Основы составления карт природных опасностей

t «Карта, однажды созданная людьми, становится реальностью «.

Bert Friesen.

Актуальность работы.

Значительную часть территории Республики Северная Осетия-Алания составляют горные территории. Их успешное освоение является одним из залогов экономического и культурного развития республики.

Одной из причин, сдерживающих развитие этого региона, являются опасные природные процессы, в т. ч. катастрофического характера.

Географическое положение, особенности геологического строения, высокая сейсмичность [98], резкая вертикальная зональность территории, гидрометеорологические факторы и мощная техногенная нагрузка создают условия для интенсивного проявления опасных процессов природного и техногенного происхождения на территории горной части PCO — Алания [162].

При активизации опасные экзогенные геологические процессы создают различные по своим масштабам и последствиям чрезвычайные ситуации и катастрофы, наносящие огромный материальный ущерб и сопровождающиеся человеческими жертвами [39]. Периодически на территории Горной Осетии происходят природные события катастрофического характера [74, 76]. Частично и полностью оказываются разрушены: инфраструктура, населенные пункты, объекты обороны и промышленности [163].

Интенсивность проявлений опасных природных явлений характеризуется следующими цифрами. При общей площади Горной Осетии в 3 930 км2, экзогенные процессы развиты на 2 690 км2, а это около 68% территории. Площади поражения экзогенными геологическими процессами и количество объектов составляют:

• оползневые процессы 2 306 км2, всего 336 объектов;

• селевые процессы 2 180 км2, всего 105 объектов;

• обвально-осыпные процессы 2 330 км, всего 492 объекта.

Защита осваиваемых территорий в советский период строилась на основе нормативных документов различных ведомств. Мероприятия были достаточно эффективны с учетом действовавших нормативов и законодательства. Со сменой политического и экономического строя прежняя система защиты от опасных природных процессов утратила эффективность. Примерами последствий этого могут быть Кармадонская катастрофа 2002 г. (часть жителей погибла во временном поселке, запрещенном к проживанию в советский период), регулярные лавинные сходы по Транскавказской автомагистрали федерального и стратегического значения (дорога до сих пор не достроена, несмотря на интенсивную эксплуатацию и транснациональное и стратегическое значение). Потери составили сотни человеческих жизней. Подобные природные воздействия происходят практически во всех молодых горных странах, и защита от них является актуальной не только в PCO-Алания.

Защита от воздействия опасных природных явлений в странах с традиционной рыночной экономикой строится на принципах, прежде всего, пассивной защиты (уход из зон поражения), комбинируемой с экономическими условиями, поощряющими строительство в безопасных зонах и ограничивающими строительство в опасных зонах (запрет на строительство до возведения защитных сооружений, высокие ставки страхования и т. п.), определяемых картами опасностей.

Для повышения эффективности существующей системы мер по защите населения и объектов экономики от природных разрушающих процессов требуется проведение ряда мероприятий нормативного и законодательного характера. Одним из базовых документов такого характера является Градостроительный кодекс~[12]. Согласно ряду его положений создание карт, описывающих опасности в той или иной форме, является необходимым и совпадает с подходом зонирования территории, направленным на обеспечение благоприятной среды жизнедеятельности, защиту территорий от воздействия чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.

При этом зонирование (т.е. выделение зон опасностей, см. Гл. 1.3) должно служить основой для решения следующих задач:

• выделение зон с ограничениями градостроительной деятельности. территорий и поселений и их защиты от воздействия чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера;

• определение для каждой территориальной зоны (подзоны) градостроительного регламента, устанавливающего совокупность видов и условий использования земельных участков и иных объектов недвижимости, а также допустимого их изменения;

• установление правового режима для каждой территориальной зоны в расчете на его применение в равной мере ко всем расположенным в ней земельным участкам, иным объектам недвижимости;

• установление дополнительных требований к отдельным объектам недвижимости, расположенным в зонах, градостроительная деятельность в которых подлежит особому регулированию.

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Разработана методика и технология составления карт природных опасностей для Горной Осетии, позволяющая проводить интегральную оценку территории. Зонирование территории производится в категориях опасности определяемых параметрами природных явлений. На основе карт природных опасностей производится ограничение землепользования.

2. Доказана возможность применения не метрической цифровой аппаратуры (фотои видеокамер) для составления крупномасштабных геоэкологических карт на примере параметрических полигонов в горных районах.

3. Созданы модели селевого потока ледника Колка, на основе полевых наблюдений определена их высокая достоверность. На примере Горной Осетии выявлена возможность использования моделирования на основе рельефа местности как наиболее эффективного инструмента для составления карт природных опасностей. При этом определение категорий опасности базируется на комплексной оценке моделируемого процесса.

4. Проведена реконструкция «схода» ледника Колка, что позволило выявить механизмы и параметры катастрофического процесса. На основе проведенной работы создана технология реконструкции опасных геологических процессов в горных условиях.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является обоснование и создание карт природных опасностей для Горной? Осетии, разработка рекомендаций по составлению таких карт на основе дистанционных методов, моделирования и реконструкции событий катастрофического характера для повышения безопасности населения в^местах постоянного пребывания (проживания^ работы, отдыха). Методами эффективного достижения этой цели являлось получение данных о природной среде дистанционными методами, применением моделирования и реконструкции событий катастрофического характера. ^.

Достижению поставленной в работе цели способствовало решение I следующих основных задач:

1. Анализ мировой практики составления и применения карт опасностей и отечественной нормативной, методической и правовой базы по оценке опасных природных воздействий.

2. Разработка методики создания карт природных опасностей для Горной Осетии и их опытное составление для трех населенных пунктов. 1.

3. Использование современных технологий анализа пространственных данных, моделирования природных процессов различного^ генезиса, комбинирования традиционных и инновационных технологий для оценки масштабов природных геологических процессов.

4. Определение возможности использования цифровой фотои видеоаппаратуры, для получения количественных характеристик природных объектов достаточных для мониторинга опасных геологический процессов.

5. Проведение дистанционного и наземного мониторинга опасных природных и техногенных объектов на. территории Краснодарского Края, Горной Балкарии, Горной Осетии и Республики Дагестан для практического определения точности картирования по материалам аэровизуальных обследований.

