Одним из негативных последствий стремления людей жить поближе к водоемам является возможность затопления местности при авариях на гидротехнических сооружениях (ГТС). Активная застройка последних лет пойм рек в нижних бьефах, например, подмосковных водохранилищ, говорит о том, что покупатели такой загородной недвижимости не видят соответствующих рисков, наверно, полагая, что кому суждено сгореть, тот не утонет. Опишем инструментарий оценки последствий аварий на ГТС.

К основным ГТС, разрушение которых приводит к гидродинамическим авариям, относятся плотины, водозаборные и водосборные сооружения (шлюзы). Катастрофическое затопление, являющееся следствием гидродинамической аварии, заключается в стремительном затоплении местности волной прорыва. Масштабы последствий гидродинамических аварий зависят от параметров и технического состояния гидроузла, характера и степени разрушения плотины, объемов запасов воды в водохранилище, характеристик волны прорыва и катастрофического наводнения, рельефа местности, сезона и времени суток происшествия и многих других факторов.

Основными поражающими факторами катастрофического затопления являются: волна прорыва (высота волны, скорость движения) и длительность затопления. Волна прорыва – волна, образующаяся во фронте устремляющегося в пролом потока воды, имеющая, как правило, значительную высоту гребня и скорость движения и обладающая большой разрушительной силой.

Волна прорыва, с гидравлической точки зрения, является волной перемещения, которая, в отличие от ветровых волн (стоячих), обладает способностью переносить в направлении своего движения значительные массы воды. Поэтому волну прорыва следует рассматривать как определенную массу воды, движущуюся вниз по реке и непрерывно изменяющую свою форму, размеры и скорость.

Начало волны называется фронтом волны, который, перемещаясь с большой скоростью, выдвигается вперед. Фронт волны может быть очень крутым при перемещении больших волн на участках, близких к разрушенному гидроузлу и относительно пологим на больших удалениях от гидроузла. Зона наибольшей высоты волны называется гребнем волны, который движется, как правило, медленнее, чем ее фронт. Еще медленнее движется конец волны - хвост волны. Вследствие различия скоростей этих трех характерных точек волна постепенно растягивается по длине реки, соответственно уменьшая свою высоту и увеличивая длительность прохождения. При этом, в зависимости от высоты волны и уклонов реки на различных участках, а также неодинаковой формы и шероховатости русла и поймы, может наблюдаться некоторое временное ускорение движения гребня, с «перекашиванием» волны, т.е. с относительным укорочением зоны подъема по сравнению с зоной спада. Так как волна прорыва является основным поражающим фактором при разрушении ГТС, то для определения инженерной обстановки необходимо определить ее параметры: высоту волны, глубину потока, скорость движения и время добегания различных характерных точек волны (фронта, гребня, хвоста) до расчетных створов, расположенных на реке ниже гидроузла, а также длительности прохождения волны через указанные створы, равной сумме времени подъема уровней и времени спада.

Исходными данными для расчетов параметров волны прорыва являются: объем водохранилища, глубина водохранилища у плотины, площадь зеркала водохранилища (площадь затопления), ширина водохранилища перед плотиной, глубина водохранилища перед плотиной, глубина реки ниже плотины, отметка уровня воды водохранилища перед плотиной, отметка уровня воды в реке ниже плотины, уклон дна реки, параметры, характеризующий форму поперечного сечения реки и шероховатость реки в зоне затопления.

Как правило, необходимые данные по водохранилищу и реке для расчетов можно найти в открытых источниках.

Для практических целей можно ограничиться рассмотрением характеристик волны прорыва максимум в 4-х створах (сечениях по днине реки по направлению от плотины), а на удалении 10-20 км от плотины — в двух створах.

Из известных методик расчета характеристик волны прорыва /1/, /2/, /3/ можно рекомендовать пользоваться /3/ как не содержащей ошибок в формулах, имеющей корректные ссылки на все использованные исходные данные и учитывающей характеристики русла реки. Имеется также компьютерная программа «Волна», но подготовка исходных данных для расчета по ней займет время, за которое можно выполнить вычисления по /3/, и стоит программа 60 тыс. руб.

Аналогичным образом прогнозируются последствия переполнения водохранилища, не связанные с разрушением плотин, например, переливы через гребень плотины при весеннем паводке или в результате ливней /1/.

Говорят, древние греки в учебниках по геометрии обходились без рисунков. Попробуем описательно донести важные исходные данные и результаты возможного затопления местности при разрушении плотин некоторых подмосковных водохранилищ (Истринского, Можайского, Рузского, Озернинского). Объем водохранилищ составляет от 140 до 220 млн. кубометров. Для наглядности: это параллелепипеды с размером основания 1 км на 1 км и высотой столба воды 140-220 м.

Высота воды у плотин этих водохранилищ около 20 м.

Расчетная (средняя) высота волны прорыва в створе плотины составит от 7 м до 12 м. Поразительно, но в случае разрушения плотин высота гребня волн прорыва на расстоянии 30-50 км от них может составлять 4-7 м. Десятки километров для волн прорыва - «не расстояние»! Например, при подрыве Красной армией в декабре 1941 г. только части водопропускников Истринского водохранилища высота волны прорыва на расстоянии 50 км от плотины доходила до 2,5 м. Сейчас коттеджные поселки в пойме Истринского водохранилища построены, начиная с расстояния 2,5 км от плотины, строго напротив водопропускников. «Безумству храбрых поем мы песню».

Полное опорожнение чаш водохранилищ при разрушении части тела плотины занимает от нескольких часов до нескольких десятков часов.

