Сніг як частина водозбірної системи

Сніг як частина водозбірної системи

Управління сезонним запасом води від гребеня до низини

Сніг у гірському водозборі – це не просто зимові опади. Він є тимчасовим природним резервуаром, який накопичує воду в холодний період і поступово віддає її під час відлиг та весняного танення.

Саме сніг багато в чому визначає:

весняне харчування рік;

вологість гірських ґрунтів;

відновлення підземних вод;

роботу джерел;

початок вегетаційного періоду;

літню забезпеченість водою;

ймовірність паводків;

стійкість схилів;

стан боліт, лук і заплав.

Гірські снігові поля та сніговий покрив фактично працюють як природні водосховища, які зберігають холодносезонні опади до періоду потепління.

Головний принцип проекту:

Сніг необхідно не просто затримувати, а правильно розподіляти по водозбору, контролюючи місце його накопичення, швидкість танення та напрямок талої води.

1. Сніг як сезонне водосховище

Кількість води у сніжному покриві не можна визначати лише за його висотою.

Однакова товщина снігу може містити зовсім різну кількість води:

сухий свіжий сніг має невелику густину;

сніг, що злежався, містить більше води;

мокрий весняний сніг може бути дуже важким;

крижана кірка майже не показує візуально реальний запас води.

Тому основним гідрологічним показником стає водний еквівалент снігу - Snow Water Equivalent, SWE.

SWE показує товщину шару рідкої води, яка б утворилася при повному таненні снігового покриву.

Спрощений розрахунок:

SWE = висота снігу × відносна щільність снігу

Наприклад, сніговий шар заввишки 1 метр при середній густині 0,30 містить приблизно 300 міліметрів води.

Для водозбору важлива не середня висота снігу, а загальна карта SWE за висотою, схилами, улоговинами, лісами та відкритими ділянками.

2. Шлях снігу у гірській системі

Сніг проходить кілька послідовних стадій:

освіта опадів;

випадання;

перенесення вітром;

накопичення;

ущільнення;

часткове танення;

повторне замерзання;

насичення снігового шару водою;

остаточне танення;

проникнення води у ґрунт;

поверхневий стік;

харчування джерел і русел.

На кожному етапі вода може змінити свій шлях.

Сніг, що випав одному схилі, може бути перенесений вітром через вододіл і фактично поповнити сусідній басейн. Тому зимовий гідрологічний вододіл не завжди повністю збігається з топографічною лінією гребеня.

3. Просторовий розподіл снігу

Сніг у горах розподіляється вкрай нерівномірно.

На його накопичення впливають:

висота;

температура;

напрямок вітру;

форма гребеня;

експозиція схилу;

крутість;

сонячне проміння;

рослинність;

кам'яні виступи;

дороги;

штучні огорожі;

лавинне перенесення.

Зони видування

Зазвичай перебувають:

на відкритих вершинах;

гострих гребенях;

опуклих ділянках;

навітряних схилах;

біля вітрових прискорювачів.

У таких місцях сніг може випадати, але майже одразу переноситися далі.

Зони накопичення

Найчастіше формуються:

за гребенем;

у сідлах;

у верхніх улоговинах;

за чагарниками;

біля лісової кромки;

за дорогами та насипами;

у підвітряних кишенях.

Не можна вважати всі зони накопичення корисними. Глибока снігова кишеня може:

перевантажити схил;

сформувати лавину;

затопити дорогу під час танення;

перенасичити зсувний ґрунт;

затримати початок вегетації;

пошкодити рослини.

4. Завдання управління снігом

Система DREVO повинна:

зберігати частину снігу верхніх рівнях;

запобігати повному видуванню;

розподіляти сніг мозаїчно;

уникати небезпечних великих заметів;

сповільнювати весняне танення;

спрямовувати талу воду у стійкі зони;

збільшувати інфільтрацію;

знижувати пік весняного стоку;

підтримувати джерела;

не створювати лавинної небезпеки;

зберігати дороги та інфраструктуру.

Снігозатримання не можна відокремлювати від розрахунку талої води.

Кожна нова ділянка накопичення снігу означає майбутнє локальне джерело води.

5. Сніг на гребенях та вершинах

На самій лінії гребеня завдання полягає не у створенні максимальної товщини снігу, а зменшенні його повного видування.

Відповідні елементи:

низькі дерновинні трави;

чагарники, що стеляться;

мозаїчні рослинні острівці;

низькі кам'яні лінії;

напівпроникні снігозатримуючі екрани;

шорсткий мікрорельєф.

