ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПАСНЫХ ДЛЯ ЗАСТРОЙКИ ЗОН В ДОЛИНЕ Р. КИНДЕРКА (Г. КАЗАНЬ)

Олудина О.В.¹, Шигапов И.С.²

¹Cтудент, ²ORCID 0000-0003-0429-4440, кандидат географических наук, доцент,

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПАСНЫХ ДЛЯ ЗАСТРОЙКИ ЗОН В ДОЛИНЕ Р. КИНДЕРКА (Г. КАЗАНЬ)

Аннотация

С целью определения безопасных для застройки зон в долине р. Киндерка, протекающей через жилые массивы на территории г. Казани, был рассчитан максимальный расход воды различной обеспеченности, построены гидрологические модели паводка. В программном комплексе HEC-RAS рассчитаны модели прохождения волны паводка с учетом современной ситуации (застроенная пойма) и при условии ненарушенной поймы (гипотетическая модель). Выявлен характер влияния отдельных зданий на процесс затопления долины. Также в ходе исследования определены границы опасной (70 м от русла реки) и потенциально опасной (100 м) для застройки зон.

Kлючевые слова: поверхностные воды, водосборный бассейн, борьба с наводнениями, пойма, гидрологическая модель, HEC-RAS.

Oludina O.V.¹, Shigapov I.S.²

¹Student, ²ORCID 0000-0003-0429-4440, PhD in Geography, Associate Professor,

Kazan (Volga region) Federal University

IDENTIFICATION OF HAZARDOUS AREAS FOR BUILDING IN THE VALLEY OF THE KINDERKA RIVER (KAZAN CITY)

Abstract

In order to determine zones, safe for building in the valley of the Kinderka river, flowing through the residential areas in the city of Kazan, the maximum flow of water was calculated for varying availability, and the hydrological flood models were constructed. In the HEC-RAS software complex, the models for the passage of a flood wave were calculated taking into account the current situation (built-up floodplain) and under the condition of undisturbed floodplain (hypothetical model). The nature of the influence of individual buildings on the flooding of the valley has been revealed. Also the boundaries of the dangerous (70 m from the river bed) and potentially dangerous (100 m) zones for building were determined in this work.

Keywords: surface water, catch basin, flood control, floodplain, hydrological model, HEC-RAS.

Введение

Одним из направлений прикладной гидрологии является изучение опасных гидрометеорологических явлений с целью предупреждения их последствий несущих угрозу как для промышленных и социальных объектов, так и для здоровья населения. Большую опасность представляют наводнения наносящие существенный материальный ущерб который многократно увеличивается при прохождении волны паводка через густонаселённые территории. При этом, вблизи рек, протекающих через населенные пункты, обычно расположены престижные и дорогие земельные участки, что приводит к застраиванию пойменных территорий. Таким образом, при застройке прибрежных территорий необходимо рассмотрение вопросов как о приемлемом уровне риска и ущерба, с которым общество готово согласиться [1, C. 183], так и вопросы безопасности человеческой жизни.

Данные вопросы являются актуальными для г. Казани, через территорию которой протекают несколько водотоков. Паводково-опасные зоны г. Казань расположены в нижнем течении рек Нокса и Киндерка, которые впадают в р. Казанку на территории жилых поселков. Практически ежегодно на данной территории происходит затопление частных домовладений, количество которых по данным МЧС РФ доходит до 386 домов. В настоящее время на территории г. Казани насчитывается около 250 разнотипных водных объектов [2, C.37], однако водотоки изучены достаточно слабо. Имеются отдельные работы посвященные экологической ситуации на водосборной площади рек [3, P.44801], значению малых рек для экологического каркаса города [4, С.92], роли рек в формировании и развитии озер [5, С.42], однако отсутствуют систематизированные сведения о гидрологическом режиме рек, в частности о максимальных расходах воды. Таким образом, сложившаяся в настоящее время ситуация определяет важность определения границ зон затопления на водотоках г. Казани для разработки противопаводковых мероприятий.

Материалы и методы

В настоящее время для расчета параметров затопления территории часто используются ГИС-технологии. В большинстве случаев оценка процесса затопления проводится по известному уровню водной поверхности с использованием цифровой модели рельефа.

