Аномальна злива на вершині

Аномальна злива на вершині

Поведінка верхнього водозбору при екстремальних осадках

Аномальна злива на вершині – це одна з найнебезпечніших подій для всієї гірської водозбірної системи. На верхньому рівні ще немає великих річок і широких русел, проте саме тут за кілька хвилин формуються численні невеликі потоки, які нижче схилом об'єднуються в руйнівну паводкову хвилю.

Небезпека визначається не лише загальною кількістю дощу. Критичне значення мають:

інтенсивність опадів;

тривалість зливи;

площа грозового осередку;

напрямок вітру;

стан ґрунту;

ухил;

рослинний покрив;

наявність снігу чи льоду;

ушкодження після пожежі;

дороги та стежки;

стан верхніх улоговин;

послідовність кількох дощів.

Головний принцип:

На вершині потрібно не намагатися утримати всю екстремальну зливу, а не допустити раннього об'єднання води в один швидкий потік.

Верхній рівень повинен прийняти перші обсяги води, розсіяти їх, затримати наноси та безпечно передати надлишок наступним рівням водозбору.

1. Чим аномальна злива відрізняється від звичайного дощу

За звичайного дощу значна частина води:

перехоплюється рослинністю;

затримується підстилкою;

проникає у ґрунт;

збирається у невеликих пониженнях;

поступово надходить до струмків.

Під час аномальної зливи здатність території приймати воду швидко вичерпується.

Послідовність змінюється:

листя та підстилка насичуються;

ґрунтові пори заповнюються;

мікрозниження переповнюються;

з'являється поверхнева плівка води;

окремі струмені об'єднуються;

потік входить у стежки, колії та промоїни;

починається перенесення грунту, каміння та рослинних залишків;

формується верхня паводкова хвиля.

Навіть добре відновлена ​​територія не може нескінченно вбирати воду. Тому обов'язковою частиною системи залишається безпечний перелив.

2. Основні типи екстремальної зливи

2.1. Коротка надінтенсивна злива

Триває порівняно недовго, але дає дуже високу інтенсивність опадів.

Характерні наслідки:

вода не встигає вбиратися;

швидко формується поверхневий стік;

мікроспоруди переповнюються майже одночасно;

з'являються локальні потоки високої швидкості;

різко посилюється розмив доріг та стежок.

Така подія є особливо небезпечною для малих верхніх водозборів.

2.2. Довгий сильний дощ

Головна небезпека полягає у поступовому насиченні ґрунту.

Спочатку система може працювати нормально, але потім:

інфільтрація знижується;

збільшується підземний тиск;

розмокають укоси;

активуються старі зсуви;

дерева втрачають кореневу стійкість;

навіть помірний додатковий дощ створює сильний стік.

2.3. Серія послідовних злив

Між подіями ґрунт не встигає висохнути.

Кожна наступна злива стає небезпечнішою за попередню.

Можлива послідовність:

перший дощ заповнює ґрунтовий запас;

другий насичує нижні горизонти;

третій майже повністю перетворюється на стік;

четвертий запускає зсув або селевий потік.

2.4. Злива із сильним вітром

Вітер робить розподіл опадів нерівномірним.

Він може:

переносити дощ через вододіл;

посилювати опади однією схилі;

зменшувати їх на іншому;

направляти воду під рослинну підстилку;

руйнувати ґрунт косим ударом крапель;

валити дерева на насиченому ґрунті.

Звичайний розрахунок, що передбачає вертикальне та рівномірне випадання дощу, тут недостатній.

2.5. Грозова злива з градом

Місто:

ушкоджує листя;

збиває рослинну підстилку;

забиває водовідведення;

накопичується у зниженнях;

тимчасово блокує інфільтрацію;

після танення додає додаткову воду.

Пошкоджена рослинність гірше захищає грунт у частину події, що залишилася.

2.6. Теплий дощ по снігу

Дощ поєднується з талою водою.

Потік може виявитися значно більшим за об'єм дощу.

Особливо небезпечні:

насичений сніг;

замерзлий ґрунт;

крижані кірки;

заблоковані снігом канали;

різке потепління;

сильний теплий вітер.

