Природные и антропогенные лавинные комплексы морских берегов (на примере о. Сахалин) (стр. 1 )

На правах рукописи

КАЗАКОВА Екатерина Николаевна

Природные и антропогенные лавинные комплексы морских берегов

(на примере о. Сахалин)

Специальность: 25.00.36 - геоэкология (науки о Земле)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата географических наук

Хабаровск - 2014

Работа выполнена в Федеральном Государственном бюджетном учреждении науки Дальневосточный геологический институт Дальневосточного отделения Российской академии наук (лаборатория лавинных и селевых процессов Сахалинского филиала).

Научный руководитель	, доктор геолого-минералогических наук, академик, ФГБУН Дальневосточный геологический институт ДВО РАН, директор
Официальные оппоненты	, доктор географических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Кубанский Государственный университет, профессор кафедры региональной и морской геологии , кандидат географических наук, ФГБУН Институт водных и экологических проблем ДВО РАН, заведующий лабораторией
Ведущая организация	ФГБУН Институт географии РАН

Защита диссертации состоится 06 июня 2014 г. в 14.30 часов на заседании диссертационного совета Д 005.019.01 на базе ФГБУН Институт водных и экологических проблем ДВО РАН г. Хабаровск, ул. Ким Ю Чена, д. 65.

Факс  (42E-mail: *****@***as. *****

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института водных и экологических проблем ДВО РАН, а также на сайте http://ivep. as. *****

Автореферат разослан «___» апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Лавинные процессы на морских берегах имеют широкое распространение на Дальнем Востоке (о. Сахалин, п-ов Камчатка, п-ов Чукотка, Курильские о-ва), на берегах морей Северного Ледовитого океана и т. д. На о. Сахалин протяженность береговых природных лавинных комплексов составляет около 1 500 км (60% береговой линии острова).

В связи с широким распространением и высокой повторяемостью лавин в береговых лавинных комплексах эти лавины оказывают значительное влияние как на население и хозяйство приморских территорий, так и на геосистемы морских берегов. Последнее заключается, главным образом, в перераспределении снега на склонах морских террас, изменении условий увлажнения и термического режима почв и выбивании растительности в лавиносборе.

Лавины, формирующиеся в береговых лавинных комплексах, представляют опасность для территорий 33 населенных пунктов о. Сахалин. Важнейшие транспортные магистрали острова на значительном протяжении (более 500 км) проходят у подножия уступов морских террас. Помимо экономического ущерба за счет повреждения и разрушения зданий и сооружений, а также завалов транспортных магистралей, в лавинах с морских террас на о. Сахалин погибают люди. За период наблюдений за лавинами о. Сахалин (с 1928 г. по 2013 г.) в лавины, сошедшие с морских террас, попали 82 человека, 48 из них погибли.

Активная хозяйственная деятельность на морских берегах приводит к изменению природных лавинных комплексов, увеличивая их лавинную опасность, а в некоторых случаях - к созданию новых, ранее не существовавших, антропогенных лавинных комплексов.

Таким образом, при оценке лавинной опасности на морских берегах необходимо уделить значительное внимание береговым природным и антропогенным лавинным комплексам.

Объект исследования: природные и антропогенные лавинные комплексы морских берегов.

Предмет исследования: лавинные процессы на морских берегах.

Цель работы: исследовать береговые природные и антропогенные комплексы и разработать их классификацию в зависимости от формирующих их экзогенных геологических процессов.

Задачи исследований.

1.  Изучить береговые природные и антропогенные лавинные комплексы о. Сахалин.

2.  Определить роль экзогенных геологических процессов, в том числе антропогенной деятельности, в формировании лавиносборов разных морфологических типов на морских берегах.

3.  Определить роль поверхности сноса снега ветром и снегопереноса в формировании лавин береговых природных и антропогенных лавинных комплексов.

4.  Классифицировать лавиносборы в береговых природных и антропогенных лавинных комплексах о. Сахалин.

5.  Определить параметры лавинных процессов (объем, повторяемость и генетические классы лавин) и рассчитать динамические характеристики лавин (пиковое давление лавин на препятствие и максимальную дальность выброса лавин) для каждого из выделенных видов лавинных комплексов.

