Моделирование и прогнозирование катастрофических наводнений в Петербурге (стр. 1 из 2)

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КАТАСТРОФИЧЕСКИХ НАВОДНЕНИЙ В СПБ

Шабаев Р.И.

Моргунова И.Е.

Направление и задача исследований - разработка программной модели моделирования наводнений на основе динамики природной среды, позволяющая анализировать и прогнозировать наводнения в Санкт-Петербурге. Для построения математических моделей используются методы следующих разделов математики: теории вероятностей и математической статистики, теории случайных процессов. Для построения моделей на основе динамики природной среды, используется имитационная модель, как часть программного продукта Future на языке программирования Borland® Delphi 7.

1

Общая информация о наводнениях в Санкт-Петербурге

Наводнения в Санкт-Петербурге — подъёмы воды в дельте Невы и восточной части Невской губы, вызывающие затопление части территории города.

Причиной являются циклоны в Балтийском море с преобладанием западных ветров, которые вызывают нагонную волну, двигающуюся в направлении устья Невы, где она сталкивается с естественным течением реки.

Подъем воды усиливается из-за мелководья и пологости дна в Невской губе, а также сужающимся к дельте Невы Финским заливом. Наводнения вызываются также рядом других факторов: возникающие на Балтике циклоны с преобладанием западных ветров вызывают подъём «медленной» нагонной волны Кельвина и ее движение в направлении устья Невы, где она встречается с двигающимся во встречном направлении естественным течением реки.

Наводнения причиняют городу колоссальный ущерб. Глобальное потепление и ряд «антропогенных» факторов, по прогнозам специалистов, приведут к увеличению повторяемости и росту разрушительной силы наводнений. И статистика это подтверждает.

Еще при Петре I для защиты города от наводнений старались поднять уровень застраиваемых земель. В старых районах города насыпной грунт составляет 3-4 метра, а кое-где - до 12 метров! Был специально прорыт Обводный канал, который, как считалось, должен был защитить город от стихии. Увы, расчет не оправдался. В 1824 году, когда уровень воды поднялся до 410 см выше ординара, затопленной оказалась большая часть города.

После наводнения 1824 года инженер П.П. Базен предложил построить каменную дамбу поперек Финского залива, от Лисьего носа через остров Котлин (Кронштадт) до Ораниенбаума (Ломоносова). В XIX веке создать этот барьер было практически невозможно. Через полтора столетия идея Базена стала основой проекта Комплекса Защитных сооружений (КЗС) Санкт-Петербурга от наводнения («дамбы»).

Проект Дамбы изначально рассчитывался с запасом - на 5-метровое наводнение в сочетании с 3-метровой ветровой волной. Катастрофа такого масштаба маловероятна.

Строительство комплекса было начато в 1979 году, но в 1987 году строительство было прервано, из-за опасений по поводу негативного экологического воздействия КЗС (комплекса защитных систем). Однако в 1990 г. независимая международная комиссия пришла к выводу о том, что сооружения комплекса ничего плохого для экологии не несут, и рекомендовала закончить строительство. Новый этап строительства Комплекса защитных сооружений начался в 2001 году.

В настоящее время наводнениями считаются подъёмы уровня воды более чем на 160 см. над нулем Кронштадтского футштока или выше 150 см. над ординаром у Горного института.

Расположение измерительного поста у Горного института не случайно. Поблизости, на 23-й линии Васильевского острова, располагалась основанная в 1849 году Главная физическая обсерватория (ГФО) — метеорологический центр России. Водный пост «Горный институт», подведомственный ГФО, начал действовать в 1878 году, и с тех пор измерения уровня воды в Петербурге считаются достаточно надежными.

Наблюдения за колебаниями уровня Балтийского моря начались с 1703 года. А с 1707 года в Кронштадте действует футшточная служба. В 1840 году по предложению гидрографа М.Ф.Рейнеке на каменном устое Синего моста через Кронштадтский Обводный канал нанесена черта, соответствовавшая среднему уровню воды Финского залива по наблюдениям 1825-1839 годов. С этой чертой совмещен нуль Кронштадтского футштока (0 КФ), от которого исчисляются абсолютные высоты поверхности Земли, все глубины морей на навигационных и топографических картах, космические высоты. С 1898 года работает автоматический самопишущий прибор-мареограф, фиксирующий изменения уровня воды.

Футшток — простейший прибор для измерения высоты уровня воды, рейка-линейка. Кронштадтский футшток представляет собой массивную металлическую линейку с фарфоровыми вкладышами делений, укрепленную вертикально на восточном устое Синего моста через Обводный канал в Кронштадте.

Измерения по футштоку производятся с точностью до одного сантиметра. Отметка 0 КФ зафиксирована горизонтальной чертой на металлической пластине, также укрепленной на устое моста. Рядом находится стилизованное под архитектуру Петровской эпохи строение, где установлен мареограф — прибор непрерывного автоматического измерения уровня воды. Его датчик-поплавок опущен в колодец глубиной 7 метров, сообщающийся с открытой водной поверхностью. Колебания уровня воды, регистрируемые на ленте мареографа, систематически сверяются с измерениями по футштоку.

