероятностную основу для понимания частоты и помогает планировщикам принимать обоснованные решения об освоении пойм. Кривые частоты наводнений могут быть построены для отдельных ручьёв и рек путём сопоставления измерений расхода с периодичностью повторения, что позволяет установить характерные закономерности, уникальные для каждого водосбора.

Понимание вероятности того, что наводнение определённой величины произойдёт в течение заданного периода, представляет собой критически важную информацию для жителей, владельцев недвижимости и муниципальных планировщиков. Например, если населённый пункт подвергся затоплению при расходе 150 кубических футов в секунду (4,25 м³/с), в результате чего вода поднялась на 10 футов (3 м), планировщики должны оценить разумность текущих предложений по застройке прилегающих пойм. Применяя анализ частоты, они могут определить, что наводнения такого масштаба статистически происходят примерно каждые 40 лет, тогда как события вдвое большей величины ожидаются раз в столетие. Вооружившись этой информацией, ответственные специалисты по планированию и страхованию могут прийти к выводу, что обширное освоение пойм представляет неприемлемый риск, и рекомендовать создавать новые поселения на возвышенностях.

Понимание частоты наводнений также важно для инженерного проектирования и планирования землепользования. Инженеры-строители должны рассчитать соответствующую пропускную способность мостов и дренажной инфраструктуры, определив гидрологические параметры, которым должны соответствовать такие сооружения. Во многих случаях инвестиции в более крупную и надёжную мостовую инфраструктуру оправданы, несмотря на кажущуюся невероятность того, что небольшие потоки могут достигать уровней, требующих таких значительных сооружений. И наоборот, когда сооружения проектируются с ограниченным сроком эксплуатации, проектировщики должны оценить, оправдывает ли вероятность наводнения дополнительные инвестиции в методы строительства, устойчивые к наводнениям.

Прибрежные штормы и динамика штормовых нагонов. Прибрежные районы, подверженные воздействию тропических циклонов и ураганов, сталкиваются с серьёзной угрозой наводнений, вызванных штормовыми нагонами, которые представляют собой одну из самых опасных и непредсказуемых опасностей для населения. Штормовые нагоны возникают, когда системы низкого давления выталкивают воду вперёд перед движущимся штормом, создавая исключительно высокие приливные условия. Эти явления представляют собой основную опасность для сообществ, расположенных вдоль береговых линий по всему миру. Когда развиваются ураганы, циклоны или внетропические системы низкого давления (известные как прибрежные штормы или северо-восточные ветры), их вращательная динамика и центральные зоны низкого давления поднимают уровень воды на несколько десятков футов (1–10 м). Эта поднятая водная масса опережает штормовую систему в виде штормового нагона, представляя собой дополнительную высоту воды сверх обычных приливных колебаний.

Силы ветра способствуют увеличению высоты волны, причём общая высота определяется множеством факторов, включая продолжительность ветра, длину разгона, направление ветра и минимальное центральное давление в штормовой системе. Наиболее разрушительные штормовые нагоны происходят, когда эти явления совпадают с астрономически высокими приливами, поскольку совместное воздействие нагонов и регулярных приливов приводит к кумулятивным последствиям затопления. Статистические вероятностные модели позволяют прогнозировать штормовые нагоны определённой высоты, воздействующие на прибрежные участки в течение заданных временных интервалов. Когда высота нагона отображается в полулогарифмических координатах (высота — в линейном масштабе, частота в годах — в логарифмическом), возникает линейная зависимость. Эта взаимосвязь позволяет прибрежным сообществам планировать нагоны определённой силы, которые должны происходить примерно один раз за определённые интервалы (обычно 50, 100, 300 или 500 лет), хотя точное время их возникновения остаётся непредсказуемым.

