Исследование географов МГУ поможет снизить ущерб от меганаводнений

Предсказать рекордные или исторические наводнения заранее практически невозможно. Это слишком сложный процесс, который охватывает не только природные, но и социально-экономические аспекты.  Новое совместное исследование коллектива  ученых из 30 стран Европы позволяет предположить, каким будет меганаводнение на той или иной реке. Это поможет проводить расчеты, спасать жизни людей и избегать катастрофических последствий от меганаводнений. В работе принимали участие сотрудники кафедры гидрологии суши географического факультета МГУ – Наталия Фролова и Мария Киреева. Итоги исследования опубликованы в журнале Nature Geoscience.

Под меганаводнениями понимаются экстремальные, исторические подъемы уровней воды, которые не наблюдались ранее на той или иной реке никогда. Чаще всего меганаводнения оказываются значительно выше предыдущих и порой превышают прошлые наблюдаемые максимумы в несколько раз. Такие катастрофические события ставят в тупик экспертов, застают врасплох власти и жителей самых разных регионов Европы и приводят к серьезным разрушениям и человеческим жертвам. Существующие методы анализа максимального стока рек основаны в основном на местной и региональной информации, они редко выходят за пределы национальных границ и не могут хорошо прогнозировать эти наводнения из-за ограниченности данных о меганаводнениях, которых бывает всего несколько в каждой стране. Также далеко не везде есть достаточные ряды гидрологических наблюдений, в которых обычно бывает не более 2-3 подобных событий. Ученые предположили, что процессы формирования наиболее экстремальных наводнений отличаются от аналогичных процессов для более мелких, чаще наблюдаемых явлений.  Именно эта идея стала основной гипотезой в проведенном исследовании.

В работе были проанализированы ряды максимальных расходов воды с более 8000 гидрологических постов по всей Европе за период с 1881 по 2021 годы. Средняя длина ряда составила 51 год, а площади водосборных бассейнов менялись в пределах от 1 до 800 000 км². Все реки были поделены на 5 групп, с одинаковыми условиями формирования водности. Затем было отобрано около 500 ключевых бассейнов, для которых проводился детальный анализ: в них были выделены 510 меганаводнений. Чтобы попытаться оценить возможность возникновения меганаводнения в каждом таком бассейне, были построены огибающие кривые для их регионов, основанные на соседних водосборах и включающие в себя данные до предшествующего меганаводнению года. Для каждого ключевого бассейна была выявлена группа «доноров» - водосборов со сходными условиями внутри региона.

Рис. 1. Меганаводнения в Европе. (a) Пять гидроклиматических районов: бореальный (фиолетовый), континентальный (синий), средиземноморский (оранжевый), альпийский (зеленый) и атлантический (красный). (b-f) Максимальные наблюдаемые модули стока воды (точки) и их осредненные значения (квадраты) за весь период наблюдений на каждом гидрологическом посту в зависимости от площади водосбора. Региональные огибающие кривые (толстые линии) и медианы региональных максимальных модулей стока (тонкие линии) за весь период наблюдений для каждого гидроклиматического региона. Кривые огибающей для двух 30-летних подпериодов (пунктирные линии для 1961-1990 годов, точечные линии для 1991-2020 годов). Цветными символами обозначены средние и максимальные паводковые расходы на 498 водосборах с недавними мегапаводками, серыми точками - для остальных водосборов. (g-j) Примеры рядов годовых максимальных модулей стока с мегапаводками (g и i) и без мегапаводков (h и j); их соответствующие средние значения (квадраты) соответствующие средние (квадраты) и максимальные значения (точки) выделены черным цветом (c) и (f). Расположение соответствующих постов обозначено в (а) кружками

Анализ показал, что меганаводнения происходят во всех регионах Европы, но наиболее часто они встречаются в атлантическом (8,7 % рек) и континентальном (7,2% рек) гидроклиматических районах (меганаводнения зафиксированы после 1999 г.) (рис. 1). При этом, в атлантическом регионе меганаводнения в среднем в 3 раза выше, чем в континентальном и средиземноморском, огибающие в разных регионах имеют различный угол наклона и отклонение. Все это объясняется различной природой формирования наводнения в разных гидроклиматических регионах.

Для анализа применимости метода переноса меганаводнений из соседних бассейнов были проведены расчеты для трех водосборов. Так, например, для одной из рек Австрии расчетный модуль стока получился 1,68 м³/с*км², в то время как историческое наводнение дало величину 0,74 м³/с*км². Таким образом, в контексте всего континента это наводнение 2002 г. не было сюрпризом. Похожая картина получилась с английской рекой Дервент и рекой Ахр в Германии.

Подобный анализ был проведен для 500 ключевых бассейнов и было доказано, что для 95,5% из них расход полученный по огибающей превышал наблюденное меганаводнение. То есть, если бы данная методология была применена ранее, на основе массива исторических данных каждого региона это катастрофическое событие можно было бы, если не спрогнозировать, то, как минимум, предположить.

Рис. 2 Прогнозное и наблюденное значение модуля максимального стока: (a) Прогнозный расход на основе удельной огибающей для 498 целевых водосборов по сравнению с наблюденным во время мегапаводков на тех же водосборах. Прогнозируемые огибающие расходы оцениваются по данным наблюдений за стоком в водосборных бассейнах-донорах за год до начала мегапаводка. Количество целевых мегапаводков показано на вставке для всего периода ("all") и двух подпериодов 1961-1990 годов ("P1") и 1991-2020 годов ("P2"). Цветами обозначено отношение наблюдаемого и прогнозируемого стока в изучаемых целевых водосборных бассейнов (b). Мегапаводки происходят по всей Европе и не так удивительны, как принято считать, чем принято считать (c) Круговое распределение времени мегапаводков, наблюдавшихся в целевых водосборах (черные линии) и средние сроки 10 крупнейших наводнений в донорских водосборах (цветные точки) в водосборах-донорах (цветные точки) и их распределение (коричневые линии). Расстояние от точек до центра обратно пропорционально стандартному отклонению времени наводнения.

Применив этот метод исследования, авторы работы попытались на основе проведенного анализа сделать прогноз меганаводнений для двух периодов. Для этого были привлечены данные для 151 и 188 бассейнов в более раннем и более позднем периоде соответственно (рис. 2).

Подводя итог, можно сказать, что работа подтвердила основополагающую концепцию исследования, заключающуюся в том, что водосборные бассейны со схожими процессами формирования наводнений приводят к сходным выбросам. Это вселяет оптимизм, так как при преодолении национальных границ и изучении опыта меганаводнений на всем континенте можно опередить события и предположить, каким будет меганаводнение на той или иной реке. Это поможет проводить расчеты, спасать жизни людей и избегать столь катастрофических последствий от меганаводнений, как это происходит сейчас.