Методы прогноза лавинной опасности

Введение

Снежные лавины тАУ одно из стихийных природных явлений, способных вызвать гибель людей и причинить значительные разрушения. Среди прочих опасностей лавины выделяются тем, что причиной их обрушения может стать деятельность человека. Непродуманное природопользование в горных регионах (вырубка лесов на склонах, размещение объектов на открытых, подверженных воздействию лавин территориях), выход на заснеженные склоны людей, сотрясения снежной толщи от техники приводят к активизации лавинной деятельности и сопровождаются жертвами и материальным ущербом.

Факты гибели людей в лавинах известны с глубокой древности тАУ в трудах Страбона и его современника Ливия описываются несчастные случаи в Альпах и на Кавказе. Наиболее крупные лавинные катастрофы связаны с проведением военных действий в горах тАУ переходы войск Ганнибала и Суворова через Альпы, война между Италией и Австрией в 1915-1918 годах. В мирное время сходы лавин, принимавшие характер стихийного бедствия, происходили в 1920 и 1945 гг. в Таджикистане, в 1951 г. в Швейцарии, в 1954 г. в Швейцарии и Австрии, в 1987 г. в СССР (Грузия), в 1999 г. в альпийских странах. Только в Швейцарии в 1999 году ущерб от лавин превысил 600 млн. швейцарских франков. На территории Российской Федерации случаи массовой гибели людей в лавинах и значительных разрушений отмечены неоднократно. Наиболее известны трагические события 5 декабря 1936 года в Хибинах, когда двумя сошедшими подряд лавинами был уничтожен поселок Кукисвумчорр [44]. Ограниченные сведения о катастрофических лавинах содержатся в Кадастре лавин СССР [23].

Случаи единовременной массовой гибели людей приурочены к сходам лавин на населенные пункты, отдельные сооружения и транспортные средства. Значительные разрушения происходят чаще всего в периоды массового лавинообразования, когда в течение короткого промежутка времени на значительной площади срабатывает большое количество лавинных очагов.

В 40-60 годы лавины чаще всего настигали свои жертвы в зданиях и на автомобильных дорогах. Современные исследования статистики гибели людей в лавинах [93] показывают, что основную массу погибших составляют люди, свободно перемещающиеся в пределах лавиноопасных территорий тАУ любители Влнехоженых тропВ». В США это сноумобилисты (35%), горнолыжники (25%) и альпинисты (23%); в Канаде горнолыжники (43%), сноумобилисты (20%), альпинисты (14%): в Швейцарии горнолыжники и альпинисты (88%). При этом большинство трагедий спровоцировано самими жертвами. И только зимой 1998-1999 гг. баланс изменился - 122 погибших в лавинных катастрофах в мире (63% от общего числа жертв) в момент обрушения лавин находились в помещениях и на автодороге. В России в последние годы несчастные случаи связаны с перемещением по лавиноопасным районам тАУ гибель альпинистов (Северный Кавказ), туристов (Северный Кавказ, Хибины), горнолыжников (Северный Кавказ), пограничников (Северный Кавказ), пассажиров транспортных средств (Транскавказская транспортная магистраль). Трагически регулярно попадают в лавины школьники в окрестностях населенных пунктов. Размер лавин не имеет решающего значения для возможного ущерба. Статистика жертв утверждает, что почти половина их гибнет под небольшими лавинами, которые проходят путь не более 200 метров [6].

Таким образом, определяются основные задачи противолавинных мероприятий: защита от отдельных лавинных очагов, угрожающих конкретным хозяйственным объектам и предупреждение попадания в лавины людей, передвигающихся по хозяйственно неосвоенным территориям, где угрозу может представлять любой горный склон.

Необходимость организации противолавинной защиты определяется масштабами распространения явления: площадь лавиноопасных территорий в Российской Федерации составляет 3077,8 тыс.кв.км. (18 % от общей площади страны), а еще 829,4 тыс.кв.км. относятся к категории потенциально лавиноопасных. Всего же на Земле лавиноопасные районы занимают около 6% площади суши - 9253 тыс.кв.км. [11].

Прогноз лавинной опасности является частью комплекса мероприятий, направленных на защиту от лавин населения и хозяйственных объектов в горных районах. Принятое в гляциологии определение Влпрогноз схода лавинВ» (прогноз лавинной опасности) подразумевает предсказание периода лавинной опасности, времени и масштабов схода лавин [13]. Применение прогноза для обеспечения безопасности жизнедеятельности обусловливается определенными условиями и требует создания информационно-методической базы.