До 1982 года высоты наводнений в Ленинграде отсчитывались от ординара у Горного института, показывающего средний многолетний уровень воды в Неве. Этот ординар выше 0 КФ на 11 см, то есть низшая отметка наводнений составляла 150 см.

В первые годы существования Петербурга исходная отметка уровня воды для отсчета наводнений отсутствовала, хотя по указу Петра I в 1715 году у стены Петропавловской крепости был установлен первый в России футшток.

В дальнейшем наводнениями считались подъемы воды на 3 фута (91 см; фут равен 30,48 см). В XIX и XX веках наиболее употребительной для отсчета наводнений была отметка 5 футов (152 см) над ординаром, близкая к современной. Предлагались и другие, например 7 футов (213 см), когда затоплению подвергалась значительная часть исторического центра города.

До начала систематических измерений уровня воды у Горного института в 1878 году сведения о наводнениях в Петербурге не вполне точны. Достаточно надежны лишь даты значительных подъемов воды — чрезвычайные события слишком очевидны и наглядны. Что касается относительно невысоких наводнений, то они фиксировались приближенно, их уровень определялся грубо, порой «на глаз», с перерывами, в различных местах по течению Невы, от различных отсчетных горизонтов.

Чаще всего наводнения происходят в период с сентября по январь. Наиболее крупными были наводнения в 1824 (7 (19) ноября, 421 см выше ординара), 1924 (23 сентября, 380 см), 1777 (10 (21) сентября) 321 см), 1955 (15 октября, 293 см), 1975 (29 сентября, 281 см) годах. С 1703 по 2008 гг. зафиксировано 332 наводнения (подъем воды более 160 см), из них 37 с подъемом более 210 см. В некоторые годы случались по несколько наводнений (в 1983 — десять), были периоды затишья (1729—1732 и 1744—1752).

Какова классификация наводнений?

Наводнения с подъёмом воды до 210 см. считаются опасными, от 211 до 299 см. — особо опасными, свыше 300 см. — катастрофическими.

При катастрофических наводнениях общая площадь затопления превышает 100 км. Скорость подъема уровня воды в Неве, продолжительность стояния высокого уровня и скорость спада воды зависят от интенсивности наводнения. При наводнении в 150-200 см средняя скорость подъема уровня 22,5 см/ч, спада - 15 см/ч. Наибольшая скорость подъема и спада уровня (100 см/ч) наблюдалась 15.10.1929 и 01.10.1994. Продолжительность наводнений варьируется от 8 часов до 2-3 суток и в среднем составляет около 24 ч. Подъем уровня длится в среднем 8-9 ч. Как правило, время спада в 1,1-1,5 раза больше времени подъема. На рис. 1.1 приведена схема крупнейших наводнений в СПБ с момента основания города:

Рис. 1.1. Схема крупнейших наводнений в СПБ

Высокий уровень воды в Неве может наблюдаться в любое время суток. За период 1703-2008 гг. из 332 наводнений 160 произошли в октябре - ноябре, что обусловлено повышенной циклонической деятельностью в это время года. Единичные случаи наводнений зафиксированы в период с февраля по июль.

На рис.1.2 приведен график наводнений уровней подъема воды в СПб с 1703 года по 2008 гг..

Рис. 1.2. Уровни подъема воды в СПб с 1703 года по 2008 гг.

За всю историю Санкт-Петербурга произошло 3 катастрофических наводнения (с подъемом воды свыше 300 см.) - в 1777, 1824 и 1924 гг.

27 августа и 21 сентября 1777 года (321 см) 1-е катастрофическое наводнение в истории города.

19 ноября 1824г. (421 см) произошло первое по высоте наводнение и 2 катастрофическое в истории Петербурга.

23 сентября 1924 года (380 см) – 3 катастрофическое наводнение в истории Петербурга.

Таким образом, 3 наводнения катастрофического плана наступили с интервалом в 50 и 100 лет, что наводит на размышления об определенной цикличности. Между 2 и 3 наводнением, наверное, должно было быть еще одно наводнение, в районе 1874-77 годов. Хронология наводнений показывает, что опасные наводнения были только в 1874 году и до 1879 года больше таковых не наблюдалось. Позже рассмотрим и это положение.

Некоторые общие выводы по разделу:

• наводнения в Санкт-Петербурге относятся к нагонным наводнениям на морских побережьях при ветрах, дующих с моря;
• нагонные наводнения в Санкт-Петербурге случаются почти ежегодно в разные сроки с разной интенсивностью;
• наводнения приводят к затоплению значительной исторической части территории города.

2

Общенаучные методы прогнозирования невских наводнений

Еще Петром I были изданы указы о принятии мер по спасению имущества во время наводнений. Однако никаких предупреждений населения о подъемах уровня не давалось. В ночь с 21 сентября 1777 года произошло катастрофическое наводнение с подъемом уровня воды до 310 см, принесшее настоящее бедствие городу и сопровождающееся человеческими жертвами. Екатериной II был издан указ об учреждении в городе «знаков и сигналов» для оповещения жителей о наводнениях. Оповещение производилось выстрелами из пушки, барабанным боем, вывешивались флаги на Адмиралтействе, а в ночное время - фонари. Били в колокола протяжным боем. Такая система оповещения о подъемах уровня воды в реке Неве существовала более 100 лет.