Время затопления (подъема воды от нормального уровня) в рассматриваемой точке может занимать до 1-2 суток.

Прорыв напорного фронта Химкинского водохранилища может вызвать затопление прибрежных территорий г. Москвы до уровня 3-6 метров, прекращение судоходства, поступления питьевой воды в город, нарушение обводнения реки Москвы /5/.

Не имеет решающего значения на уменьшение высоты волны прорыва растекание вылившейся воды по ниже расположенной пойме и притокам. И не удивительно, поскольку описанный выше «параллелепипед воды» внушительных размеров за несколько часов (десятков часов) опорожнения водохранилища надо «уложить» в поймы ниже по течению. Если представить, что поймы не имеют ширину в километры, а высота волны прорыва составляет всего несколько метров, то на десятки километров вниз по течению «гарантирована» зона катастрофического затопления. Кроме того, основная масса волны прорыва будет продолжать движение вдоль русел, где гидродинамическое сопротивление минимально /4/.

Степень разрушения зданий и сооружений в зависимости от скорости V и высоты волны прорыва h могут быть определены для «бытовых» строений по фрагменту Табл. из /1/. Считается, что для разрушения достаточно действия одного из упомянутых факторов.

Таблица

Разрушения: полные и сильные средние слабые

V h V h V h Сборные деревянные жилые дома 3 2 2,5 1,5 1 1 Деревянные дома (1-2 этажа) 3,5 2 2,5 1,5 1 1 Кирпичные малоэтажные здания 4 2,4 3 2 2 1 Кирпичные дома средней этажности 6 3 4 2,5 2,5 1,5

(4 этажа)

Если земельный участок находится на прилегающей к гидроузлу территори будет полезно уточнить, попадает ли он в зону воздействия волны прорыва и возможного катастрофического затопления /5/. Целесообразно знать, есть ли вблизи места проживания возвышенности с высотой больше волны прорыва и каковы кратчайшие пути движения к ним. Не будет лишним иметь собственную лодку, плот, другие плавсредства.

При угрозе возникновения гидродинамической аварии нужно отключить воду, газ и электричество; перенести на верхние этажи здания (чердак) ценные предметы и вещи; окна и двери первых этажей домов при необходимости забить досками или фанерой; собрать личные документы, деньги и ценности, медицинскую аптечку, комплект верхней одежды и обуви по сезону, постельное белье и туалетные принадлежности, трехдневный запас продуктов питания.

При возникновении гидродинамической аварии надо как можно быстрее занять ближайшее безопасное возвышенное место, верхний этаж здания, чердак или крышу дома и быть готовым к эвакуации по воде, в том числе с помощью подручных плавсредств; до прибытия помощи, если не угрожает опасность, оставаться на выбранном безопасном месте. В светлое время суток для обнаружения спасателями необходимо использовать белое или цветное полотнище путем вывешивания его на высоком месте, а в ночное время - фонарик, которым необходимо подавать световые сигналы. Самостоятельную эвакуацию на незатопленную территорию можно проводить только в случаях необходимости оказания помощи пострадавшим или продолжения роста уровня воды. Для этого - использовать личные лодки или катера, плоты из бревен и другие подручные материалы.

Если вода застала на улице, необходимо срочно выйти на возвышенное место или забраться на прочное развесистое и высокое дерево. Если оказались в воде, надо плыть к ближайшему незатопленному участку под углом к течению. Для этого использовать все предметы, способные удержать на воде: бревна, доски, обломки деревьев и т.п.

После спада воды по возможности следует вернуться в место проживания. Перед входом в здание нужно убедиться, что нет опасности от поврежденной электрической и газовой сети, проветрить помещение.

Представляется, что со временем станет обязательным наличие персональной системы оповещения как минимум владельцев объектов, находящих в зоне возможного полного разрушений при аварии на ГТС. Оповещение голосом, как это было при затоплении в 57-тысячном Крымске в 2012 г., неприемлемо.

Конечно, авария на ГТС — редкое событие и ее можно учитывать, пока есть такая возможность, например, при выборе варианта объекта загородной недвижимости, намеченного для покупки. Если выбора нет, надо жить и не бояться, чтобы не получить психическое расстройство.

Источники:

1. Обеспечение мероприятий и действий сил ликвидации чрезвычайных ситуаций: учебник в 3 - х частях: часть 2 . Инженерное обеспечение мероприятий и действий сил ликвидации чрезвычайных ситуаций: в 3 - х книгах: книга 2. Оперативное прогнозирование инженерной обстановки в чрезвычайных ситуациях. / Под общ. ред. С.К. Шойгу/ Г.П. Саков, М.П. Цивилев, И.С. Поляков и др. - М, ЗАО «ПАПИРУС», 1998, 166 с.

2. Методические рекомендации по расчету гидродинамических аварий. Главное управление МЧС России по Калужской области, г. Калуга: https://pandia.ru/text/79/472/30752.php.

3. Федорян А. В. Прогнозирование обстановки при чрезвычайной ситуации на водохранилище: практикум. Москва ; Берлин : Директ-Медиа, 2020 , 84 с.

4. Стриганова М.Ю. Методы оценки и прогнозирования последствий при разрушении гидротехнических сооружений. Вестник командно-инженерного института МЧС Республики Беларусь, № 1(15), 2012 г., с.10-21: https://cyberleninka.ru/article/n/metody-otsenki-i-prognozirovanie-posledstviy-pri-razrushenii-gidrotehnicheskih-sooruzheniy/viewer.

5. Гидродинамические аварии - характеристики, последствия, действия пострадавших: http://ohrana-bgd.ru/chst/chst_2.html.