6.  Составить карту-схему береговых природных и антропогенных лавинных комплексов Южного Сахалина в масштабе 1:1 000 000 с картой-врезкой в масштабе 1:100 000 для наиболее лавиноопасного участка побережья.

Фактический материал и методы исследований. В основу диссертации вошли материалы 9-летних полевых работ, проведенных автором лично или при непосредственном участии автора на о. Сахалин и Курильских о-вах. В работе использованы архивные материалы лаборатории лавинных и селевых процессов Сахалинского филиала ФГБУН Дальневосточный геологический институт ДВО РАН и АНО НИЦ «Геодинамика». Автором осуществлены экспедиционные исследования на о. Сахалин и Курильских о-вах, проведены наблюдения за лавинными процессами и формированием снежных карнизов на морских берегах о. Сахалин. Измерены динамические характеристики лавин. Обработаны архивные данные о фактических характеристиках 857 лавин, формировавшихся в береговых лавиносборах о. Сахалин в период с 1928 по 2013 гг., и данные об ущербах, причиненных лавинами, сходившими с морских террас.

При сборе и анализе материалов использовались традиционные методы географических исследований. Решение основных задач диссертационной работы основывалось на применении сравнительно-географического, картографического, экспедиционного и других методов исследований динамичных природных систем.

Теоретической и методологической основой диссертационного исследования послужили работы следующих специалистов в области лавиноведения: , , и др.

Научная новизна.

Впервые береговые природные и антропогенные лавинные комплексы классифицированы на основе типизации лавиносборов в зависимости от формирующих их экзогенных геологических процессов.

Установлено, что на морских берегах такой показатель наступления лавинной опасности как критическая толщина снежного покрова в лавиносборе не применим, поскольку из-за ветрового перераспределения снега возможен сход лавин с бортов лотковых лавиносборов даже при отсутствии снежного покрова на большей части лавиносбора.

Обоснована высокая степень лавинной опасности береговых лавинных комплексов для объектов и сооружений капитального строительства.

Впервые составлена карта-схема береговых природных и антропогенных лавинных комплексов Южного Сахалина в масштабе 1:1 000 000 с картой-врезкой в масштабе 1:100 000 для участка западного побережья (наиболее лавиноопасного участка морских берегов Южного Сахалина, где протяженность лавиноопасной зоны составляет 83% протяженности берега).

Защищаемые положения.

1.  На морских берегах морфологический тип лавиносбора и его морфометрические характеристики обусловливаются преобладающим типом экзогенного геологического процесса, формирующего мезо - и микрорельеф склона. Знание типа процесса позволяет определить морфометрические параметры лавиносборов и характеристики лавин без дополнительных исследований.

2.  В формировании лавин в береговых природных и антропогенных лавинных комплексах важную роль играет наличие в верхней части лавинного комплекса зоны сноса снега ветром, которая обусловливает дополнительный принос снега в лавиносбор, приводя к увеличению объемов и повторяемости лавин.

3.  Разработана классификация береговых природных и антропогенных лавинных комплексов, основанная на типизации лавиносборов в зависимости от формирующих их экзогенных геологических процессов, включающая 5 таксономических уровней и позволяющая определять характеристики лавинных процессов на морских берегах в малоизученных районах. Выделено 2 класса лавинных комплексов: I - лавинные комплексы морских террас, включающий 5 подклассов, 10 типов, 12 подтипов, 21 вид; II - лавинные комплексы гористых побережий.

Личный вклад автора. В основу диссертации вошли материалы 9-летних полевых работ, проведенных автором на территории Сахалинской области (о. Сахалин и Курильские о-ва). В работе использованы также материалы исследований, выполненных при непосредственном участии автора совместно с к. г-м. н. , к. г-м. н. , , .

Практическое значение работы.

Разработанная методология позволяет определять характеристики лавинных процессов на морских берегах в малоизученных районах на ранних стадиях проектно-изыскательских работ.