2.7. Злива після пожежі

Після пожежі:

зникає рослинний перехоплення;

зменшується шорсткість;

утворюється попел;

поверхня може стати водовідштовхувальною;

коріння поступово втрачає міцність;

різко зростає кількість наносів.

Навіть дощ, який раніше не вважався критичним, після пожежі здатний викликати паводок та селевий потік.

3. Розвиток події на вершині

Фаза 1. Початок опадів

Перші краплі змочують:

листя;

траву;

мохи;

каміння;

рослинну підстилку;

верхній шар ґрунту.

На цьому етапі основна частина води утримується поверхнею.

Фаза 2. Насичення рослинного покриву

Крони та трави більше не можуть утримувати додаткову воду.

Починається:

краплинний стік;

стікання по стовбурах;

заповнення ґрунтових кишень;

рух води під підстилкою.

Фаза 3. Перевищення інфільтраційної здатності

Дощ надходить швидше, ніж ґрунт здатний його приймати.

На поверхні утворюються:

окремі калюжі;

тонкі струмені;

тимчасові лінії стоку;

переливи між мікрозниженнями.

Фаза 4. Поєднання мікропотоків

Невеликі струмені входять до:

стежки;

колії;

дорожні канави;

природні улоговини;

старі ерозійні борозни.

Саме на цьому етапі починається небезпечне укрупнення потоку.

Фаза 5. Перенесення наносів

Спочатку вода переносить:

пил;

дрібні частки;

насіння;

хвою;

листя.

Потім у потік потрапляють:

грудки ґрунту;

гілка;

гілки;

дрібний камінь;

ушкоджені рослини.

Вода стає щільнішою та руйнівною.

Фаза 6. Структурне ушкодження

При подальшому зростанні потоку можливі:

прорив кам'яної лінії;

руйнування мікротераси;

розмив дорожнього насипу;

вирив чагарника;

обвалення краю улоговини;

закупорювання малого водопропуску.

Фаза 7. Передача хвилі вниз

Вода залишає верхній рівень не як рівномірний стік, бо як концентрований імпульс.

Якщо наступний рівень підготовлений, потік швидко посилюється.

4. Критичні властивості вершини

4.1. Форма рельєфу

Випукла вершина

Вода розходиться віялом, але пошкодження рослинного покриву може створити безліч паралельних промоїн.

Плоске плато

Можливе значне тимчасове накопичення води з наступним різким переливом через край.

Гострий гребінь

Вода швидко розподіляється між схилами. Утримання обмежене тонким ґрунтом.

Сідло

Здатна збирати потік із двох сторін і перекидати воду між басейнами.

Верхня чаша

Може тимчасово утримувати воду, але при переповненні створює потужний спрямований випуск.

4.2. Ухил

Чим вище ухил, тим:

менший час контакту води з ґрунтом;

вища швидкість;

сильніше розмив;

швидше поєднуються струмені;

більший ризик перенесення каменю.

Однак невеликий ухил також може бути небезпечним, якщо на плато накопичується великий обсяг, а потім відбувається прорив через вузьку точку.

4.3. Ґрунт

На поведінку води впливають:

глибина;

структура;

зміст органіки;

тріщинуватість;

ущільнення;

вологість до дощу;

наявність глинистого шару;

промерзання;

ушкодження після пожежі.

Тонкий кам'янистий ґрунт швидко насичується, але може добре відводити воду через тріщини.

Глинистий грунт може повільно вбирати воду і створювати високий поверхневий стік.

4.4. Рослинність

Стійка рослинність:

перехоплює краплі;

збільшує шорсткість;

утримує ґрунт;

розподіляє воду;

затримує наноси.

Але за аномальної події небезпечними стають:

погано закріплені гілки;

стволи, що впали;

щільні кущі в аварійному руслі;

одновікові дерева на насиченому ґрунті;

важка плаваюча мульча.

4.5. Кам'яні виходи

Скелі майже не вбирають воду.

Вони швидко передають потік:

тріщини;

жолоби;

ґрунтові кишені;

нижні краї плит.

Невелика ґрунтова зона під великою скелею може несподівано отримати воду з площі, що багаторазово перевищує її власну.

5. Попередній стан ґрунту

Аномальну зливу не можна оцінювати без знання початкової вологості.