Високі щільні бар'єри на гребені можуть сформувати:

велике занесення;

небезпечний сніговий карниз;

сильну турбулентність;

різке перенесення снігу в підвітряну улоговину.

Тому верхня зона має затримувати сніг поступово.

6. Живі снігозатримуючі смуги

Чагарники та дерева можуть працювати як живі снігові огорожі.

Вони зменшують швидкість вітру, після чого сніг, що переноситься, осаджується на підвітряній стороні. Такі живі снігові бар'єри спеціально застосовуються для управління місцем утворення снігових заметів.

Але для гірських вододілів вони потребують обережного проектування.

Правильна жива смуга

Вона має бути:

напівпроникний;

багатоярусної;

що складається з гнучких видів;

розташованої нижче критичної лінії гребеня;

віддаленої від дороги;

розірваної на окремі секції;

узгодженої з шляхами талої води.

Неправильна смуга

Суцільна щільна стіна здатна:

завалити снігом дорогу;

сформувати лавинонебезпечну кишеню;

накопичити надмірний обсяг води;

затримати сніг над нестабільним схилом;

призвести до масового пошкодження рослин.

7. Штучні снігозатримуючі елементи

У перехідний період застосовуються:

дерев'яні ґрати;

напівпроникні сітки;

кам'яні гряди;

низькі плетені бар'єри;

снігові щити;

невеликі земляні форми.

Їх встановлюють не там, де потрібно зупинити сніг, а там, де необхідно забезпечити його безпечне випадання.

Перед встановленням визначається:

напрямок зимових вітрів;

передбачувана довжина снігового шлейфу;

максимальна глибина занесення;

водний еквівалент майбутнього нагромадження;

шлях весняної води;

стан нижнього схилу;

наявність доріг та будівель.

Споруда, що добре затримує сніг, може бути гідрологічно небезпечною, якщо відсутня система прийому талої води.

8. Мозаїчне снігозатримання

Замість одного великого накопичувача створюється мережа невеликих снігових кишень.

Вони розміщуються:

за низькими чагарниковими острівцями;

біля кам'яних ліній;

на широких стійких ділянках;

у невеликих природних пониженнях;

над інфільтраційними зонами;

далеко від лавинних шляхів.

Переваги мозаїчної системи:

вода розподіляється на великій площі;

зменшується максимальна глибина снігу;

танення починається неодночасно;

знижується паводковий пік;

зменшується ризик лавини;

підтримуються різні рослинні угруповання.

9. Вплив рослинності

Рослинність одночасно:

перехоплює падаючий сніг;

змінює швидкість вітру;

формує замети;

затінює поверхню;

знижує швидкість танення;

спрямовує талу воду до коріння;

перешкоджає ерозії.

Відкрита територія

На відкритій ділянці:

сніг сильніше переноситься вітром;

швидше нагрівається сонцем;

може швидко танути;

сильніше схильний до утворення крижаної кірки.

Чагарники

Чагарники:

добре затримують сніг;

формують невеликі вологі острівці;

захищають молоді рослини;

можуть ушкоджуватись важким мокрим снігом.

Ліс

Ліс:

перехоплює частину снігу кронами;

змінює його розподіл;

затіняє сніжний покрив;

може уповільнювати танення;

створює складну мозаїку відкритих та закритих зон.

Занадто густий ліс не завжди збільшує доступний водний запас: частина снігу залишається на кронах і може випаровуватися або сублімувати до потрапляння на землю.

10. Сонячна експозиція

Швидкість танення залежить від орієнтації схилу.

У Північній півкулі:

південні схили зазвичай одержують більше сонячної енергії;

північні зберігають сніг довше;

східні швидше нагріваються вранці;

західні отримують сильне післяполудне нагрівання.

Але реальна картина залежить також від:

хмарність;

вітру;

затінення;

висоти;

пилу на снігу;

рослинності;

місцевого рельєфу.

Проект має розподіляти сніг так, щоб весь запас не танув одночасно.

11. Пил та забруднення снігу

Темні частинки зменшують відбивну здатність снігової поверхні та прискорюють її нагрівання.

Джерелами можуть бути:

оголений ґрунт;

дорожній пил;

піщані бурі;

пожежі;

промисловість;

будівельні роботи;

зола;

ерозія схилів.

Тому захист ґрунту від вітрової ерозії одночасно допомагає зберігати сніг довше.

Сніг біля доріг також може містити:

сіль;

паливо;

частки шин;

важкі метали;

сміття.