Организация противолавинных мероприятий

Кардинальным решением для предотвращения ущерба от лавин является запрещение строительства и размещения людей в лавиноопасных районах. По определенным причинам такой вариант не всегда приемлем. Разработан и с разной степенью успеха применяется целый комплекс противолавинных мероприятий [42]. Выявление лавиноопасных территорий и определение параметров явления, организация службы прогноза времени схода лавин, строительство защитных сооружений, предупредительный спуск лавин тАУ эти действия направлены на предотвращение ущерба от лавин. Характер их влияния на процесс образования лавин различен. Инженерные сооружения различных типов препятствуют образованию лавин; профилактический спуск и некоторые типы защитных сооружений обеспечивают контролируемый сход лавин (время обрушения, размер, направление движения и дальность выброса); изыскательские работы и прогноз времени схода лавин способствуют организации хозяйственной деятельности в лавиноопасных районах и недопущению попадания людей на опасные в определенный момент времени территории. Наибольшая эффективность достигается, как правило, при сочетании различных противолавинных мероприятий.

Важное значение при выборе средств защиты играет их стоимость. Обеспечивающие высокую надежность инженерные сооружения требуют значительных материальных затрат. К примеру, в Швейцарии с 1952 г. по 1998 г. в строительство противолавинных сооружений было инвестировано около 1.2 млрд. швейцарских франков [89]. Затраты на изыскательские работы и прогноз времени схода значительно ниже. Так, бюджет лавинного центра в Галлатине (Gallatin National Forest Avalanche Center, США) в сезоне 1998/99 гг. составлял 89 600 долларов [90], а содержание аналогичного подразделения в Ла Сале (La Sal Avalanche Forecast Center, США) обошлось значительно меньше тАУ около 17 000 долларов.

Сравнение стоимости противолавинных мероприятий, проведенное в СССР в 80-е годы [45], дало следующие результаты:

- прогноз и профилактический спуск лавин, 1 км2 лавиноактивных склонов в год - 10-20 тыс.руб;

- застройка склонов железобетонными щитами, 1 км2 лавиноактивных склонов тАУ 15000-45000 тыс.руб.;

- составление карт лавинной опасности разных масштабов, затраты на 1 км2 лавиноактивных склонов тАУ 0,00015 тАУ0,03 тыс.руб.

Содержание одной снеголавинной станции в СССР обходилось примерно в 50 тыс.руб. в год [5]. Обычно она обслуживает 20 км2 территории или 20 пог.км дороги. Таким образом наблюдения за лавинами и их прогноз стоили около 2500 руб. в год на 1 км2 территории или 1 пог.км дороги.

В 80-е годы - период максимального расцвета лавинных исследований в СССР - сбор и обработку снеголавинной информации на территории России осуществляли около 40 подразделений Госкомгидромета. Старейшая в России организация, занимающаяся снеголавинными исследованиями, Цех противолавинной защиты п/о ВлАпатитВ» (ныне Центр лавинной безопасности) выполняла снеголавинное обеспечение на территории Хибинского горного массива. Изучение распределения снежного покрова в лавинных очагах, физико-механических свойств снега, наблюдения за сошедшими лавинами осуществлялось в районах интенсивного хозяйственного освоения тАУ вдоль трасс автомобильных и железных дорог, на горных курортах, горнорудных предприятиях. Для сбора информации организовывались стационары, на которых осуществлялись постоянные наблюдения за снежно-метеорологической обстановкой. С определенной периодичностью на автотранспорте выполнялись маршруты лавинного дозора, облеты лавиноопасных участков, экспедиции в лавиноопасные районы.

В задачу снеголавинных подразделений входило обеспечение прогнозом лавинной опасности населения, руководящих органов, организаций и предприятий регионов, территория которых подвержена воздействию снежных лавин. Для производства прогнозов использовались данные наблюдений сети метеорологических и аэрологических станций территориальных управлений гидрометслужбы. Работа службы лавинных прогнозов, как и всей гидрометслужбы строилась по территориально-административному принципу.

Методическим центром по проведению снеголавинных наблюдений и организации службы временного прогноза лавинной опасности на территории СССР являлся Среднеазиатский научно-исследовательский институт им. В.А.Бугаева (САНИГМИ) в Ташкенте. Сюда стекалась разнообразная снеголавинная информация со всей страны, поступали ежегодные отчеты снеголавинных станций. В САНИГМИ разрабатывались теоретические основы прогнозирования лавинной опасности и прикладные методики прогноза для различных лавиноопасных районов СССР (часто совместно с сотрудниками местных снеголавинных подразделенимй). Проблемная лаборатория снежных лавин и селей Московского Государственного Университета выполняла роль методического центра по разработке способов оценки лавинной опасности и ее картирования. Специалисты МГУ разработали специализированную методику оценки лавинной опасности и рекомендации для несения службы в пограничных лавиноопасных горных районах [49], организовали наблюдения за лавинами. Снеголавинные исследования осуществляли также научно-производственные организации МПС, Госстроя и других ведомств.