6. Разработка методики и технологии реконструкции протекания опасных природных явлений, в т! ч на примере процесса катастрофического схода ледника Колка.

ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ.

Основным источником фактического материала явились данные, методические приемы и технологии обработки пространственных данных, полученных автором при решении научных и практических задач повышения безопасности нахождения людей в горных условиях, создании банков пространственной информации, анализа, протекания опасных природных явлений, моделирования природных событий и проведения инженерно-геологических и инженерно-экологических изысканий и исследований.

Всего реализовано более 60 проектов, связанных с исследованиями опасных природных явлений и направленными на повышение безопасности от природных воздействий на Северном Кавказе, в которых автор участвовал в роли исполнителя и руководителя с 1998 по 2009 г.

Обращение к теме вызвано, прежде всего, катастрофическими событиями на ледникеКолка [141, 159]. Ознакомление с практикой применения карт опасностей в Швейцарии, их высокая практическая эффективность обеспечения безопасности населения открыли новый взгляд на возможности отечественной практики защиты от опасных природных явлений.

Методика применения дистанционных данных разрабатывалась и совершенствовалась в рамках работ по «Дистанционным методам при мониторинге геологической среды» (Территория работ: РСО-Алания, Республика Дагестан, Чеченская республика, Кабардино-Балкарская республика, Краснодарский край). Проводились многократные аэровизуальные • обследования участков мониторинга с производством цифровой фотои видеодокументации. Полученный опыт был использован в работах по теме ГДП-200 для создания дистанционной основы на территорию PCO — Алания. Эффективность современных исследований повышается при использовании моделей явлений и ГИС — технологий [121 -125]. Были реализованы проекты по созданию «Геоинформационной системы Республики Северная Осетия-Алания», «Атлас Республики Северная Осетия — Алания».

Применение цифровой фото- • и видеоаппаратуры для целей картирования и дешифрирования опасных природных процессов требует проведения мероприятий по ее подготовке, таким образом была проведена.

Калибровка цифрового фотоаппарата Nikon COOL PIX 4500″ и другой аппаратуры. Разработка методики и технологии реконструкции опасных природных явлений на примере ледника Колка проводилась в рамках работ межведомственной комплексной экспедиции на леднике Колка с 2002 по 2005 г.

МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Большая часть проектов проводилась совместно с ведущими научными организациями РФ и РСО-Алания (ИФЗ, Институт географии, МГУ им. М. В. Ломоносова, ВНЦ РАН и др.). Были проведены работы по выявлению причин события, картированию самого ледника, зоны транзита и зоны аккумуляции. В рамках изучения события были созданы цифровые топографические карты, созданы ортофотопланы [144], произведена разбивка профилей, проведено несколько работ по дешифрированию материалов как до события, так и после него. Проведен анализ информации по ведущимся в районе Кармадонского ущелья организациями РАН, ведущих отраслевых институтов работам, выявление участков изучения различных типов экзогенных процессов". Автором производился сбор данных и координация деятельности межведомственной комплексной экспедиции (МИС РФ, МНР РФ, Росгидромет, РАН и.др.).

Применение методов моделирования позволило установить правильность научных предположений по ряду позиций протекания процесса «схода» ледника Колка. Создание количественной и вероятностной моделей селевого потока ледника Колка ниже Кармадонских ворот позволило рассчитать параметры селевого потока, при которых возможно поражение населенного пункта Гизель. Моделирование также успешно использовалось при оценке селевой опасности по долине р. Касайком-дон (строительство тоннеля). Моделирование лавинных процессов по долине р. Цей-дон (геоэкологические работы) и Мамисон-дон (инженерные геоэкологические изыскания) позволило определить зоны лавинных и селевых опасностей. Опыт использования моделирования при геоэкологических исследованиях позволяет с уверенностью применять его при определении зон потенциального поражения и категорий опасности. ' ' '. '. 13.

Предшествующий опыт работы на объектах катастрофического характера и инженерной защиты, участие в научно-исследовательских разработках современных методов дистанционного мониторинга опасных геологических' процессов, позволил в короткие сроки провести разработку «Методики создания карт природных опасностей для Горной Осетии» [126]. Работа проводилась совместно с Цюрихским университетом, с привлечением широкого круга консультантов разных организаций в рамках проекта «Предупреждение опасностей в высокогорных районах» Швейцарского управления по развитию и сотрудничеству. Автор в течение нескольких рабочих поездок был ознакомлен со стратегическими направлениями по защите населения в Швейцарии, методикой разработки карт опасностей, технологиями полевых исследований и моделирования.

Аналогичная система защиты будет уместна и на территории Горной Осетии. Проведенные совместные исследования показали эффективность, практического применения карт природных опасностей. Предложенная методика была рекомендована научно-техническим советом «Севосетиннедра» для внедрения Министерству архитектуры и строительной политики PCO — Алания. На территорию трех населенных пунктов были созданы карты природных опасностей. Результат получил высокую оценку и реализован на практике. После этого были созданы карты опасных природных процессов. Цейского ущелья и Кадастровые карты Алагирского, Ирафского и Кировского районов, которые были использованы в целях градостроительного планирования.

ИДЕЯ РАБОТЫ заключается: в разработке принципов, методики и технологических приемов оценки природных опасностей, их картировании для зонирования территориипо категориям опасности. Результатом оценки являются карты природных опасностей, интегрировано определяющие категории зон поражения различными опасными природными процессами. В. соответствии с категориями опасности территорий регулируется возможность строительства — в зависимости от уровня ответственности сооружения. При создании карт природных опасностей рекомендуется применение моделирования, данных дистанционного зондирования и реконструкции прошедших ранее событий.

При создании таких карт рекомендовано применение математических расчетов и использование различных методик моделирования явлений, как экономичного и достаточного по точности метода определения количественных параметров опасных явлений. Одним из достоинств моделирования является возможность многовариантного расчета событий. Получаемые при моделировании параметры используются для выделения категорий опасности.

Для повышения эффективности работ по созданию карт природных опасностей возможно использование материалов аэровизуальных исследований. При этом обработанные дистанционные данные — так как это описано в данной работе, могут быть использованы для получения количественных параметров опасных природных явлений.