Бангладеш переживает наиболее частые и разрушительные штормовые нагоны в мире, представляя собой исключительно уязвимый регион из-за географических и демографических особенностей. Эта густонаселённая низменная страна расположена преимущественно на уровне моря между Индией и Мьянмой, занимая дельту, образованную отложениями рек Ганг и Брахмапутра, которые вытекают из Гималайского хребта. Бангладеш регулярно подвергается наводнениям из-за повышения уровня воды в реках, при этом ежегодно затапливается до 20 % его территории. Страна находится непосредственно на пути многочисленных тропических циклонов из Бенгальского залива и пережила восемь из десяти самых смертоносных ураганов в истории, включая тайфун «Сидр» в конце 2007 года. Циклон Бхола 12–13 ноября 1970 года (3-я категория) обрушился на Бангладеш со скоростью ветра 115 миль в час (185 км/ч) и вызвал штормовую волну высотой 23 фута (7 м), которая совпала с астрономически высокими приливами во время полнолуния. В результате погибло около 500 000 человек (оценки варьируются от 300 000 до 1 миллиона), а также сопоставимое количество домашнего скота. Другой разрушительный циклон обрушился на тот же регион в 1990 году, вызвав волну высотой 20 футов (6,1 м) со скоростью ветра 145 миль в час (233,4 км/ч), унеся ещё 140 000 жизней. В ноябре 2007 года тайфун «Сидр» (5-я категория, ветер 150 миль в час, волна 20 футов) при улучшенных системах оповещения всё же унёс от 5 000 до 10 000 жизней, главным образом из-за штормового нагона.

Внезапные наводнения: быстро наступающие катастрофы. Внезапные наводнения возникают в результате периодов интенсивных дождей и обычно происходят в регионах, расположенных вблизи тёплых океанских вод, вдоль крутых горных склонов, подверженных воздействию влажных ветров, и в районах с сильной грозовой активностью. Эти быстро наступающие наводнения особенно хорошо задокументированы в горных районах и каньонах на юго-западе Соединённых Штатов. На склоне Балконес в Техасе были зафиксированы одни из самых интенсивных осадков в США: атмосферная нестабильность развивается вдоль границы между сухими воздушными массами пустыни с северо-запада и тёплым влажным воздухом с Мексиканского залива на юге и востоке.

За трёхчасовые периоды здесь выпадало до 20 дюймов (0,5 м) осадков. Ураган «Элис» в 1954 году принёс более 40 дюймов (102 см) осадков, вызвав наводнения глубиной 65 футов (20 м) — одно из крупнейших в Техасе. Примерно 25 % катастрофических внезапных наводнений в США произошли вдоль этого склона. Национальный рекорд по количеству осадков за один день принадлежит Южному Техасу, где в 1979 году ураган «Клодетт» обрушил на район Хьюстона 43 дюйма (1,1 м) осадков. 8–10 июня 2001 года тропический шторм принёс 28–35 дюймов (0,7–0,9 м) осадков в Хьюстон, в результате чего 17 000 человек остались без крова, 22 человека погибли, более 30 000 лабораторных животных погибли, а общий ущерб превысил 5 миллиардов долларов.

В регионе Черрапунджи на юге Индии, расположенном у подножия Гималаев, зафиксировано самое высокое в мире количество осадков. Влажные воздушные массы из Бенгальского залива сталкиваются с возвышающимся рельефом, создавая сильный орографический эффект. В Черрапунджи выпало 30 футов (9 м) осадков за один месяц (июль 1861 года) и более 75 футов (23 м) за весь 1861 год. Внезапные наводнения обычно происходят в локализованных районах, где горный рельеф вызывает подъём атмосферы и мощные конвективные грозы, которые могут приносить несколько дюймов осадков в час на крутые склоны, что приводит к концентрации стока в узких каньонах. Возникающие паводковые воды обладают разрушительной силой, особенно в засушливых районах с редкой растительностью. На серьёзность внезапных наводнений влияют не только количество осадков, но и морфология водосборного бассейна, предшествующая влажность почвы, растительный покров, степень урбанизации и градиенты склонов.

Наводнение в Биг-Томпсон-Каньоне (31 июля 1976 года, Колорадо) произошло, когда над линией фронта разразилась мощная гроза, вызвавшая за четыре часа около 7,5 дюймов (0,2 м) осадков — примерно среднегодовую норму. Крутой рельеф сосредоточил сток, вызвав внезапное наводнение с 20-футовой (6 м) стеной воды, которая хлынула со скоростью 15 миль в час (24 км/ч), убив 145 человек. Выжившие бросили свои автомобили и вскарабкались по стенам каньона. Наводнение разрушило 418 домов, 52 предприятия и 400 транспортных средств; общий ущерб составил 36 миллионов долларов.