Деятельность организаций, осуществлявших снеголавинные работы, регламентировалась разнообразными руководящими документами [37, 43, 44, 53].

Снеголавинные исследования проводятся во многих странах мира. В некоторых из них сбор данных осуществляется по сетевому принципу - организация выпуска Национального снеголавинного бюллетеня Швейцарии предусматривает ежедневный сбор данных от 80 наблюдателей и 61 автоматической станции [59]. В США только в системе лесной службы действуют 12 снеголавинных центров.

За рубежом наиболее популярным пособием по организации снеголавинных работ являются различные издания ВлAvalanche HandbookВ» [80], разработаны специализированные руководства [82].

Факторы лавинобразования

Многолетний опыт исследований лавин позволил выявить определенные закономерности в процессе лавинообразования, выявить ведущие факторы обрушения лавин, оценивать параметры явления [83]. Обрушение лавин происходит при нарушении устойчивости снежного пласта на склоне, вызванном воздействием внешних факторов и процессами внутри снежной толщи, протекающими под влиянием внешних факторов. Сход лавин может происходить на склонах с углом наклона 15о и при толщине снежного покрова 15 см. Однако, такие случаи крайне редки. В СССР для выявления районов, где возможно образование лавин, при составлении карт среднего и мелкого масштаба их границы проводились по изолиниям толщины снежного покрова 30 см, а изолинии 70 см ограничивали районы, где лавины образуются часто и представляют значительную опасность [31]. Наиболее благоприятными для лавинообразования признаны склоны, угол наклона которых составляет 25-40о [40, 52]. Детальные крупномасштабные исследования с использованием натурных наблюдений и расчетов, изучением геоморфологических, геоботанических, почвенных и гидрологических признаков в различных регионах позволяют выявить территории, где происходит образование, движение и остановка лавин.

В процессе исследования обрушения лавин были выявлены общие для различных горных регионов ведущие факторы и определен характер их воздействия на лавинообразование (табл.1).

Таблица 1

Классификация лавинообразующих факторов [60].

Следует отметить, что влияние на процесс лавинообразования оказывают не только сами вышеуказанные факторы, но и их сочетание. Уже во время отложения снега на земную поверхность осуществляется влияние многих процессов. Форма и размер кристаллов снега, характер залегания и плотность поверхностного слоя определяются температурой воздуха, направлением и скоростью ветра, формой и параметрами подстилающей поверхности. Преобладание того или иного типа метаморфизма снежной толщи, характер ее эволюции являются функцией действия самых разнообразных факторов.

На основе многолетних наблюдений выявлены количественные показатели метеорологических факторов схода лавин (интенсивность выпадения осадков, прирост снежного покрова, скорость ветра и др.) и характеристики лавинного режима для отдельных горных регионов, позволяющие с определенной степенью вероятности предположить возможность схода снежных лавин, дана оценка рельефа как фактора лавинообразования [10, 31, 50]. Простейшие методики прогноза построены на сравнении текущих и прогнозируемых значений снежно-метеорологических характеристик с критическими значениями [35].

Анализ факторов, приводящих к обрушению лавин позволил выявить генетические типы лавин и классифицировать их [13]. Необходимость в генетической классификации для прогноза лавин объясняется тем, что прогнозист должен ясно представлять - что именно он собирается прогнозировать и на какие факторы нужно обращать внимание в первую очередь. Это может быть учет внешних факторов, определяющих возникновение дополнительных нагрузок и наличие влаги в снежном покрове [3], разделение по действию внешних и внутренних процессов в снежном покрове [7], типизация структуры обрушивающегося снега и характера его отрыва [24], воздействие внешних факторов на соотношение сил в лежащем на склоне снежном покрове [17].

Разработка уникальной генетической классификации осложняется, в том числе тем, что сход лавин может быть обусловлен сочетанием ряда факторов. Например, во многих регионах России обрушение лавин, условно отнесенных к лавинам свежевыпавшего или метелевого снега, происходит вследствие разрушения глубинного слоя снежного покрова, в котором на протяжении длительного времени перед снегопадом или метелью шел процесс разрыхления, то есть по некоторым признакам их можно отнести и к лавинам длительного развития. Анализ имеющихся методик показывает, что число прогнозируемых типов лавин меньше предлагаемого большинством исследователей. Упрощенная схема дифференциации лавин предложена создателями ВлМетодических рекомендаций по прогнозу снежных лавин в СССРВ» [36]:

свежевыпавшего снега;

метелевого снега;

старого снега;

прочие.