В случае невозможности получения сведений о деталях более ранних катастроф проводится реконструкция событий. Реконструкция события произведена на примере «схода» ледника Колка. Полученный при этом опыт, а также проведенные ранее работы на других объектах, были обобщены и на основании этого предложены методика и технология реконструкции опасных природных явлений.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

Впервые для Горной Осетии предложена методика создания карт природных опасностей. Разработаны основы создания карт природных опасностей для Горной Осетии. Предложены определения некоторых терминов не закрепленных в существующих нормативах: карта опасностей, карта природных опасностей и др.

Доказана, на 9-ти эталонных участках с разными природными явлениями, возможность использования неметрической цифровой фотои видеотехники для картирования природных объектов. Разработана методика подготовки аппаратуры и экспериментально определена точность картирования природных объектов.

В работе предложен механизм оценки природных опасностей, их картировании для зонирования территории по категориям опасности. Результатом оценки являются карты природных опасностей, интегрировано определяющие категории зон поражения различными опасными природными процессами. В соответствии с категориями опасности территорий регулируется возможность строительства с учетом эколого-социальной значимости сооружений.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД. Всего по направлению темы диссертации реализовано более 60 научных и производственных проектов, в которых автор участвовал в роли исполнителя и руководителя с 1998 по 2010 гг.

Опыт работы автора на объектах катастрофического характера (сход ледника Колка, Герхожан-Су и др.) и инженерной защиты, участие в научно-исследовательских разработках современных методов дистанционного мониторинга опасных геологических процессов позволил провести разработку «Методических рекомендаций для создания карт природных опасностей для Горной Осетии». Работа проводилась совместно с Цюрихским университетом в рамках проекта «Предупреждение опасностей в высокогорных районах» Швейцарского управления по развитию и сотрудничеству.

В научно-методических работах по дистанционному зондированию автор занимался комплексом задач связанных с аэрофото и видеосъемкой, ГИС-технологиями, обработкой материалов аэровизуальных обследований, подготовкой аппаратуры.

Эффективность современных исследований повышается при использовании моделей явлений и ГИС-технологий. Автором реализованы проекты по созданию «Геоинформационной системы Республики Северная Осетия-Алания», «Атлас Республики Северная Осетия — Алания» и др.

Автором, как секретарем межведомственной комплексной экспедиции (МЧС РФ, МПР РФ, Росгидромет, РАН и др.) производилась координация, сбор данных и анализ результатов работ.

Значительная часть проектов проводилась совместно с ведущими научными организациями PCO — Алания и РФ (ИФЗ, Институт географии, МГУ им. М. В. Ломоносова, ВНЦ РАН и др.).

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ работы заключается в повышении уровня безопасности населения в местах постоянного пребывания (проживание, работа, отдых), при снижении затрат на мероприятия по защите от опасных геологических процессов и ликвидации их последствий.

Методические рекомендации по составлению карт природных опасностей для Горной Осетии" [126] были рекомендованы для внедрения Министерству архитектуры и строительной политики PCO — Алания.

Карты природных опасностей в законодательном порядке должны ограничивать освоение горных территорий в соответствии с уровнем ответственности сооружений. Это позволит упорядочить процесс стихийной застройки на потенциально опасных участках, как-то поймы рек, оползнеопасные участки, зоны поражения селевыми процессами.

Карты природных опасностей составляются, как правило, в пределах населенного пункта. Внедрение практики карт природных опасностей может быть катализатором обязательного страхования недвижимости, т.к. появится возможность объективной оценки самой опасности для каждого строения.

Определение количественных характеристик динамики опасных геологических процессов на основе моделирования и дешифрирования дистанционных материалов позволяет сократить сроки, расходы и повысить эффективность создания карт природных опасностей.

Апробация работы.

Основные положения работы изложенные в «Методических рекомендациях по составлению карт природных опасностей для Горной Осетии» были доложены и одобрены на заседании научно-технического совета «Севосетиннедра» 28 марта 2006 г., и направлены в Министерство архитектуры и строительной политики РСО-Алания и заинтересованным организациям. На основе методических рекомендаций разработаны карты природных опасностей для трех населенных пунктов по заказу Министерства архитектуры и строительной политики PCO — Алания.

По теме работы опубликовано 20 работ в т. ч. 1 в реферируемом журнале, 2 в иностранных журналах, включенных в индекс цитирования ВАК. По теме диссертации сделаны следующие доклады:

— «Методика составления карт природных опасностей» (заседание объединенного научно-производственного семинара Общественного совета Госкорпорации «Росатом» и Центра мониторинга состояния недр на предприятиях Госкорпорации «Росатом» ФГУГП «Гидроспецгеология» 24 марта 2010 г.) —)'.

— «Точность jGPS оборудования профессионального класса в условиях I горной местности» (Международная научно-практическая конференция 2011.

22 сентября, 2Q07 г. в г. Владикавказ);

— «Дешифрирование дистанционных материалов для реконструкции процесса обрушения ледника Колка» и «Дешифрирование района Геналдонско^г катастрофы 2002 г. на основе разнородных данных дистанционного зондирования» (Международная конференция «Предупреждение опасных ситуаций в высокогорных районах» в г. Владикавказ 23−24 июня 2004 г.);

— «Применение программы ArcPad при ведении крупномасштабных аэросъемочных 'работ» (Всероссийский форум «Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Образование»);

— «Использование космоснимков при экологических исследованиях окружающей среды» (IV международная конференция «Устойчивое развитие горных территорий: проблема регионального сотрудничества и региональной // политики/горных районов). .1.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следуннцих работах: убликацни по теме диссертационной работы: публикации в российских реферируемых изданиях: Т’алупЬшн И.В., к. г-м.н. Галушкина Е. Ю. Моделирование селевого потока при сходе ледника Колка В 2002 гОДУ // /'.

Теоретическая и прикладная экология — Киров — 2010 № 2. С 13−16.

Зарубежные издания, включенные систему индекса цитирования ВАК1 Web of Science: Science Citation Index Expanded http://vak.ed.gov.ru/ru/list/.

THaeberli, W., Huggel, C., Kaab, A., Zgraggen-Oswald, S., Polkvoj, A.,' Galushkin, I., Zotikov, I. and Osokin, N. (2004). The Kolka-Karmadon rock/ice slide of 20 September 2002: an extraordinary event of historical dimensions in North Ossetia, Russian Caucasus. Journal of Glaciology, 50, P. 533−546.