Изложенные в диссертации принципы были использованы при разработке схем планировочных ограничений к генпланам населенных пунктов Сахалинской области (лавиноопасные зоны), 2009; при научном сопровождении работ по разработке проектной документации капитального ремонта автомобильной дороги Невельск - Томари - аэропорт Шахтерск на участках км 141 и км 152 с устройством комплекса противолавинных сооружений, 2011; при научно-исследовательских работах по определению динамических характеристик лавин и разработке методов стабилизации снежного пласта в лавиносборе на участках проведения мероприятий по инженерной противолавинной защите автомобильных дорог Невельск - Томари - аэропорт Шахтерск (км 141 и км 152) и Южно-Сахалинск - Оха (км 214 - км 219), 2012; при работах по предупредительному спуску лавин на 143 и 153 км автомобильной дороги Невельск - Томари - аэропорт Шахтерский, 2013.

Апробация работы.

Основные положения и выводы, содержащиеся в диссертации, докладывались автором на научных симпозиумах, конференциях, семинарах и совещаниях (в том числе 4 - международных, 5 - всероссийских и 4 - региональных): III Международная конференция «Лавины и смежные вопросы» (Кировск, 2006); Международная научная конференция «Гляциология в начале XXI века» (Москва, 2009); IV Международная конференция «Лавины и смежные вопросы» (Кировск, 2011); II Международный симпозиум «Физика, химия и механика снега» (Южно-Сахалинск, 2013); XIV Гляциологический симпозиум «Гляциология от Международного геофизического года до международного Полярного года» (Иркутск, 2008); Гляциологический симпозиум «Лед и снег в климатической системе» (Казань, 2010); XV Гляциологический симпозиум «Современная изменчивость криосферы Земли» (Архангельск, 2012); 4-ая Всероссийская конференция молодых ученых «Современные проблемы геологии, геохимии и геоэкологии Дальнего Востока России» (Владивосток, 2012); Всероссийское совещание и молодежная школа по современной геодинамике «Современная геодинамика Центральной Азии и опасные природные процессы: результаты исследований на количественной основе» (Иркутск, 2012) и др.

Публикации. По результатам исследований автором лично и в соавторстве опубликована 31 работа, в том числе 10 статей в научных журналах из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация включает 133 страницы и состоит из введения, 5 глав и заключения, иллюстрирована 63 рисунками и 16 таблицами; список использованной литературы составляет 157 наименований.

В главе I «Лавинные процессы на морских берегах: современное состояние проблемы» рассмотрена история изучения лавинных процессов на морских берегах российскими и зарубежными учеными. Приведен краткий обзор распространения лавинных процессов на морских берегах в России и мире, а также обзор лавинных катастроф, произошедших на морских берегах о. Сахалин. Рассмотрены основные причины высокой опасности береговых природных лавинных комплексов для населения и хозяйства, а также защита от лавин на морских берегах о. Сахалин.

В главе II «Физико-географические и геологические факторы лавинных процессов на морских берегах о. Сахалин» рассмотрены геологические, геоморфологические, литологические, гидрометеорологические, геоботанические и антропогенные факторы лавинообразования на морских берегах о. Сахалин, генетические классы лавин, формирующихся на морских берегах острова, лавинный режим, а также воздействие лавинных процессов на геосистемы морских берегов.

В главе III «Роль экзогенных геологических процессов в формировании лавиносборов на морских берегах» выявлены типы экзогенных геологических процессов, формирующих лавиносбор на морских берегах. Рассмотрены морфологические типы лавиносборов, формируемых этими процессами, а также морфометрические характеристики этих лавиносборов.

В главе IV «Роль зоны сноса снега ветром в формировании лавин на морских берегах о. Сахалин» рассмотрена роль зоны сноса снега ветром в формировании лавин береговых лавинных комплексов. Приведены характеристики снежных карнизов, формирующихся в береговых лавинных комплексах.

В главе V «Классификация береговых природных и антропогенных лавинных комплексов о. Сахалин» разработана классификация береговых лавинных комплексов, основанная на типизации лавиносборов в зависимости от их формирующих экзогенных геологических процессов. Составлена таблица, где приведены морфометрические параметры лавиносборов, а также объемы, повторяемость, преобладающий генетический класс лавин, пиковое давление лавины на препятствие для каждого вида береговых лавинных комплексов. Также приведена карта-схема береговых природных лавинных комплексов Южного Сахалина в масштабе 1:1 000 000 с картой-врезкой в масштабе 1:100 000 для наиболее лавиноопасного участка побережья.