Сухий ґрунт

Можлива хороша інфільтрація, але пересушена поверхня іноді погано сприймає перші обсяги води.

Після тривалої посухи також можуть утворитися:

тріщини;

твердий корок;

водовідштовхувальний органічний шар.

Вологий ґрунт

Частину запасу вже заповнено. Поверхневий стік починається раніше.

Повністю насичений ґрунт

Ґрунт практично перестає приймати додаткову воду.

Підвищуються ризики:

оползня;

буря;

видавлювання ґрунтової води;

руйнування терас;

обвалення укосів.

Замерзлий ґрунт

Навіть за пористої структури вода не може нормально проникнути всередину.

Більшість дощу і талої води йде по поверхні.

6. Роль вітру

Аномальний вітер здатний суттєво змінити реальний об'єм води у кожному мікроводозборі.

Він:

відхиляє траєкторію крапель;

переносить опади через гребінь;

концентрує дощ на вітряному боці;

створює сухі підвітряні ділянки;

посилює випаровування до початку зливи;

ламає гілки;

валить дерева;

переносить град та рослинні залишки.

У сідловинах та вітрових коридорах дощ може йти майже горизонтально.

Тому необхідно моделювати не тільки площу дощового осередку, а й напрямок руху вологої повітряної маси.

7. Розрахунок дощового обсягу

Для первинної оцінки використовується зв'язок між:

кількістю опадів;

площею мікроводозбору;

втратами на перехоплення та інфільтрацію;

часткою поверхневого стоку.

Один міліметр дощу на площі один квадратний метр відповідає одному літру води.

Отже:

10 мм на гектар – близько 100 м3 води;

50 мм на гектар – близько 500 м3;

100 мм на гектар – близько 1 000 м3.

Це загальний атмосферний обсяг до відрахування інфільтрації, перехоплення, випаровування та локального накопичення.

Навіть невеликий верхній мікроводозбір здатний за короткий час сформувати сотні кубічних метрів води.

8. Ефективний стік

Не весь дощ перетворюється на поверхневий потік.

Спрощено враховуються:

перехоплення рослинністю;

заповнення поверхневих заглиблень;

інфільтрація;

тимчасове утримання;

випаровування під час події;

перекидання вітром.

Для екстремального сценарію не можна використовувати лише середній коефіцієнт стоку.

Необхідно розраховувати як мінімум три стани:

нормальний ґрунт;

вологий ґрунт;

насичений або промерзлий ґрунт.

Після пожежі або сильного ущільнення коефіцієнт поверхневого стоку може різко збільшитись.

9. Час концентрації

Час концентрації показує, за який період вода з найвіддаленішої точки мікроводозбору досягає його виходу.

На вершинах воно може бути дуже коротким через:

мінімального розміру басейну;

сильного ухилу;

скельних поверхонь;

доріг;

стежок;

тонкого ґрунту.

Якщо тривалість максимальної інтенсивності дощу збігається з часом концентрації, виникає особливо висока пікова витрата.

Головне завдання відновлення – збільшити час концентрації без створення небезпечних накопичувачів.

Це досягається через:

рослинну шорсткість;

мікрокраплі;

розосереджені бар'єри;

розрив дорожніх каналів;

відновлення ґрунту;

розподіл потоку.

10. Критичні точки

На верхньому рівні наперед виділяються місця, де потік може швидко посилитися.

До них відносяться:

сідла;

кінцеве плато;

верхні балки;

дорожні канави;

колії;

місця виходу труб;

стежки по лінії максимального ухилу;

краї скельних плит;

зруйновані тераси;

ділянки після пожежі;

вітряні місця;

старі промоїни;

відвали ґрунту;

зони масового випасання.

Кожна така точка отримує свій сценарій безпечного переливу.

11. Каскадний захист вершини

Перший бар'єр - рослинний покрив

Завдання:

знизити удар крапель;

утримати мілкозем;

збільшити шорсткість;

зменшити швидкість перших струменів.

Другий бар'єр - мікрорельєф

Використовуються:

невеликі ґрунтові кишені;

природні заглиблення;

кам'яні розсипи;

короткі мікротераси.

Вони затримують невеликі обсяги, але не повинні працювати як великі греблі.