Таку талу воду не можна автоматично направляти до джерельних зон або питних водозборів без оцінки забруднення.

12. Ущільнення та крижані шари

Протягом зими сніг змінює структуру.

У ньому можуть формуватися:

щільні вітрові плити;

крижані кірки;

пухкі слабкі шари;

насичені водою горизонти;

глибинна паморозь;

шари пилу.

Ці шари впливають на:

швидкість проходження води;

стійкість сніжного покриву;

ймовірність лавини;

момент початку стоку;

здатність снігу тимчасово утримувати дощову воду.

Крижана кірка на поверхні ґрунту може перешкоджати інфільтрації. У такому разі тала вода піде поверхнею навіть там, де ґрунт зазвичай добре вбирає опади.

13. Замерзлий ґрунт

Поведінка талої води залежить не тільки від снігу, а й стану ґрунту під ним.

Можливі три основні стани:

Немерзлий ґрунт

Вода може поступово проникати у ґрунт.

Частково замерзлий ґрунт

Інфільтрація відбувається нерівномірно через тріщини та талі ділянки.

Глибоко промерзлий ґрунт

Більшість талої води перетворюється на поверхневий стік.

Особливо небезпечне поєднання:

великого снігозапасу;

різке потепління;

дощу;

промерзлого ґрунту;

заблокованих льодом русел.

14. Весняне танення

Танення визначається не лише температурою повітря.

На нього впливають:

сонячне проміння;

хмарність;

вологість;

швидкість вітру;

теплий дощ;

температура ґрунту;

рослинність;

пил;

нічне повторне замерзання.

Поступове денне танення з нічним замерзанням зазвичай створює більш розтягнуту віддачу води.

Тепла хмарна ніч, сильний вітер та дощ можуть спричинити безперервне танення без нічної зупинки.

15. Дощ по снігу

Сценарій дощ на снігу є одним із найбільш небезпечних для гірського водозбору.

Під час такої події:

на сніговий покрив випадає дощ;

тепле вологе повітря передає снігу додаткову енергію;

сніг починає швидко танути;

дощ та тала вода об'єднуються;

сніжний шар насичується;

вода виходить на поверхню або в русла;

різко збільшується паводкова витрата.

Важкий дощ по снігу, що тане, може створювати раптові паводки, особливо при глибокому снігозапасі і високій вологості грунту.

При розрахунку враховуються:

запас SWE на початок дощу;

температура повітря;

температура дощу;

тривалість опадів;

швидкість вітру;

вологість повітря;

стан снігу;

ступінь насичення ґрунту;

наявність крижаної кірки;

пропускна спроможність русел.

16. Критичні сценарії

Для кожного снігового водозбору моделюються щонайменше такі ситуації.

Сценарій 1. Поступове весняне танення

Основний робочий режим.

Сценарій 2. Різке потепління

Швидке танення всіх висотних рівнях.

Сценарій 3. Теплий вітер

Прискорене танення та сублімація.

Сценарій 4. Дощ зі снігом

Підсумовування дощового та снігового стоку.

Сценарій 5. Дощ по снігу на промерзлому ґрунті

Мінімальна інфільтрація та високий поверхневий стік.

Сценарій 6. Танення після аномально-сніжної зими

Великий загальний запас води.

Сценарій 7. Танення після пожежі

Менше рослинності, більше пилу та швидший стік.

Сценарій 8. Танення з льодовими заторами

Блокування мостів та русел.

Сценарій 9. Танення з лавинним сходом

Різке переміщення снігу та деревини у нижню частину басейну.

17. Лавини як перенесення води

Лавина – це не лише небезпечний рух снігу. Вона також перерозподіляє воду усередині водозбору.

Лавина здатна:

видалити сніг із верхнього схилу;

накопичити їх у долині;

зламати ліс;

заблокувати русло;

створити тимчасову сніжно-льодову греблю;

затримати танення глибоко у завалі;

викликати пізню локальну повінь.

Лавинний сніг може зберігатися значно довше звичайного покриву через велику товщину і щільність.

Тому лавинні конуси включаються до водного балансу басейну.

18. Снігові карнизи

Карнизи формуються на підвітряних краях гребенів.

Вони небезпечні тому, що:

можуть раптово обрушитися;

ініціюють лавину;

змінюють розподіл снігу;

створюють навантаження край гребеня;

загрожують стежкам та дорогам;

після обвалення концентрують сніг в одній улоговині.