Неопределенность последней группы объясняется смешанным генезисом многих лавин. В дальнейшем при указании генетического типа лавин, будет использоваться определение, указанное разработчиком методики прогноза.

Следует отметить, что многие зарубежные исследователи не уделяют особого внимания классифицированию лавин по их генезису, делая упор на исследовании строения обрушающегося слоя снега. К примеру, широко используются определения мягкая доска или твердая доска [40].

Прогноз лавинной опасности

Прогноз лавинной опасности в общем виде включает в себя указание места и времени схода лавин.

На начальном этапе изучения лавин на определенной территории необходимо выявить места возможного схода лавин, рассчитать их параметры, определить лавинный режим. Для этих целей используются материалы снеголавинных наблюдений, косвенные признаки лавинной опасности, статистические зависимости, математические модели, изучаются архивы и проводятся опросы местных жителей. По полученным и рассчитанным данным составляются карты лавинной опасности. Результат исследований определяется как пространственный прогноз лавинной опасности тАУ прогноз лавинного ВлклиматаВ» [6]. По охвату территории он может быть локальным (для отдельного лавинного очага или их группы) и фоновым (для горного региона или их совокупности). Соответственно для представления локального прогноза используются крупномасштабные карты, для фонового прогноза: средне- и мелкомасштабные.

Крупномасштабные карты могут содержать следующие сведения: контуры снегосборов с указанием мест отрыва лавин и зон транзита, границы распространения лавин различной обеспеченности, изолинии динамических характеристик, границы распространения воздушной волны, повторяемость схода лавин.

В Западной Европе форма представления информации на крупномасштабных картах часто имеет прикладной характер тАУ различная цветовая заливка характеризует повторяемость и силу удара лавины и определяет возможное использование данной территории: от полного запрещения наземного строительства до разрешения строительства с использованием защитных сооружений и отсутствия каких-либо ограничений [2].

Необходимо заметить, что в зимний период 1998/99 гг. многие лавины в Альпийском регионе вышли в белые (рассчитанные как безопасные) зоны и нанесли значительный ущерб. Примером служит крупнейшая в Австрии за послевоенный период лавинная катастрофа 23 февраля в Гальтюре, когда лавина, сошедшая со считавшегося безопасным склона, унесла жизни 31 человека. В основу заключения о безопасности было положено отсутствие сведений о лавинах с данного склона в исторических летописях. Эти события указывают на несовершенство методов оценки лавинной опасности тАУ пространственного прогноза.

В среднем масштабе дается характеристика лавиноопасных склонов тАУ повторяемости лавин, их объемов, генетических типов. Мелкомасштабные карты служат для выявления районов, в которых при проектировании строительных сооружений и других изыскательских работах необходимо проведение специальных обследований. Они содержат оценку степени лавинной активности (таб. 2).

Таблица 2

Градации лавинной активности [10]

Карты могут показывать оценку возможного ущерба от лавин [47], рекомендации по выбору противолавинных мероприятий с оценкой их эффективности [51].

Временной аспект прогноза лавинной опасности предусматривает определение возможности схода лавин на заданной территории в обусловленный промежуток времени. По площади охватываемой территории различаются три типа прогноза схода лавин [13]:

1. фоновый мелкомасштабный, составляемый для горной системы или отдельных речных бассейнов площадью не менее 250 км2;

2. фоновый крупномасштабный для территории горного бассейна обычно площадью 25-30 км2 или крупных лавиносборов;

3. детальный крупномасштабный, составляемый для отдельного лавиносбора или лавиноопасного склона

Приводимая в научной литературе классификация прогнозов на кратко- , средне- и долгосрочные не использует фиксированных интервалов времени для такового их разделения. Анализ работ по прогнозированию лавинной опасности показывает, что на практике прогноз может составляться на сутки, 48 часов, 72 часа, на зимний сезон, на многолетний отрезок времени.

Прогнозы лавинной опасности создаются с использованием специально разрабатываемых для региона или отдельного очага методик, определяющих алгоритм выявления лавинной опасности. Ряд методик предусматривает прогноз лавиноопасного периода тАУ промежутка времени, на протяжении которого будет сохраняться действие фактора лавинообразования. Как правило, такой подход используется при прогнозе лавин во время снегопадов и метелей. Сход лавин прогнозируется с момента достижения критических условий до конца снегопада (метели) и на период от одних до двух суток по их окончании - пока сохраняется неустойчивость снежного покрова. Прогнозы лавиноопасного периода имеют характер консультации, так как прогнозист должен строить свой прогноз исходя из предположений типа Влесли интенсивность потепления сохранится в течение нескольких днейВ» и т.д. При этом периодные прогнозы имеют существенно большую по сравнению с суточными оправдываемость. Однако неопределенность времени схода лавин, сопровождающая данный тип прогноза, делает его использование неудобным для потребителя [19].