Гидравлические расчеты можно проводить на разных программных комплексах, разработанных, как в России, так и за рубежом. Известными гидрологическими программами являются MIKE HYDRO River (Дания), HEC-RAS (США), Delft3D FM (Нидерланды). Принципиальных отличий в методике расчетов эти программы не имеют – используются уравнение Шези для установившегося движения воды и система уравнений Сен-Венана для расчета неустановившегося движения [6, C.129]. Однако, среди вышеназванных программных комплексов только программа HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center's River Analysis System) находится в открытом доступе, что делает возможным ее массовое использование для решения гидрологических задач. В рамках данной работы использовалась версия HEC-RAS 5.0.3.

В качестве объекта изучения была выбрана р. Киндерка – левый приток р. Казанка. Для определения ширины зоны затопления был выбран участок речной долины протяженностью 440 м, находящийся на 8,3 км выше устья реки. Выбор был обусловлен тем, что долина реки на данном участке имеет широкую пойму (до 115 м), что позволяет с запасом определить безопасное расстояние от русла. Также данный участок является густо застроенным, что делает возможным попытку оценки влияния застройки поймы на изменение площади зоны затопления.

В качестве топографической основы для вычисления створовых параметров использовались космоснимки, находящиеся в свободном доступе, привязанные с помощью программы SASPlanet.15 и обработанные в ГИС Quantum GIS - 8.5. Гидрометрические работы на реке были проведены в период летней межени 2016 года. На исследуемом участке было построено 18 морфостворов, профили которых были использованы при построении гидрологических моделей затопления пойменного участка в программном комплексе HEC-RAS (рис. 1). Всего было построено 2 модели:

• с учетом современной ситуации (застроенная пойма): существующие в настоящее время здания были представлены в морфостворах как прямоугольные препятствия высотой 6 м и шириной равной ширине зданий определенной по космоснимкам;
• при условии ненарушенной поймы (гипотетическая модель): морфостворы были построены без учета застройки территории.

Рис. 1 – Cхема расположения морфостворов на исследуемом участке долины р. Киндерка (показано затопление ненарушенной поймы при Q_max1%)

Систематические гидрологические наблюдения на реке в настоящее время не ведутся, что обусловило использование расчетных методов для определения максимального стока заданной обеспеченности согласно СП 33-101-2003 [7]. Была использована следующая формула:

где К₀ – параметр, характеризующий дружность весеннего половодья;

h_p% – расчетный слой суммарного весеннего стока (без срезки грунтового питания), мм, ежегодной вероятностью превышения Р%, определяемый в зависимости от коэффициента вариации Cv и отношения Cs/Cv этой величины, а также среднего многолетнего слоя стока h₀, устанавливаемого по рекам-аналогам или интерполяцией;

m – коэффициент, учитывающий неравенство статистических пара метров слоя стока и максимальных расходов воды, принимаемый по рекомендуемому;

d – коэффициент, учитывающий влияние водохранилищ, прудов и проточных озер;

d₁ – коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода воды в залесенных бассейнах;

d₂ – коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода воды в заболоченных бассейнах;

А – площадь водосбора исследуемой реки до расчетного створа;

А₁ – дополнительная площадь водосбора, учитывающая снижение редукции, км²;

n₁ – показатель степени редукции.

Районные параметры при расчетах были взяты из справочных изданий [8, C.77; 9, C.96; 10, C.42]. Использованные при расчетах показатели представлены в табл. 1.

Таблица 1 – Основные гидрологические показатели исследуемого участка р. Киндерка

 

Полученные результаты

После проведенных расчетов максимальных расходов воды заданной обеспеченности при отсутствии данных гидронаблюдений для р. Киндерка были получены следующие результаты:

• Q_max1% = 61 м³/с;
• Q_max10% = 36 м³/с;
• Q_max50% = 17 м³/с;
• Q_max95% = 7 м³/с;

Определенные в ходе исследования границы зон затопления показаны на рисунках 2, 3. Наличие в пойме препятствий в виде отдельных зданий оказывает влияние на ширину зоны затопления. Ширина зоны затопления при расходе воды 36 м³/с (P10%) меняется от 39 до 65 м от русла реки, т.е. практически увеличивается в два раза; при расходе воды 61 м³/с (P1%) ширина зоны затопления также меняется, но в меньшей степени (86 и 96 м).