В горах Северного Омана (Хаджар) глубокие каньоны (вади) обычно сухи, но редкие грозы и тайфуны с Индийского океана приносят исключительные осадки. Местные предания повествуют о внезапных наводнениях со 100-футовыми (30 м) водяными стенами, разрушавшими целые поселения. Жители приспособились, построив деревни на возвышенностях над вади, и используют длинные системы акведуков (фаладж) для доставки воды. В августе 2007 года тайфун «Гону» вызвал наводнение, затопившее улицы Маската на 5–10 футов (1–3 м). В ноябре 2001 года в Алжире проливные дожди вызвали сильнейшее за четыре десятилетия наводнение и сели, унеся около 1000 жизней, особенно в районе Баб-эль-Уэд, где 600 человек были погребены под селевыми потоками. В октябре 2000 года проливные дожди и оползни опустошили северную Италию и Швейцарию: уровень воды достиг самого высокого за 30 лет уровня, погибло около 50 человек; в швейцарской деревне Гондо селевой поток шириной 120 футов (37 м) снёс 10 домов, убив 13 человек.

Региональные стихийные бедствия: крупномасштабные наводнения. Некоторые наводнения достигают огромных масштабов, затопляя сотни тысяч акров вдоль целых речных систем. Такие наводнения развиваются постепенно и могут поддерживать повышенный уровень воды неделями или месяцами. Исторически многие дамбы разрушаются во время продолжительных наводнений, поскольку они рассчитаны на ограниченное время воздействия высоких вод. Продолжительные периоды половодья позволяют гидростатическому давлению нагнетать воду в поровые пространства дамбы, вызывая просачивание и часто катастрофическое разрушение. Продолжительные наводнения могут затронуть сотни тысяч или миллионы людей, вызывая массовые вспышки заболеваний, голод и перемещение населения.

Река Миссисипи — крупнейший речной бассейн в США и третий в мире — часто подвергается разрушительным наводнениям (годы: 1993, 1973, 1927, 1909, 1903, 1892, 1883). К 1926 году было построено более 1800 миль (2897 км) дамб высотой более 20 футов (6,1 м). Продолжительные дожди поздней осенью 1926 года и интенсивное таяние снега зимой привели к тому, что весной 1927 года уровень воды достиг угрожающих отметок. В апреле дамбы начали разрушаться; округ Вашингтон, штат Миссисипи, испытал особенно серьёзные последствия, когда шторм принёс 15 дюймов (457 мм) осадков за 18 часов. Обрушение дамбы Маундс-Лэндинг 22 апреля привело к тому, что в городе Гринвилл образовался водный поток глубиной 10 футов. Река расширилась до 50 миль в ширину, затопив около 1 миллиона акров, разрушив 2200 зданий. Погибло около 1000 человек, более 1 миллиона были вынуждены покинуть дома, затоплено 27 000 квадратных миль (43 450 км²), ущерб урожаю составил 102,6 миллиона долларов, затоплено 162 000 домов.

Спутниковый снимок района Сент-Луиса, штат Миссури, с реками Миссисипи, Миссури и Иллинойс в нормальном течении (14 августа 1991 г.; снимки НАСА, сделанные Джесси Алленом из Земной обсерватории, с использованием данных, любезно предоставленных научным отделом проекта Landsat)

В 1973 году продолжительные дожди и увеличение снежного покрова привели к тому, что уровень Миссисипи поднялся более чем на 50 футов выше среднего. В Батон-Руже река чуть не вышла из берегов, чтобы проложить новое русло к Мексиканскому заливу. К 28 апреля 30 000 человек были эвакуированы из Сент-Луиса и почти 70 000 из всего региона; ущерб превысил 750 миллионов долларов (в ценах 1973 года). В 1993 году сброс в Сент-Луисе превысил 1 миллион кубических футов (28 320 м³) в секунду. Метеорологические условия напоминали 1927 и 1973 годы, но были более суровыми: за интенсивным зимним таянием снега последовали обильные летние осадки из-за застопорившейся системы низкого давления, притягивавшей влажный воздух залива. Более двух третей всех дамб в верховьях Миссисипи были разрушены. 48 человек погибли, 50 000 домов повреждены, общий ущерб превысил 20 миллиардов долларов.

Спутниковый снимок района Сент-Луиса в разгар наводнения 1993 года (19 августа 1993 г.; снимки НАСА, сделанные Джесси Алленом из Земной обсерватории)

Примеры 1927 и 1993 годов демонстрируют опасность масштабного строительства дамб. Дамбы ограничивают реки узкими руслами, из-за чего уровень воды поднимается быстрее; уменьшается просачивание грунтовых вод, что увеличивает объём воды в руслах; при разрушении дамб высвобождается огромная сила (прорыв дамбы Маундс-Лэндинг был эквивалентен силе воды над Ниагарским водопадом). Без дамб вода поднималась бы постепенно, вызывая меньшие катастрофические последствия.