Huggel, C., Zgraggen-Oswald, S., Haeberli, W., Kaab, A., Polkvoj, A., Galushkin, I., Evans, S.G. (2005): The 2002 rock/ice avalanche at Kolka/Karmadon, Russian Caucasus: assessment of extraordinary avalanche formation and mobility, and application of QuickBird satellite imagery. Natural Hazards and Earth System Sciences, 5. P. 173 — 187.

Остальные публикации:

Никитин М.Ю., Гончаренко О. А., Галушкин И. В. Динамика и стадийность развития Геналдонского ледово-каменного потока на основе дистанционного анализа // Вестник Владикавказского научного центра — 2007. — № 3. — С. 2−15.

Никитин М.Ю., Гончаренко О. А., Галушкин И. В., Хуггель К. Дешифрирование района Геналдонской катастрофы 2002 г. на основе разнородных данных дистанционного зондирования // Предупреждение опасных ситуаций в высокогорных районах. Тезисы докладов Международной конференции в г. Владикавказ 2324 июня 2004 г. — Владикавказ 2004.

Тавасиев Р.А., Галушкин И. В., Каменев Н. С. Активизация селевых очагов Северного Кавказа в связи с изменением климата на примере Цейского ущелья (Республика Северная Осетия-Алания, Россия) // Труды Международной конференции СЕЛЕВЫЕ ПОТОКИ: катастрофы, риск, прогноз, защита — Пятигорск — 2008. -С. 114−117.

Тавасиев Р.А., Галушкин И. В. Опасные природные процессы в Цейском ущелье и их влияние на рекреационные комплексы // Вестник Владикавказского центра — 2007. — № 2. — С 23−29.

Галушкин И.В., Никитин М. Ю., Свинтицкий И. Л. Нефтепродуктовое загрязнение Чеченской республики по космоснимкам // ArcReview — 2002. — № 4. С. 8−9.

Галушкин И.В., Никитин М. Ю. Применение программы ArcPad при ведении крупномасштабных аэросъемочных работ // Тезисы докладов 8-го всероссийского форума «Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Образование. — М. РАГС. -2001г.-С. 51».

Галушкин И.В., Гончаренко O.A., Гроппен В. О. Использование космоснимков при экологических исследованиях окружающей среды // Тезисы докладов' участников IV международной конференции «Устойчивое развитие горных территорий: проблема регионального сотрудничества и региональной политики горных районов. — М: Арт-Бизнес-Центр» — 2001. — 2 п.л.

Никитин М.Ю., Хуггель К, Шварц М., Гончаренко O.A., Галушкин И. В. Дешифрирование дистанционных материалов для реконструкции процесса обрушения ледника Колка. // Предупреждение опасных ситуаций в высокогорных районах. -Доклады международной конференции. Владикавказ — Москва 2326 июня 2004 г. — С.160−171.

Галушкин И.В., Дробышев В. Н., Салказанов C.B. Точность GPS оборудования профессионального класса в условиях горной местности // Труды международной научно-практической конференции, Владикавказ, 20−22 сентября, 2007 г. — С 336−340.

Запорожченко Э.В., Никитин М. Ю., Галушкин И. В., Галушкина Е. Ю. Дистанционные методы, цифровая аэросъемка в проектировании // Сборник научных трудов Северо-Кавказского института по проектированию водохозяйственного и мелиоративного строительства (ОАО «Севкавгипроводхоз»), Выпуск 17. Пятигорск. -2007., С 150−155.

Галушкина Е. Ю., Галушкин И. В., Никитин М. Ю. Современные технологии полевых исследований при геоэкологическом картировании // Труды молодых ученных. Науки о Земле. — 2005. -№ 4.

Галушкин И.В., Галушкина Е. Ю Геоинформационная система экологического мониторинга территории РСО-Алания // Труды молодых ученных. Науки о Земле. — 2005. — № 4.

Галушкин И.В., Галушкина Е. Ю., Хугель К., Махгуд X. Разработка методических основ для составления карт природных опасностей Горной Осетии. // Тр. Северо-Кавказский горнометаллургического института (ГТУ). — 2006;С. 159−167.

Huggel С., Zgraggen-Oswald S., Kaab A., Haeberli W., Galushkin I. and Misetov A. Modeling and analysis of the 2002 Kolka Glacier erosion, avalanche formation and dynamics, and downstream mudflow hazards. Proceedings of the International Conference on High Mountain Hazard Prevention, Vladikavkaz-Moscow, June 23−26, 2004, Vladikavkaz, 196−203.

I 20.

Huggel, С., Zgraggen-Oswald,. S., Kaab^ A., Haeberli, W., Frauenfelder, R., Galushkin, I. (2004): Fels-/Eislawinen-Katastrophe im Nordleaukasus — Losungen zur Analyse, Beurteilung und Pravention der Gefahren: arcacktuell, 3, ESRI, 16−19:

Huggel, S. OswaldW. Haeberli, A. Kaeaeb, A. Polkvoj, LGalushleiir and S.G. Evans. Geophysical Research Abstracts, Vol. 6, 2 505, extraordinary processes of the 2002 Kolka/Karmadon rock/ice slide in he Caucasus mountains, North Osetia (Russian Federation), and current atate of investigations. C. 2004.

Huggel, C., Oswald, S., Kaab, A., Haeberli, W., Polkvoj, A. and Galushkin, I. (2003c): Application potential of very-high resolution remote Sensing data (QuickBird) for high-mountain hazards: a case study with the 2002 rock/ice avalanche disaster in the Russian Caucasus. Geomorphic Hazards: Towards the Prevention of Disasters, IAG Regional Geomorphology Conference, Mexico City, October 27.

Novembfer 2, 2003, Abstracts, 106−107. i.

Благодарности.

I '.

Ав|ор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д. г-м.н. ¿-А. Головину, к. г-м.н. И. Г. Спиридонову, с.н.с. М. Ю. Никитину, O.A. Говчаренко, д. г-м.н. С. Н. Волкову, к. г-м.н. Э. В. Запорожченко, д. г-м.н. АМИванову, к. г-м.н. О. К. Вдовиной, д. г-м.н. B.JI. Познанину, p.h.d. КуХуггелю, М. Хорсту и многим другим за научные консультации, методическую и практическую помощь при работе над материалами диссертации, Швейцарскому управлению по развитию и сотрудничеству за предоставленную возможность проведения научных работ, ознакомительных исследований и координаторам проекта «Предупреждение опасностей в г ' высокогорных районах» З. П. Кабуловой и В. Е. Галкиной.