Рис. 2 – Зона затопления поймы р. Киндерка при максимальном расходе воды заданной обеспеченности, с учетом существующей ситуации (модель 1)

Рис. 3 – Зона затопления поймы р. Киндерка при максимальном расходе воды заданной обеспеченности, в условиях ненарушенной поймы (модель 2)

Уровень воды при максимальном стоке разной обеспеченности отличается незначительно от 75,4 м БС (P95%) до 76,2 м БС (P1%) (рис. 4). Однако, уровень воды при паводке может подняться над уровнем воды в межень на 4–5 м.

Рис. 4 – Высота уровня воды при максимальном расходе заданной обеспеченности (по профилю створа 12-12)

Обсуждение результатов

Как видно из полученных результатов, несмотря на то, что расход воды при максимальном стоке различной обеспеченности отличается на порядок (P95% – 7 м³/с, P1% – 61 м³/с), уровень воды при этом меняется в пределах 1–2 м, следовательно при паводках затапливаются лишь невысокие элементы поймы. Связано это с особенностями строения данного участка речной долины, а именно наличием широкой поймы с высокой пропускной способностью.

Застроенность поймы р. Киндерка частными домовладениями определяет наличие потенциальной угрозы жизни и здоровью населения. Несмотря на то, что долина реки затапливается на относительно небольшую глубину, паводки наносят ущерб жилым и хозяйственным зданиям.

По результатам исследования нами было выделено две зоны:

1) зона опасная для застройки – это территории, которые прилегают к р. Киндерка, затапливаемые при половодьях и паводках десятипроцентной обеспеченности (1 раз в 10 лет). К опасной зоне были отведены участки поймы ниже 4 м над уровнем реки и в соответствии с принятым в гидрологии методом наихудшего прогноза граница данной зоны была проведена на расстоянии 70 м от русла реки;

2) зона потенциально опасная для застройки – это территории, которые прилегают к р. Киндерка, затапливаемые при половодьях и паводках однопроцентной обеспеченности (1 раз в 100 лет). К потенциально опасной зоне были отведены участки поймы ниже 6 м над уровнем реки. Границы данной зоны были проведены на расстоянии 100 от русла реки.

Наличие отдельных зданий на пойме реки оказывает влияние на характер затопления поймы создавая эффект подпора. Однако представляется, что вследствие небольшой ширины зданий и относительно невысокого уровня воды при паводке большее влияние на характер затопления могут оказывать невысокие ограждения частных домовладений. Методы учета и характер данного влияния в гидрологических моделях еще предстоит изучить.