На потенційних ділянках карнизів не можна розміщувати:

дороги;

оглядові майданчики;

будівлі;

резервуари;

важливі датчики;

високі снігозатримуючі смуги без розрахунку.

19. Льодові затори

Взимку та навесні лід здатний перекривати:

струмки;

мости;

труби;

вузькі ущелини;

дорожні канави.

Після руйнування затору накопичена вода утворює різку хвилю.

Тому необхідно:

зберігати достатню ширину русел;

уникати малих труб;

контролювати вузькі переходи;

встановлювати рівніміри;

передбачати обхідний шлях води;

очищати критичні точки на початок активного танення.

20. Каскад талої води

Тала вода має проходити через послідовну систему.

Перший рівень - сніговий покрив

Тимчасове утримання води.

Другий рівень - рослинна підстилка

Уповільнення та фільтрація.

Третій рівень - ґрунт

Інфільтрація та підживлення ґрунтових вод.

Четвертий рівень - мікрозниження

Короткочасне накопичення.

П'ятий рівень - верхні струмки

Контрольований збір стоку.

Шостий рівень - схилові тераси

Уповільнення та повторний розподіл.

Сьомий рівень — долини та заплави

Прийом надлишкової води.

Помилка верхнього рівня повинна відразу передаватися в низину.

21. Сніг та харчування джерел

Тала вода особливо важлива для джерел, якщо:

сніг тане повільно;

ґрунт не промерз повністю;

існують проникні геологічні верстви;

відсутня швидке поверхневе відведення;

верхня зона не зруйнована дорогами;

вода не перекидається у сусідній басейн.

Для відновлення джерела необхідно враховувати як літні дощі, а й зимову область його снігового харчування.

Іноді водозбір джерела розташований значно вище і осторонь самого виходу води.

22. Сніг та болота

Гірські болота, вологі луки та торф'яні ділянки можуть приймати талу воду та віддавати її поступово.

Вони:

зменшують паводковий пік;

підтримують літню вологість;

фільтрують воду;

живлять струмки;

створюють середовище для рідкісних видів.

Але їх можна використовувати як нескінченний накопичувач.

Повністю насичене болото під час дощу снігом майже здатне прийняти додаткову воду.

23. Сніг та дороги

Гребінні та схилові дороги змінюють:

перенесення снігу;

положення дрейфу;

напрямок талої води;

глибину промерзання;

утворення льоду;

межі водозборів.

Дорожній насип може стати снігозатримуючим бар'єром, а канава - каналом талої води.

Необхідно заздалегідь визначити:

де утворюється замет;

де очищатиметься сніг;

куди складається прибраний сніг;

куди піде тала вода;

чи не забруднений сніг сіллю та паливом;

чи не заблоковано водопропускні споруди.

Скидати дорожній сніг безпосередньо в струмки та джерельні зони не можна.

24. Кероване продовження сніголежання

В окремих зонах корисно зберігати сніг довше.

Це досягається через:

затінення чагарниками;

північну експозицію;

збереження лісових острівців;

захист від сухого вітру;

зниження пилового забруднення;

мозаїчне накопичення;

захист снігових кишень від витоптування.

Такий підхід дозволяє продовжити надходження води у ґрунт.

Проте затримувати сніг над зсувними ділянками, дорогами чи будинками небезпечно.

25. Прискорене безпечне танення

Іноді, навпаки, слід зменшити небезпечний сніговий запас.

Це може знадобитися:

над критичною інфраструктурою;

біля лавинної кишені;

перед прогнозованим сильним дощем;

у зоні льодового затору;

біля нестабільного насипу.

Такі заходи потребують професійного рішення.

Не можна безконтрольно:

затемняти сніг;

руйнувати карнизи;

перенаправляти талу воду;

механічно скидати великі маси;

застосовувати хімічні реагенти у природному водозборі.

26. Моніторинг снігового покриву

Мережа спостереження включає:

снігомірні рейки;

автоматичні датчики висоти;

снігові подушки;

ручні снігові маршрути;

Вимір SWE;

метеостанції;

температурні профілі;

датчики вологості снігу;

камери;

супутникові знімки;

радар;

ЛіДАР;

дрони;

датчики температури ґрунту;

витратоміри струмків.

Одна точка виміру не представляє весь гірський басейн.

Необхідні станції:

на гребені;

на навітряному схилі;

на підвітряному схилі;

у лісі;

на відкритій території;

у улоговині;

біля лавинного конусу;

на різних висотах.

Національні системи снігового моніторингу також використовують поєднання наземних станцій, моделей та карток SWE для оцінки запасів води на рівні басейнів.