Авфр благодарен коллегам ОАО «Севосгеологоразведка» с которыми проработал много лет над вопросами рассматриваемыми в работе. I.

Отдельно автор благодарит уникального знатока Горной Осетии, засаженного спасателя МЧС России P.A. Тавасиева за консультации и ' 1: многолетнюю помощь при проведении исследований.

3.3. Выводы по возможности применения результатов моделирования для определения зон потенциального поражения селей.

Проведено многовариантное моделирование катастрофических селевых событий и проанализирован процесс катастрофического «схода» ледника Колка 2002 г. Для моделирования и заверки его результатов потребовалось создание цифровой модели местности крупного масштаба и ортофотоплана.

Моделирование для селевого потока проведено по двум методикам, вероятностной и количественной. Обе модели базируются на ЦМР, что делает результаты не только реалистичными, но и дает возможность оценить их достоверность на картографических данных и ДДЗ (ортофотопланы и космические снимки, рис. 3.10).

Для зоны селевого потока на основе моделирования можно сделать следующие выводы:

• моделирование достаточно устойчиво и реально описывает распространение процесса, особенно в той части модели, где исходный топографический материал был более высокого качества;

• зона поражения селевого потока потенциально распространяется на часть населенного пункта Гизель;

• для поражения части с. Гизель первоначальный объем должен составлять не менее 150 млн. м (табл. 3.1, рис. 3.6);

• на основе полученных данных возможно выделение зон селевой опасности в категориях опасности, приведенных в главе 1 настоящей работы.

На основе количественной методики моделирования определены параметры селевого потока 2002 г. Количественное моделирование подтверждает, что при объеме селевого потока в 7 млн. м3, процесс достигнет границы населенного пункта Гизель.

Для процесса «схода» ледника Колка создана модель, заверенная полевыми наблюдениями, ее соответствие прошедшему явлению установлено высотой и количеством фаз явления (глава 4 настоящей работы).

4. Методика и технология реконструкции опасных природных явлений на примере «схода» ледника Колка.

Проведена реконструкция «схода» ледника Колка, что позволило выявить механизмы и параметры катастрофического процесса. На основе проведенной работы создана технология реконструкции опасных геологических процессов в горных условиях.

Крупные события катастрофического характера имеют ключевое значение для зонирования территории по категориям опасности [75]. Такие явления происходят редко, зачастую оставляя минимум информации, пригодной для картирования зон опасностей. Для определения параметров этих событий, причин возникновения, механизма протекания необходимо проведение реконструкции события [153 — 155].

Как пример, произведена реконструкция события «схода» ледника Колка до «Кармадонских ворот». Полученный при этом опыт, а также проведенные ранее работы на других объектах, были обобщены и на основании этого предложены методика и технология реконструкции опасных природных явлений в условиях горных стран.

Известность, значительный объем информации по данному событию и описание главы 3.1 позволяют автору не останавливаться на истории события [94, 118, 166 — 168, 170], описанию вводных деталей, а сразу перейти к рассмотрению сути вопроса — реконструкции.

4.1. Реконструкция протекания Кармадонской катастрофы 2002 г.

Геналдонское событие 2002 г. — одна из крупнейших катастроф последних лет. До сих пор многие аспекты протекания события и его причины остаются не выявленными, либо являются спорными.

Основой работы послужили архивные данные, топографические материалы, космические снимки высокого разрешения QuickBird [169], материалы цифровых воздушных снимков, аэрофотоснимков до и после события, наземных исследований, а также математические модели прохождения ледово-каменных масс от зоны обрушения до зоны аккумуляции. Моделирование подтвердило выдвинутые положения о распределении материала при прохождении ледово-каменного потока.

Главной задачей обработки дистанционных данных явилось изучение состояния геологической среды в зоне поражения Кармадонского ледовокаменного потока после его прохождения, строение сформированных потоком накоплений, реконструкция протекания самого события [152 — 155].

4.1.1. Методы и оборудование.

Основой для работы послужили космические снимки высокого разрешения [169]. Геокодированные космические снимки по изобразительным качествам и разрешению вполне приемлемы для дешифрирования в крупном масштабе совместно с материалами цифровой аэросъемки.

По всей зоне проведены геологические маршруты, сопровождавшиеся фотои видеодокументацией, собраны архивные данные.

Все дистанционные материалы были распределены по участкам, отчетливо обособленным друг от друга. В пределах каждого из участков все данные подвергались тщательному визуальному анализу, сопоставлению с плановым КС данного участка и выносу на последний всех элементов дешифрирования. Кроме того, было проведено стереоскопическое дешифрирование крупномасштабных аэрофотоснимков по залету, проведенному в ноябре 2002 г., что позволило существенно детализировать строение зоны транзита и аккумуляции ледово-каменных накоплений. Наличие разноракурсных и разномасштабных снимков на один и тот же объект позволило с достаточной степенью достоверности не только провести картирование, но и определить его генетическую принадлежность, особенности взаимоотношений с другими накоплениями.

На втором этапе проведен общий анализ, уточнение и привязка генетических типов накоплений друг с другом в пределах смежных участков.

Примененная методика анализа и дешифрирования позволила составить детальную схему соотношений генетических типов накоплений, сформированных в результате события 20 сентября 2002 г., выявить механизм его протекания, а моделирование по оригинальной методике позволило подтвердить полученные выводы.

4.1.2. Динамика формирования ледово — каменного и селевого потоков.

По результатам дешифрирования, особенностям строения рельефа ледового тела выделено три основных фазы процесса, они названы по трем населенным пунктам в зоне отложения: Генальская, Канийская, Санибанская.

Наличие фаз особенно четко фиксировалось в зоне транзита (рис. 4.1) и обусловлено характером протекания самого события и особенностями зоны транзита. Даже если условно принять старт всей массы одновременным событием, то все равно, такая масса не способна равномерно разместиться в долине Геналдон. Об этом же свидетельствует моделирование процесса обвала, проведенное Швейцарским федеральным исследовательским институтом [171 — 172]. Модель показала, что поток должен был разложиться на несколько «порций» (рис. 4.2).