Работа выполнена в Федеральном Государственном бюджетном учреждении науки Дальневосточный геологический институт ДВО РАН (лаборатория лавинных и селевых процессов Сахалинского филиала).

Благодарности. Автор выражает признательность научному руководителю д. г.-м. н., академику за всестороннюю поддержку. Автор выражает благодарность к. г.-м. н. и к. г.-м. н. за многолетнюю помощь в работе. Автор выражает признательность , , за помощь, оказанную при сборе и обработке полевых, архивных материалов. Автор благодарен д. г.н, профессору , к. г.-м. н. и за ценные замечания и д. б.н. за помощь.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. На морских берегах морфологический тип лавиносбора и его морфометрические характеристики обусловливаются преобладающим типом экзогенного геологического процесса, формирующего мезо - и микрорельеф склона. Знание типа процесса позволяет определить морфометрические параметры лавиносборов и характеристики лавин без дополнительных исследований.

Экзогенные геологические процессы обусловливают морфологическое строение лавиносбора, от которого зависят особенности снегонакопления и метаморфизма снежного покрова в лавиносборе и параметры лавин (объем, значения динамических характеристик, ширина лавиноопасной зоны).

Очевидно, что преобладание типа экзогенного геологического процесса обусловлено геологическим строением территории. Однако в малоизученных районах определение типа экзогенного геологического процесса является значительно более простой задачей, чем определение геологического строения, тем более что для формирования лавиносборов важен не только состав пород, но и залегание пластов.

Основными типами экзогенных геологических процессов, формирующих лавиносборы на морских берегах о. Сахалин, являются: а) эрозионные процессы; б) оползневые процессы; в) абразия; г) антропогенная деятельность.

На Южном Сахалине наиболее широко распространены лавинные комплексы, в которых лавиносборы сформированы эрозионными процессами (рис. 1). Наименьшую протяженность имеют лавинные комплексы, где лавиносборы сформированы в результате антропогенной деятельности. Однако в связи с активной хозяйственной деятельностью протяженность этих лавиносборов с каждым годом увеличивается.

Рис. 1. Протяженность лавиноопасных участков морских террас Южного Сахалина, где лавиносборы сформированы разными типами экзогенных геологических процессов (в процентах от общей протяженности лавиноопасных участков морских террас).

Под воздействием экзогенных геологических процессов на морских террасах формируются лавиносборы следующих морфологических типов (Божинский, Лосев, 1987): а) лавиносборы, четко выраженные в рельефе с надежно выделяемыми зонами зарождения, транзита и отложения (воронки); б) лавиносборы, выраженные в рельефе, но не имеющие хорошо определяемых зон зарождения и транзита (врезы и мульды); в) лавиносборы, не выраженные в рельефе (осовные склоны).

При воздействии эрозии формируются лотковые лавиносборы - узкие желоба с уклоном 30-45°. На морских берегах Южного Сахалина количество таких лавиносборов на погонный километр может достигать 56 (Невельский район, с. Ясноморское). Ширина таких лавиносборов обычно не превышает 20 м.

Оползневыми процессами формируются обычно также лотковые лавиносборы - мульды или воронки. Характерной особенностью мульд является прямолинейная форма продольного профиля лавиносбора с уклоном в 30-45°, что обусловливает высокие скорости лавин и высокие значения давления лавины на препятствие даже при небольших относительных высотах лавиносборов. Кроме того, оползневыми процессами формируется характерный для берегов Южного Сахалина тип лавинных комплексов, представленный чередованием воронок и небольших осовных склонов в нижней части склона. Воронки по сравнению с осовными склонами имеют большие относительные высоты и большие площади, но меньшие уклоны, в связи с чем лавины из воронок обычно имеют большие объемы.

Скальные абразионные уступы, крутизной обычно более 50°, представляют собой специфический тип лавиносборов, для которых характерно образование снежных карнизов и возможен сход лавин с верхней, более пологой части лавиносбора (прыгающие лавины).

Осовы формируются при отсутствии выраженного воздействия экзогенных геологических процессов на уступ морской террасы.