Ряд прогностических центров составляет прогноз на несколько дней с указанием степени опасности на каждый день.

Для предотвращения ущерба или лишних затрат на организацию противолавинных мероприятий во время действия прогноза может происходить его уточнение. К примеру, швейцарский национальный снеголавинный бюллетень публикуется ежедневно в 17 часов, в случае значительных изменений снежно-метеорологических условий в 10 часов утра издается новый текст бюллетеня.

Заблаговременность (время между составлением прогноза до начала его действия) прогноза, заложенная во многих методиках прогноза нулевая. На практике это означает констатацию факта достижения критических для схода лавин условий. Основные причины такого положения кроются в скоротечности возникновения лавиноопасной ситуации (от нескольких часов до суток), постоянном изменении метеорологических условий, невозможности непрерывного и повсеместного сбора необходимой информации. Очень существенным моментом, определяющим и качество прогноза, и его заблаговременность, является уникальная пространственно-временная изменчивость строения и свойств снежного покрова [25]. Диагностическая схема переводится в прогнозную при использовании в расчетах инерционного прогноза метеорологических элементов. Ограничения заблаговременности при ориентации методики на использование метеорологического прогноза дополняются отсутствием точных методов количественного прогноза осадков, интервальной формой прогноза ряда метеорологических элементов. Для достижения большей заблаговременности и повышения качества прогноза специалисты по лавинам часто создают собственные методики прогноза метеорологических характеристик, необходимых для своей работы. В качестве примера можно привести прогноз осадков более 15 мм/сутки для Заилийского Алатау [30].

В отдельных методиках прогноза [7], использующих информацию о состоянии снежного покрова в районе зоны отрыва лавин, производится расчет времени обрушения лавин.

По мере поступления новой снежно-метеорологической информации прогноз подлежит уточнению.

Предметом прогноза ряда методик являются количественные характеристики лавин тАУ объем, дальность выброса, число лавин [22]. Для фонового прогноза уточняются места схода тАУ конкретные лавинные очаги [58], высотные интервалы действия лавин и склоны определенной экспозиции [21].

Предметом прогноза может являться массовый сход лавин, когда сход лавин происходит более чем в 1/3 лавинных очагов территории, для которой составляется прогноз [37].

Методики долгосрочного прогноза лавинной опасности учитывают возможные изменения климата. Объектами прогнозирования являются продолжительность лавиноопасного периода, число дней с лавиноопасными снегопадами и ряд лавиноиндикационных характеристик тАУ толщина снежного покрова, число дней с отрицательной среднесуточной температурой воздуха.

Прогноз лавинной опасности может иметь альтернативный и вероятностный характер. При альтернативном прогнозе возможны две формулировки: ВллавиноопасноВ» и ВлнелавиноопасноВ». В СССР данный подход к оценке лавинной опасности применялся в большинстве случаев. Тонким местом таких прогнозов является сход лавин, неугрожающих населению и хозяйственным объектам [27]. При этом согласно [37] нелавиноопасной считается ситуация, когда наблюдается отсутствие схода лавин, либо незначительные подвижки снега объемом до 10 м3, не представляющие опасность для людей и хозяйственных объектов. Альтернативный прогноз предусматривает обрушение самопроизвольных лавин. Прогноз считается оправдавшимся если сошла хотя бы одна лавина (за исключением случаев прогноза массового схода лавин). Возможность искусственного обрушения лавин может оговариваться отдельно.

Вероятность схода лавин может оцениваться в процентах, что применяется крайне редко из-за неудобства трактовки прогноза пользователем, и по определенной шкале. Концепция Европейской шкалы лавинной опасности была разработана в 1985 г [66]. В 1993 г. после широкого обсуждения шкала была принята для использования на практике службами лавинного прогноза ряда западноевропейских стран (Таб. 3). Степень опасности оценивается пятью прогрессивно растущими ступенями, которые описываются через устойчивость снежного покрова на горных склонах, вероятность обрушения лавин и их объемы и характер воздействия на жизнедеятельность в горах. Состояние снега (его устойчивость) оценивается применительно к возможным дополнительным нагрузкам.

Таблица 3 [59]

Европейская шкала лавинной опасности