4.1.2.1. Генальская (начальная, фронтальная) фаза накоплений.

Фаза вызвана событием обвала ледово-каменных масс со склона Джимарай-хох. Материал прошел по леднику Майли, оставил на правом борту, ниже ледника, след. Отпечаток имеет широкую амплитуду и достигает 800 м по протяженности и 300 м по высоте. Накопления Генальской фазы сформированы начальной, высокоскоростной стадией потока (имеющей как отмечает Васьков И. М. роторный тип движения), несущей разноразмерные.

Рис. 4.1 Следы фаз движения ледово-каменных масс (фото автора) к.

4″ с I т;

Рис. 4.2 Моделирование процесса схода ледово-каменных масс оглаженные ледяные глыбы с подчиненным количеством крупнощебнисто-глыбового заполнителя. Масса имела значительное количество воздуха, представляла лавинообразный поток, в котором и окатывались обломки льда. Материал этой стадии потока первым достиг котловины, по основному вектору перемещения и был остановлена правым бортом котловины у развалин с. Генал, и, далее перемещаясь вдоль юго-западного склона.

Скалистого хребта, частично заполнил собой долину Кауридона и Геналдона вдоль правого борта до Кармадонских ворот. Непосредственно под с. Генал сохранился фрагмент ее высокого «заплеска» и удара (рис. 4.3).

Рис. 4.3 «Заплеск» первой фазы ледово-каменного потока, выделено красным (фото автора).

На склоне зафиксированы следы ударной волны — раздавленные и вбитые в склон деревья и глыбы пород (рис. 4.4).

Генальская фаза накоплений по вектору основного удара потока сопровождалась отседанием масс по циркам отрыва. Контакт налегания на нее последующей начальной подфазы Канинской фазы накоплений имеет линейную форму и достаточно хорошо выражен.

Накопления этой фазы выявлены вдоль правого склона долины Геналдона — Кауридона, в виде узкой полосы, протягивающейся до «Кармадонских ворот».

Рис. 4.4. Следы ударной волны: расплющенные и «вбитые» в склон древесные стволы. Хорошо видна граница отложения материала (фото автора).

Фаза представляет собой, в основном, узкую полосу, вдоль правого борта долины (рис. 4.5). В остальной части котловины материал фазы погребен последующими, более мощными порциями.

Канинская фаза.

Накопления этой фазы, второй по счету в пределах ледового тела, расположены рядом с с.Н.Кани, почему и названы Канийскими. Они выполняют собой центральную часть и западную половину Кармадонской котловины, проникают вдоль левого ее борта до Кармадонских ворот.

Канийская фаза преимущественно сложена крупными блоками льда, размером до 10−30 м в поперечнике, вероятно содержит основное количество разнородного глыбово-обломочного материала из зоны деструкции ледника Колка, включая материал зоны обрушения. Она, судя по всему, соответствует основной стадии эвакуации масс из ложа Колки и перекрывает в.

Кармадонской котловине накопления Генальекой фазы. Контакт между Генальекой и Канинской фазами потока хорошо читается в центральной части перспективного снимка (рис. 4.6) ж.

Жл Щ. —т V.

Л*.

Ъ- -у*.

Ч *4 ь ШдаЛД1,.

Яа? г 3 С 4 ««'Л.

4,.

Рис. 4.5 Отложения Генальекой фазы (выделены в коричневом оттенке) Канийская (основная, центральная) фаза накоплений (фото автора).

Канийская фаза накоплений, в отличие от предыдущей, имеет резко выраженный неровно-бугристый грядовый рельеф. Наличие гряд на поверхности может восприниматься как эффект «торошения» масс в процессе столкновения фронта потока с накоплениями предыдущей Генальекой фазы и последующим их сжатием.

Рис. 4.6 Контакт Генальской и Канинской фаз потока (фото автора).

Это также свидетельствует и о значительно меньшей скорости перемещаемого материала. Обращают на себя внимание структуры отрыва с плоской поверхностью в тыловых частях гряд, их изгиб в направлении перемещения масс, достаточно четко выраженная надвиговая форма контакта с подстилающей Генальской фазой потока.

В пределах Канинской фазы накоплений с единой морфологией потока может быть выделено две ее подфазы — передовая, обозначенная как II-1 (рис. 4.7) и последующая — И-2. (рис. 4.8). Передовая подфаза накоплений (II-1), судя по морфологии ее поверхности, после надвигания масс на Генальскую фазу накоплений продвигалась главным образом в сторону Кармадонских ворот по левой стороне котловины. В процессе «вжимания» ледовых масс между крутым скальным бортом котловины и Генальской фазой накоплений в сравнительно узкое пространство перед Кармадонскими воротами и возникла многочисленная сеть параллельно ветвящихся трещин отрыва, которые можно кинематически воспринимать как сдвиговые деформации внутри потока.

Рис. 4.7 Канийская фаза, передовая подфаза (II-1), выделено коричневым цветом (фото автора).

Рис. 4.8 Канийская фаза, последующая подфаза (Н-2), выделено коричневым цветом (фото автора).

Образование трещин отрыва — левостороннего сдвига сопровождалось вжиманием ледовых масс в нижние части овражных врезов левого борта котловины, в сторону которых был частично направлен вектор перемещения масс после фронтального удара об материал Генальской фазы потока. Трещины отрыва в плане имеют частый параллельный характер расположения, кулисную форму в плане, были полностью сформированы к моменту остановки потока. В результате перемещения ледовых масс вдоль левого борта Кармадонской котловины и их скучивания в фронтальной части образовалась положительная продольная ступень в рельефе вплоть до Кармадонских ворот, где она наиболее резко выражена. Продольная ступень между Генальской и передовой подфазой II-1 Канинской фазы хорошо читается в рельефе по наличию уступов и параллельной системы трещин их разделяющих в Кармадонских воротах.

Последующая подфаза накоплений (П-2) выделена по морфологическим признакам в центральной части Кармадонской котловины. Между селениями Кани и Генал располагается хорошо выраженный в рельефе в виде вала изогнутый в плане фронт накоплений, частично надвинутый на накопления передовой подфазы.