Третій бар'єр - контурні елементи

Низькі кам'яні лінії та рослинні смуги:

розсіюють воду;

затримують наноси;

переривають прямий шлях схилом.

Вони виконуються секційно, з контрольованими переливами.

Четвертий бар'єр - верхні балки

Ложби приймають уже зібраний потік.

Тут потрібні:

укріплене дно;

гнучка рослинність;

відсутність щільних деревних заторів;

зрозумілий шлях води;

стійкий вихід наступного рівня.

П'ятий бар'єр – аварійний водоскид

Коли вся система заповнена, надлишок повинен пройти за наперед визначеним маршрутом.

Аварійний шлях не можна проектувати через:

дорогу;

будинок;

туристичний майданчик;

зсувний схил;

джерело питної води;

нестійкий насип.

12. Принцип секційності

Одна довга контурна канава чи безперервна тераса на вершині небезпечна.

При пошкодженні вона може:

зібрати воду з великої площі;

прорватися в одній точці;

направити весь обсяг униз;

створити новий яр.

Тому верхні споруди поділяються на короткі секції.

Кожна секція повинна мати:

обмежену площу водозбору;

власний робочий об'єм;

укріплений перелив;

безпечний напрямок відмови;

незалежність від сусідніх секцій.

13. Контрольований перелив

Перелив є обов'язковою частиною будь-якого елемента, що утримує.

Він повинен:

починати працювати до руйнування споруди;

бути нижче вразливих країв;

мати достатню ширину;

бути захищеним від розмиву;

спрямовувати воду на стійку поверхню;

не вдаряти у сусідню конструкцію;

пропускати рослинні рештки.

Вузький перелив може забитися і перестати виконувати функцію.

14. Захист від ерозії

На шляхах екстремального потоку використовуються:

щільна дернина;

кам'яна структура;

плоский камінь;

ступінчасті перепади;

гнучкі чагарники з обох боків;

розширення потоку;

ділянки осадження наносів.

Мета - не облицьовувати весь природний схил, а зміцнити лише критичні точки.

Повністю гладкий бетонний канал може безпечно утримувати береги, але одночасно сильно прискорювати воду та передавати проблему нижче.

15. Наноси та деревні залишки

Аномальна злива переносить не лише воду.

Потік може містити:

ґрунт;

каміння;

гілки;

листя;

коріння;

залишки огорож;

сміття;

дороги елементи.

Тому пропускна спроможність повинна розраховуватись не тільки для чистої води.

У верхніх улоговинах передбачаються:

доступні місця осадження;

розширення;

грубі ґрати з обхідним переливом;

зони уловлювання деревини;

можливість очищення після події.

Не можна встановлювати дрібну сітку поперек активного потоку без аварійного обходу.

16. Дороги та стежки

Під час аномальної зливи дорога часто стає найефективнішим руслом на вершині.

Вода входить до:

колії;

внутрішні канави;

щаблі;

виїмки;

краю покриття.

Небезпечна послідовність:

дорога перехоплює схиловий стік;

вода рухається вздовж полотна;

кілька мікроводозборів поєднуються;

потік виходить через одну трубу;

нижній схил отримує неприродно високу витрату.

Необхідні:

часті поперечні випуски;

розрив довгих колій;

зовнішній ухил там, де він безпечний;

широкі водопропуски;

захищені виходи;

аварійний перелив через стійку ділянку.

17. Сідла

Сідловина є особливою зоною ризику.

При зливі тут можуть зустрітися потоки:

з двох вершин;

з навітряного та підвітряного схилів;

з дороги;

зі снігової кишені;

із верхнього болота.

Дорожній насип у сідловині здатний тимчасово утримати воду, а потім зруйнуватися.

Тому потрібно:

точна модель рельєфу;

визначення всіх вхідних потоків;

широкий безпечний перелив;

захист від перекидання води у вразливий басейн;

відсутність будівель у зоні можливого прориву.

18. Верхні чаші та плато

Широка верхня чаша може тимчасово приймати велику кількість води.

Але необхідно перевірити:

геологічну основу;

наявність старого озерного дна;

глибину ґрунту;

водотривкі шари;

стійкість країв;

шлях переливу.