Река Блэкфут в Монтане с естественными изгибами, старицами и поймой

Река Хуанхэ (Китай) — «Река скорби» — унесла больше жизней, чем любое другое природное явление. За последние 2500 лет река меняла своё нижнее течение не менее 10 раз. В 1887 году река вышла из берегов, преодолев дамбы высотой 75 футов (22 м), и затопила низменности, в результате чего от наводнения и последующего голода погибло более 1 миллиона человек. В 1938 году, во время войны, по сообщениям, китайский лидер Чан Кайши приказал атаковать дамбы на Хуанхэ, чтобы остановить продвижение японских войск. Проливные дожди уже вызвали наводнения, а в июне дамбы были прорваны (причины обсуждаются). Первоначально река затопила 500 квадратных миль (1295 км²), и паводковые воды распространялись в течение июня и июля, унося ещё 1 миллион жизней. Сегодня дно реки возвышается на 65 футов (20 м) над окружающей поймой, и остаётся открытым вопрос: если проливные дожди вызовут очередное серьёзное наводнение, погибнет ли ещё миллион человек?

Урбанизация и экологические последствия. Урбанизация трансформирует естественные среды обитания, коренным образом изменяя реакцию систем на гидрологические факторы. В неизменённых природных условиях поверхность суши реагирует на обильные осадки через различные механизмы: пустынные районы испытывают эрозию от ударов дождевых капель и наземного стока; в районах с частыми осадками формируется пышный растительный покров, смягчающий воздействие и уменьшающий эрозию. В городских районах многие муниципалитеты заасфальтировали значительную часть водосборных бассейнов, перекрыв зоны подпитки дорогами, зданиями и автостоянками. Вода, которая ранее попадала в грунтовые воды, теперь течёт по суше в русла ручьёв, которые сами могут быть модифицированы или вымощены. В результате внезапные наводнения происходят чаще, при меньшем количестве осадков и быстрее достигают городских районов. Урбанизация приводит к более быстрым, сильным и масштабным наводнениям с большей эрозионной силой.

Река Миссури протяжённостью 2300 миль когда-то была одной из самых бурных рек на американском Среднем Западе. За два столетия в результате осушения водно-болотных угодий, выпрямления русла, стабилизации берегов и строительства дамб и водохранилищ произошла серьёзная потеря водно-болотных угодий. По данным Sierra Club, изменения привели к потере примерно 168 000 акров естественного русла, 354 000 акров местообитаний в поясе меандров и 50 % площади поверхности реки. Мелководная среда обитания сократилась на 90 %, песчаные отмели, острова и старицы практически ликвидированы. Площадь лесных пойм сократилась с 76 % в XIX веке до 13 % к 1972 году, тогда как площадь обрабатываемых земель увеличилась с 18 до 83 %. Сегодня дамбы возвышаются в нижнем течении Миссури на большей части её протяжённости. Экологические организации, включая Sierra Club, Great Rivers Habitat Alliance и Ducks Unlimited, продолжают выступать против дальнейшего освоения пойм для предотвращения утраты местообитаний и снижения рисков наводнений.

Краткое изложение и выводы. Наводнения представляют собой наиболее дорогостоящее, смертоносное и распространённое стихийное бедствие, затрагивающее население. В результате отдельных наводнений одновременно погибало около миллиона человек, другие наносили ущерб на миллиарды долларов, разрушали целые общины и приводили к болезням и голоду. Существует множество типов наводнений: от локальных внезапных, охватывающих изолированные горные каньоны, до прибрежных, связанных с тропическими циклонами. Бангладеш пережил самые частые и смертоносные штормовые нагоны, некоторые штормы унесли жизни сотен тысяч людей.

Самые разрушительные наводнения в истории включают крупные, медленно нарастающие явления, затопляющие целые регионы; китайские реки Хуанхэ и Янцзы обладают сомнительной репутацией двух самых смертоносных, каждое унесло более миллиона жизней. Наводнения в бассейнах Миссисипи, Миссури и Огайо были частыми и продолжительными, нанося значительный ущерб поймам, предназначенным для коммерческого и жилого использования. Если бы эти районы оставались природными или использовались для сельского хозяйства, ущерб был бы существенно меньше. Дамбы вдоль этих рек постепенно сужают русла, повышают уровень грунтовых вод и увеличивают уровни разлива, что приводит к более катастрофическим последствиям наводнений.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.