Поверхность контакта между подфазами II-1 и П-2 имеет изогнутую форму. В основании фронтального вала прослеживается линия поверхности раздела, морфологически представляющая собой надвиговую поверхность. Поверхность сместителя между подфазами II-1 и П-2 Канинской фазы накоплений имеет притертый характер за счет проскальзывания по поверхности подстилающих накоплений. Подфаза накоплений П-2 частично протягивается в сторону с. Саниба.

Сапибанская (финальная, тыловая) фаза накоплений.

Санибанская, или иначе финальная (тыловая) фаза накоплений (рис. 4.9) завершает собой образование ледового тела квазиледника. На модели Швейцарского федерального института это выглядит так, как отмечено на рис. 4.10. Она формировалась, когда практически вся Кармадонская котловина была заполнена предыдущими накоплениями.

Рис. 4.9. Санибанская, или иначе финальная, тыловая фаза накоплений, выделено коричневм (фото автора).

Рис. 4.10. Вид Санибанской фазы (выделено красным) на модели Швейцарского федерального института.

Санибанская фаза возникла из хвостовой части ледово-каменного потока, двигавшегося по долине Геналдона с меньшей скоростью, чем предыдущие его стадии, и имевшему, как следствие, меньшую несущую способность и обогащенную водной составляющей. Этим можно объяснить наличие элементов затекания масс, ясно читаемых в рельефе ее фронтальной части. Так же, как и в предыдущих случаях, морфологически ясно выражен передовой вал с торошением масс и наличием пограничного шва с подстилающими накоплениями Канинской фазы. «Проскальзывание» накоплений Санибанской фазы по поверхности Канийских накоплений имеет изогнутую в плане поверхность с разворотом масс в сторону долины Кауридона, что хорошо видно на снимке (рис. 4.11). Очевидно, что скорости перемещения этих двух фаз значительно ниже двух первых.

Рис. 4.11. Контакт накоплений Санибанской фазы по поверхности Канинских накоплений, стрелками указаны границы (фото автора).

4.1.3. Результаты реконструкции.

В результате проведенных исследований сделаны следующие ивыводы:

• составлена схема дешифрирования комплекса накоплений в очаге формирования обвала, в ложе ледника Колка и в долине р. Геналдон, сформированных после 20.09.2002 г.;

• предложен вариант интерпретации динамики процесса формирования ледово — каменного и селевого потоков, их транзита и аккумуляции;

• получены предварительные закономерности распределения твёрдой составляющей как в теле квазиледника, так и в зонах транзита и разгрузки селевого потока.

По дистанционным материалам реконструирована схема произошедшего события, которая согласуется с данными моделирования.

Дана характеристика ледово-каменных накоплений, условий их залегания и соотношения с подстилающими отложениями ложа.

Отмечено секущее и наложенное соотношение отложений разновременных фаз внутри общего потока, наличие сложной кинематики продольных и поперечных волновых колебаний.

Выявлено по меньшей мере три флуктуации потока:

• начальная Генальская фаза, с максимальным по фронту воздействием на склоны и лавинно-воздушным набросом обломочного материала с контактами несогласного прилегания и заполнением отрицательных форм рельефа, а также образованием примазок ледово-каменного материала, фаза инициирована обвалом ледово-каменных масс со склона Джимарай-хох;

• основная, Канинская фаза, состоящая из двух подфаз заполнивших центральную часть и левый борт котловины вплоть до Кармадонских ворот;

• заключительная, Санибанская, финальная или тыловая, фаза, имеющая рисунок пластического течения, следы которой фиксируются в придонной части ложа и наложены на предыдущие фазы.

4.2. Методика и технология реконструкции опасных природных явлений.

На основе опыта проведенных работ по реконструкции события 2002 г. в Геналдонском ущелье составлена схема (рис. 4.12) проведения реконструкции событий катастрофического характера в горных странах, параметры явления которых важны, но не установлены. При разработке схемы обобщен и использован опыт исследования и других природных катастроф (Герхожан) и опасных природных явлений (Краснодарский Край, Республика Дагестан, Горная Осетия).

Документ (10) Номер шага.

Процесс 1,2, 3 ^ Предьщущие шаги.

Рис. 4.12 Схема реконструкции события.

Далее приводятся 10 шагов по реконструкции опасных природных явлений. Шаги описаны примерно в том порядке, в каком они производятся, но часть работ требует скорейшегого проведения. Обобщенный график затрат времени и соотношения «Шагов» приводится в табл. 4.1.

Предлагаемые методика и технологические приемы направлены на практическое, наиболее эффективное решение конечной цели — реконструкции протекания сложного и многофакторного природного явления.

Шаг 1. Сбор картографических документов разного масштаба по району события. В исключительных случаях потребуется создание топографической основы. Все карты должны быть геокодированы, желательно в одной системе координат. Как показывает опыт, перепроецирование «на лету» поддерживается не всеми программами и иногда приводит искажениям проекции. Материалы используются при дешифрировании, полевых наблюдениях, составлении геологической карты, реконструкции события и в заключительных материалах.

Заключение

.

В работе предложено создание карт природных опасностей, основы и технологические приемы. В первой главе рассмотрены карты опасностейприменяемые в мире, принципы и зарубежный опыт создания таких карт. Карты опасностей, применяемые в США, странах Европы, Тихоокеанского региона учитывают, как правило, не весь спектр опасных явлений, а только наиболее проблемную их группу. Несмотря на национальные различия, основы составления карт являются идентичными. Однако подходы к выделению зон опасности, применяемые в других странах не приемлемы в России по ряду причин законодательного, методического и технического характера. В связи с этим необходимым является обоснование собственных принципов создания карт опасностей. 4.

Рассмотрены вопросы основ безопасности в Российской Федерации, которые строятся в т. ч. на системных исследованиях, совершенствовании нормативных, правовых, методических и организационных мероприятиях, совершенствовании научных основ анализа опасных природных явлений. В этом же направлении рассматривается и настоящая разработка.

В работе на научной основе предложено зонирование территории по категориям природной опасности, предложены ограничения по размещению объектов с постоянным нахождением людей.