27. Цифровий двійник DREVO Snow

Сніговий модуль цифрового двійника містить:

карту снігопадів;

висоту сніжного покриву;

ПдЗ;

щільність;

температуру;

крижані шари;

вологість;

напрямок перенесення вітром;

зони видування;

зони накопичення;

карнизи;

лавинні шляхи;

мерзлий ґрунт;

прогноз танення;

прогноз дощу по снігу;

стан русел;

ризик заторів;

очікуваний гідрограф.

Модель повинна відповідати на запитання:

скільки води перебуває у снігу;

де саме вона розташована;

коли почнеться танення;

які ділянки почнуть танути одночасно;

скільки води вбереться;

скільки потрапить у русла;

де виникне максимальна витрата;

які низини може бути затоплено.

28. Система раннього попередження

Зелений рівень

Сніговий покрив стійкий, танення незначне.

Жовтий рівень

Починається активне денне танення, ґрунт зволожується.

Помаранчевий рівень

Очікується різке потепління або дощ по снігу.

Червоний рівень

Висока ймовірність повені, лавини, льодового затору або зсуву ґрунту.

Чорний рівень

Фактичний сход великої лавини, прорив затору чи швидке затоплення.

Попередження має враховувати не лише прогноз опадів, а й поточний SWE, стан ґрунту та заповненість водойм, що знаходяться нижче.

29. Зміна клімату

Снігові водозбори стають менш передбачуваними.

Можливі:

пізніше встановлення снігу;

раннє танення;

підвищення лінії снігопаду;

більше зимових дощів;

менше стійкого сніжного покриву;

частіші події дощу по снігу;

різкі переходи від морозу до тепла;

скорочення літнього харчування рік.

WMO відзначає скорочення снігового та льодового покриття у багатьох гірських регіонах та його вплив на доступність води та річковий стік.

Тому не можна проектувати систему лише за історичними середніми даними.

Необхідні сценарії:

малосніжної зими;

аномально сніжної зими;

теплої зими з дощами;

раннього танення;

пізнього снігопаду після початку вегетації;

декількох циклів замерзання та танення.

30. Чого не можна робити

У сніговому водозборі не можна:

оцінювати запас води лише за висотою снігу;

створювати один великий сніговий накопичувач;

встановлювати снігозатримуючі смуги без розрахунку талої води;

затримувати сніг над зсувом схилу;

перекривати лавинні шляхи будинками;

розміщувати дорогу під карнизом;

використовувати малі труби у місцях льодових заторів;

скидати забруднений дорожній сніг у струмки;

ігнорувати промерзання ґрунту;

вважати підвітряну сторону безпечною;

проектувати лише за середнім снігопадом;

забувати про дощ по снігу;

направляти весь весняний стік до одного каналу.

31. Послідовність проектування

Етап 1.

Визначаються зони випадання, видування, накопичення, лавин та танення.

Етап 2. Вимірювання снігозапасу

Оцінюються висота, щільність та SWE.

Етап 3. Розрахунок перенесення вітром

Визначається фактичний перерозподіл снігу між схилами.

Етап 4. Аналіз ґрунту

Перевіряються промерзання, інфільтрація та стійкість схилу.

Етап 5. Проектування накопичення

Створюються безпечні мозаїчні снігові кишені.

Етап 6. Проектування талого стоку

Визначається шлях води після танення.

Етап 7. Розрахунок екстремальних подій

Перевіряються потепління, дощ по снігу, лавина та льодовий затор.

Етап 8. Моніторинг

Система спостерігає за снігом протягом усієї зими.

Етап 9. Адаптивне керування

Після кожного сезону уточнюються карти накопичення та талого стоку.

Підсумковий принцип

Сніг – це верхній сезонний резервуар усього гірського водозбору.

Його необхідно розглядати одночасно як:

запас води;

захист ґрунту;

джерело весняного харчування;

рухому вітром масу;

навантаження на рослини та споруди;

фактор лавин;

джерело паводку;

елемент живлення джерел;

частина кліматичної стійкості.

Правильно організована снігова система:

розподіляє сніг за стійкими ділянками;

зменшує повне видування;

не створює небезпечних заметів;

продовжує надходження води;

підтримує ґрунт та джерела;

знижує весняний паводковий пік;

безпечно пропускає екстремальний надлишок.

Управління снігом закінчується не в момент його випадання, а лише тоді, коли тала вода безпечно проникла у ґрунт, поповнила підземні горизонти або пройшла через водозбір до річки та низини.