Головна небезпека – хибне відчуття безпеки.

Доки чаша наповнюється, нижче може бути спокійно. Після досягнення критичного рівня відбувається швидкий випуск великого обсягу.

19. Корисний

Тривала злива збільшує тиск води у ґрунті та тріщинах.

Ознаки зростання небезпеки:

нові тріщини;

спучування ґрунту;

нахил дерев;

каламутна вода зі схилів;

поява нових джерел;

закриття старих тріщин;

осідання дороги;

рух кам'яних стін.

У потенційно зсувних зонах не можна:

концентрувати воду;

створювати глибокі інфільтраційні ями;

будувати важкі накопичувачі;

направлять перелив на верхнюю часть оползня;

висаджувати великі дерева без оцінки ґрунту.

20. Сіловий сценарій

Сіловий потік може початися вже у верхній улоговині.

Для цього необхідні:

інтенсивний приплив;

пухкий матеріал;

достатній ухил;

обмежене русло.

Джерелами пухкого матеріалу стають:

осипу;

пожежні ділянки;

дорожні відвали;

зруйновані тераси;

вітрували;

обрушені береги;

лавинне накопичення.

Селевий потік істотно щільніший за воду і здатний переміщати велике каміння.

Малі труби та звичайні водовідведення для нього майже марні.

21. Аномальна злива після посухи

Після тривалої посухи поверхня може бути:

твердий;

потрісканої;

позбавленої рослинності;

покритим пилом;

частково водовідштовхувальної.

Перші потоки швидко змивають:

пил;

насіння;

суху органіку;

забруднення;

золу.

Вода може проникати глибоко у великі тріщини, але майже не всмоктуватись на іншій поверхні.

Це створює нерівномірне насичення та локальну нестабільність.

22. Поєднання з блискавкою та пожежею

Грозова злива здатна одночасно:

гасити одну пожежу;

викликати нову пожежу блискавкою;

ушкоджувати електросистеми;

відключати датчики;

блокувати зв'язок;

створювати паводок.

Тому система запобігання не повинна залежати від однієї енергомережі або однієї станції.

Необхідні:

автономні датчики;

резервне харчування;

локальний запис даних;

радіозв'язок;

ручні рівнеміри;

наперед визначені маршрути огляду.

23. Система моніторингу

Для верхнього водозбору використовуються:

автоматичні дощеміри;

радарні дані;

датчики вологості ґрунту;

датчики температури ґрунту;

рівнеміри в улоговинах;

камери;

датчики руху ґрунту;

датчики нахилу дерев;

витратоміри;

акустичні датчики селевого потоку;

метеостанції;

анемометри;

блискавкові датчики.

Особливо важливо вимірювати інтенсивність дощу із коротким інтервалом. Добова сума може приховувати критичний п'ятнадцятихвилинний пік.

24. Рівні небезпеки

Зелений рівень

Грунт здатний приймати воду, стік мінімальний.

Жовтий рівень

Верхній шар насичується, окремі накопичувачі заповнюються.

Помаранчевий рівень

Починається стійкий поверхневий стік, можливі переливи та локальна ерозія.

Червоний рівень

Висока ймовірність зсуву, селю, руйнування дороги або каскадної відмови.

Чорний рівень

Стався прорив, великий зсув, селевий потік або втрачено зв'язок із територією.

Порогові значення визначаються окремо кожного водозбору. Універсальна кількість міліметрів дощу не може однаково описувати всі вершини.

25. Предливнева підготовка

Перед сезоном екстремальних опадів необхідно:

очистити контрольовані переливи;

перевірити дороги та труби;

прибрати небезпечні незакріплені стволи;

відновити пошкоджені кам'яні лінії;

перевірити датчики;

очистити наносоуловлювачі;

закрити несанкціоновані колії;

перевірити аварійні маршрути;

обмежити випас на вразливих ділянках;

оновити картку ризиків.

Підготовка не повинна перетворюватися на повне розчищення території. Зайве видалення рослинності та деревини здатне збільшити ерозію.

26. Дії під час попередження

При прогнозі аномальної зливи:

закриваються небезпечні стежки та дороги;

припиняються будівельні роботи;

техніка виводиться з улоговин;

активується прискорена передача даних;

перевіряються резервні канали зв'язку;

обмежується доступ туристів;

контролюються сідловини та верхні чаші;

попереджаються нижчі поселення.