Карты природных опасностей являются составляющими карт опасностей для РФ. В работе даны необходимые пояснения по составу полевых и камеральных работ. Детальное описание работ не приводится^ так как методически полевые работы соответствуют рекомендациям нормативных документов, приведенным в списке литературы. Технология формирования ГИС-проекта и обработки пространственных данных также является весьма широко распространенной и в данной работе не рассматривается.

Категории опасностей соответствуют нормативным документам и правилам, применяемым в градостроительной сфере РФ. Для создания карт природных опасностей используются карты опасных природных процессов, в работе рассматриваются современные технологии их составления: на основе дистанционных данных, моделирования и реконструкции событий.

В работе предложен ряд терминов, которым было дано определение, в частности:

• карта опасностей;

• карта природных опасностей;

• карта техногенных опасностей;

• зона вероятного поражения;

• зона опасности;

• категория опасности.

Эффективность, эргономичность создания карт природных опасностей является одним из факторов их успешного создания и внедрения. Это возможно достичь при использовании современных технологий, в т. ч. дистанционных методов исследования геологической среды, моделировании и реконструкции протекания опасных природных явлений.

На основании проведенных исследований на 9-ти полигонах проявления опасных природных явлений на Северном Кавказе была определена возможность использования цифровой фотои видеотехники полупрофессионального типа для получения количественной информации об опасных природных процессах.

Исследования проводились на участках расположенных в Краснодарском крае, Кабардино-Балкарской республике, Республике Северная Осетия — Алания, Республике Дагестан.

Точность картирования естественных элементов рельефа определялась путем сравнения результатов дешифрирования и полевого картирования.

Элементами слежения являлись: линии абразионного уступалинии береговой эрозиилинии уступа овражной эрозиилинии эрозионного уступа склонапараметры искусственных реперов различного типа, в т. ч. линейных, точечных, уровенных и т. п, определялась их читаемость, контрастность разных цветов и т. п.- контур озерагипсометрический разрезлиния отрыва (бровка обрыва) оползневых масс по контуру постоянных неподвижных реперовположение подвижных реперовдневная поверхность с отрисовкой горизонталей на площади и имеющегося кондиционного поперечного и продольного перекрытий кадров цифровой фотосъемкилинейные искусственные сооружениякарстовые проявленияэрозионный уступ техногенных объектовгипсометрический профильсостояние элементов инженерной защитыгипсометрический уровень развалин и точек инженерных сооруженийразрезполучение координат естественных реперов.

Опорной сетью на участках являлись: дистанционные искусственные реперыпромежуточные точкипикеты на элементах техногенных объектоввспомогательные точкиматериалы исполнительной документации при строительстве дороги и элементов ее инженерной защитыпикеты дорожной разбивкиленты и блоки силового огражденияопоры ЛЭП.

В результате исследовательских работ, проведенных автором, практически установлена возможность использования цифровой фотои видеотехники для картирования и мониторинга экзогенных природных процессов. Точность цифровой аэрофотосъемки соответствует масштабам 1:1 500 — 1:5 ООО, а точность цифровой видеосъемки масштабам 1:7 ООО — 1: 25 ООО.

Одним из аспектов эффективного подхода к составлению карт природных опасностей является применение моделирования опасных • природных процессов. Современный подход к моделированию базируется, как правило, на основе цифрового рельефа местности. Из многочисленных программ моделирования опасных природных процессов в работе использовались только Flow2D и модуль ГИС ArcINFO v.8, разработанный в Цюрихском университете. Проведено моделирование селевых потоков по рекам в населенных пунктах Галон, Садон, Верхний Мизур и лавин в Цейском ущелье.

Моделирование селевого потока ледника Колка проведено по двум независимым методикам, основанным на количественном и вероятностном подходах. При этом обе модели показали близкие результаты. Результаты совпадают с данными катастрофы на местности и позволили прогнозировать объем «сбрасываемого» материала и объем селевого потока при котором он может достичь границ населенного пункта Гизель.

В целом моделирование достаточно точно описывает природные процессы, что было подтверждено проведенными работами. При моделировании могут быть получены качественные и количественные данные для построения карт природных опасностей. Проведенное моделирование позволило установить параметры селевых процессов.

Для анализа опасности природного явления необходимы данные о его характере, параметрах и, самое главное, причинах, которые часто не являются, однозначными. Реконструкция опасного природного события требует определенных подходов и приемов. Алгоритм решения подобной задачи разработан на примере «схода» ледника Колка в 2002 г. Используемые при этом подходы, методы и технологические приемы обобщены в рекомендации по реконструкции природных явлений. Шаги по реконструкции описаны и сведены в единую схему, приведенную в данной работе.

Методика составления карт природных опасностей для Горной Осетии" рассмотрена на научно-техническом совете Роснедра по РСО-Алания и рекомендована для практического внедрения. По заказу Министерства архитектуры и строительной политики PCO — Алания проведены работы по оценке опасности в трех населенных пунктах: Садон, Галон, Верх. Мизур, пострадавших от селевых и оползневых процессов. На территорию этих административных образований созданы карты природных опасностей.

Применение этих карт позволило принять управленческие решения по защите населения. В населенном пункте Галон население выселено полностью, в пос. Садон оно выселено из опасных зон, в селении Верхний Мизур принято решение об отселении части жителей.

Карты природной опасности могут способствовать развитию страхового рынка РФ (текстовое приложение 1), являются документом регулирования градостроительной деятельности. Их внедрение повысит защищенность нахождения граждан в местах постоянного пребывания: проживания, работы, отдыха. Это позволит значительно сократить расходы бюджетов всех уровней на возмещение ущерба и восстановление объектов после проявления опасных природных явлений, а также сократить т.н. безвозвратные социальные потери.

Текстовые приложения.

Текстовое приложение 1. Перспективы практического использованиякарт природных опасностей в страховом секторе экономики России.

Страхование — существенный показатель защищенности населения и экономики любой страны. Карты природных опасностей предназначенные для защиты населения и объектов промышленности могут быть использованы и как инструмент эффективной оценки ставок страхования. В связи с этим необходимо получить общее представление о перспективах самого страхового рынка. Провести сравнение с аналогичной практикой в других странах. В 2007 году объём собранной страховой премии всеми страховыми компаниями мира достиг 4,1 трлн долларов США, увеличившись на 2,5% по сравнению с 2006 годом28 (табл. тп. 1.1). Эта тенденция не претерпевает существенных изменений;