В связи с активной хозяйственной деятельностью на морских берегах о. Сахалин лавинные комплексы морских берегов подвержены сильной антропогенной нагрузке, увеличивающей степень лавинной опасности для населения и хозяйства острова.

Основными видами антропогенного изменения природных лавинных комплексов морских берегов, влияющими на характеристики лавинных процессов, являются вырубка леса и изменение профиля склона (Казакова, 2013 а) (рис. 2).

Рис. 2. Основные виды антропогенного изменения природных лавинных комплексов морских берегов, влияющие на характеристики лавинных процессов.

На морских берегах формируются антропогенные лавинные комплексы, отличные от природных. Обычно это либо образующиеся при подрезке склонов уступы, создающие условия для формирования прыгающих лавин, либо ровные крутые осовные склоны. Необходимо отметить, что такие осовные склоны имеют чаще всего большой уклон (30-45°); кроме того, они лишены древесной растительности, а поверхность скольжения лавины в них представлена травянистой растительностью или щебнем, что обеспечивает низкие значения коэффициентов трения (0,15-0,17), и, следовательно, высокие значения динамических характеристик лавин даже при небольших относительных высотах лавиносборов.

Образованные при воздействии экзогенных геологических процессов лавиносборы имеют различные морфометрические характеристики (табл. 1).

Таблица 1.

Морфометрические характеристики разных морфологических типов лавиносборов морских берегов (на примере Южного Сахалина)

Морфологический тип лавиносбора	Характеристики лавиносбора
Относительная высота, м	Площадь, га	Ширина, м	Глубина, м	Средний уклон, град.
воронка	100-200	0,7-5,0	30-120	5-15	30-45
врез	20-150	0,1-0,6	15-30	1-5	30-45
мульда	30-150	0,2-1,5	20-130	5-10	30-45
осовный склон	7-100	0,1-6,0	40-300	-	25-45

Как видно из таблицы, морфометрические характеристики лавиносборов каждого морфологического типа имеют достаточно широкий диапазон значений, что обусловлено геологическим и геоморфологическим строением морского берега. Единственной общей чертой преобладающего большинства береговых лавиносборов является большой средний уклон лавиносборов (30-45°), такие уклоны обусловливают высокие значения динамических характеристик лавин.

Так, согласно фактическим данным, полученным нами в 2012 г. при спуске лавин, скорости лавин составляли от 8,2 до 16,8 м/с при относительных высотах склонов менее 125 м и объемах лавин менее 1 тыс. м3 (табл. 2). Пиковое давление лавины на препятствие, рассчитанное на основе фактических значений скоростей и плотностей лавин, составляло от 0,063 до 0,129 МПа (при таком давлении лавина повреждает шлакоблочные сооружения и разрушает деревянные сооружения).

Таблица 2.

Фактические и расчетные характеристики лавин на морских берегах о. Сахалин

Местоположение лавиносбора	Относительная высота склона, м	Средний уклон лавиносбора, град.	Фактическая дальность выброса лавины, м	Фактическая скорость лавины, м/с	Фактическая макс. высота фронта лавины, м	Фактический объём лавины, м³	Расчетное пиковое давление лавины на препятствие, МПа	Расчетное ударное давление лавины по Войтковскому К. Ф., МПа
153 км автодороги Невельск - Томари - аэропорт Шахтёрский	79	38	151	8,2	2,0	75,0	0,063	0,018
79	38	151	11,6	2,0	200,0	0,089	0,035
61	38	117	9,6	4,5	800,0	0,074	0,024
71	38	136	12,5	4,0	400,0	0,096	0,041
178 км автодороги Южно-Сахалинск - Оха	124	39	265	16,8	8,0	-	0,129	0,037
46	39	70	11,7	2,0	-	0,090	0,021

Таким образом, в результате воздействия экзогенных геологических процессов формируются лавиносборы разных морфологических типов: эрозионных процессов - врезы, оползневых процессов - воронки и мульды, абразии - скальные обрывы, антропогенной деятельности - скальные обрывы и осовные склоны, без выраженного воздействия экзогенных процессов - осовные склоны. Эти морфологические типы лавиносборов имеют достаточно широко варьирующиеся морфометрические параметры; общей чертой является большой средний уклон лавиносбора (30-45°), обусловливающий высокие значения динамических характеристик лавин.