На вершину не можна відправляти людей під час активної грози лише заради візуальної перевірки.

27. Обстеження після зливи

Після події оцінюються:

нові промоїни;

ушкодження рослинності;

стан переливів;

накопичення наносів;

підмив доріг;

тріщини;

нахил дерев;

нові вологі виходи;

ушкодження датчиків;

зміна русел;

перекидання води між басейнами.

Перший візуальний огляд не завжди виявляє усі проблеми.

Зсуви і падіння дерев можуть продовжуватися після припинення дощу.

28. Відновлення після пошкодження

Роботи виконуються в наступній послідовності:

забезпечення безпеки;

відновлення аварійного шляху води;

видалення небезпечних заторів;

стабілізація активних промоїн;

захист оголеного ґрунту;

ремонт доріг та переходів;

відновлення рослинного покриву;

очищення накопичувачів;

оновлення цифрової моделі;

коригування проекту.

Не можна відразу повертати пошкоджену ділянку до колишньої схеми, якщо вона не витримала реальної події.

Злива розглядається як перевірка системи та джерело нових даних.

29. Показники стійкості

Верхній водозбір вважається стійким, якщо після аномальної зливи:

не сформувалися великі нові яри;

вода не була перекинута до вразливого сусіднього басейну;

не сталося каскадної руйнації;

аварійні переливи спрацювали;

дороги стали основними руслами;

наноси були затримані у доступних місцях;

рослинний покрив переважно зберігся;

нижній рівень отримав розтягнутий, а чи не ударний потік;

система моніторингу продовжила роботу;

локальні пошкодження можна відновити без тяжкого втручання.

30. Чого не можна робити

На вершині не можна:

розраховувати систему лише за середнім дощем;

намагатися повністю перекрити екстремальний стік;

створювати довгі безперервні канави;

з'єднувати всі мікроводозбори в один канал;

будувати утримуючі елементи без переливу;

спрямовувати воду на зсувний схил;

використовувати малі труби на небезпечних улоговинах;

розміщувати щільні кущі в аварійному руслі;

залишати дорожні колії без поперечних випусків;

вважати сухий ґрунт завжди добре вбирає;

ігнорувати град, сніг, вітер та пожежу;

оцінювати небезпеку лише за добовою сумою опадів;

вважати припинення дощу завершенням ризику.

31. Послідовність проектування

Етап 1. Розподіл вершини на мікроводозбори

Визначається, звідки та куди піде кожна частина води.

Етап 2. Розрахунок звичайних опадів

Перевіряється повсякденна робота системи.

Етап 3. Розрахунок аномальної зливи

Моделюються різні інтенсивності та тривалості.

Етап 4. Перевірка стану ґрунту

Розглядаються сухий, вологий, насичений та промерзлий сценарії.

Етап 5. Додавання вітру

Враховуються косі опади та перекидання через гребінь.

Етап 6. Розрахунок наносів

Визначається не тільки витрата води, а й перенесення ґрунту, каміння та деревини.

Етап 7. Створення секційного каскаду

Потік сповільнюється та розподіляється малими незалежними елементами.

Етап 8. Проектування аварійного шляху

Визначається маршрут води після заповнення всіх споруд.

Етап 9. Перевірка каскадної відмови

Моделюється руйнування одного або кількох елементів.

Етап 10. Моніторинг реальних подій

Розрахунки уточнюються після кожної значної зливи.

Підсумковий принцип

Аномальну зливу на вершині не можна зробити повністю безпечною. Але можна не дозволити йому одразу перетворитися на єдиний руйнівний потік.

Правильно організований верхній водозбір:

приймає перші опади;

уповільнює поверхневий рух;

розподіляє воду між незалежними секціями;

зберігає ґрунт;

затримує наноси;

не перетворює дороги на русла;

безпечно переповнюється;

передає надлишок наступного рівня;

зберігає працездатність при локальному ушкодженні.

Безпека вершини визначається не тим, скільки води вона здатна утримати, а тим, наскільки передбачувано і без руйнування вона пропускає об'єм, який утримати неможливо.