Список литературы / References

1. Голубева А.Б. Оценка опасности и рисков наводнений в г. Барнауле (пос. Затон) / А.Б. Голубева, В.А. Земцов // Вестник Томского государственного университета. 2013. №373. – С. 183–188.
2. Мингазова Н.М. Инвентаризация и экологическая паспортизация водных объектов как способ сохранения и оптимизации их состояния / Н.М. Мингазова, О.Ю. Деревенская, О.В. Палагушкина и др. // Астраханский вестник экологического образования. № 2 (28). – С. 37–43.
3. Shaliamova R.P. The contaminating impact of surface water runoff from the MSW landfill on the river Krutovka (through the example of Samosyrovskaya landfill, Kazan, Russia) / R.P. Shaliamova, E.G. Nabeeva, I.S. Shipagov // International journal of applied engineering research. 2015. Vol.10. № 24. – P.44801–44807.
4. Никитин А.В. Проблемы формирования эколого-природного каркаса урбанизированных территорий (на примере г. Казани) / А.В. Никитин, Н.М. Мингазова, Г.А. Юпина // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. № 2 (14). – С. 88–96.
5. Шигапов И.С. Генетическая классификация озер г. Казани / И.С. Шигапов, Н.М. Мингазова, А.Н. Шарифуллин и др. // Журнал экологии и промышленной безопасности. № 1 (45). – С. 41–44.
6. Никифоров Д.А. Методика калибровки гидравлических моделей рек и водохранилищ / Д.А. Никифоров // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Т. 17. № 6-1. – С. 128–134.
7. СП 33-101-2003 Определение основных расчетных гидрологических характеристик. – М.: Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2004. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200035578 (дата обращения 02.09.2017)
8. Рождественский А.В. Пособие по определению расчетных гидрологических характеристик. Часть 1. / А.В. Рождественский, А.Г. Лобанова. – Л., Гидрометиздат, 1984. – 447 с.
9. Научно-прикладной справочник: Основные гидрологические характеристики рек бассейна Нижней Волги / под ред. Георгиевского В.Ю. – Ливны: ФГБУ «ГГИ», 2015. – 129 с.
10. Методические рекомендации по определению расчетных гидрологических характеристик при отсутствии данных гидрометрических наблюдений. Изд. ГГИ. – Санкт-Петербург, Нестор-История, 2009. – 193 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Golubeva A.B. Ocenka opasnosti i riskov navodnenij v g. Barnaule (pos. Zaton) [Flood hazard risk assessment in Barnaul City (Zaton settlement)] / A.B. Golubeva, V.A. Zemcov // Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta [Tomsk State University Journal]. 2013. №373. – P. 183–188. [in Russian]
2. Mingazova N.M. Inventarizacija i jekologicheskaja pasportizacija vodnyh ob#ektov kak sposob sohranenija i optimizacii ih sostojanija [Inventory and environmental passportization of water bodies as a way to preserve and optimize their condition] / N.M. Mingazova, O.Ju. Derevenskaja, O.V. Palagushkina and others // Astrahanskij vestnik jekologicheskogo obrazovanija [Astrakhan Bulletin for Environmental Education]. 2014. № 2 (28). – P. 37–43. [in Russian]
3. Shaliamova R.P. The contaminating impact of surface water runoff from the MSW landfill on the river Krutovka (through the example of Samosyrovskaya landfill, Kazan, Russia) / R.P. Shaliamova, E.G. Nabeeva, I.S. Shipagov // International journal of applied engineering research. 2015. Vol.10. № 24. – P.44801–44807.
4. Nikitin A.V. Problemy formirovanija jekologo-prirodnogo karkasa urbanizirovannyh territorij (na primere g. Kazani) [Problems of the formation of the ecological and natural frameworks of urbanized territories (through the example of Kazan)] / A.V. Nikitin, N.M. Mingazova, G.A. Jupina // Izvestija Kazanskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta [Kazan State University of Architecture and Engineering news]. 2010. № 2 (14). – P. 88–96.
5. Shigapov I.S. Geneticheskaja klassifikacija ozer g. Kazani [Genetic classification of lakes of Kazan City] / I.S. Shigapov, N.M. Mingazova, A.N. Sharifullin and others // Zhurnal jekologii i promyshlennoj bezopasnosti [Journal of Ecology and Industrial Safety]. 2010. № 1 (45). – P. 41–44. [in Russian]
6. Nikiforov D.A. Metodika kalibrovki gidravlicheskih modelej rek i vodohranilishh [Method of calibration of hydraulic models of rivers and reservoirs] / D.A. Nikiforov // Izvestija Samarskogo nauchnogo centra Rossijskoj akademii nauk [Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences]. 2015. vol. 17. № 6-1. – P. 128–134. [in Russian]
7. SP 33-101-2003 Opredelenie osnovnyh raschetnyh gidrologicheskih harakteristik [Determination of basic calculated hydrological characteristics]. – M.: Gosstroj Rossii, FGUP CPP. 2004. – URL: http://docs.cntd.ru/document/1200035578 (accessed: 02.09.2017) [in Russian]
8. Rozhdestvenskij A.V. Posobie po opredeleniju raschetnyh gidrologicheskih harakteristik. Chast' 1. [Manual for the determination of calculated hydrological characteristics. Part 1.] / A.V. Rozhdestvenskij, A.G. Lobanova. – L., Gidrometizdat, 1984. – 447 p. [in Russian]
9. Nauchno-prikladnoj spravochnik: Osnovnye gidrologicheskie harakteristiki rek bassejna Nizhnej Volgi [Applied science Handbook: Main Hydrological Characteristics of the Lower Volga River Basin] / ed. by Georgievskii V.Ju. – Livny: FGBU «GGI», 2015. – 129 p. [in Russian]
10. Metodicheskie rekomendacii po opredeleniju raschetnyh gidrologicheskih harakteristik pri otsutstvii dannyh gidrometricheskih nabljudenij [Methodological recommendations for determining the calculated hydrological characteristics in the absence of hydrometric observations]. Izd. GGI.  – Sankt-Peterburg, Nestor-Istorija, 2009. – 193 p. [in Russian]