Ученые Уральского федерального университета с китайскими специалистами разработали математическую модель для точного предсказания селевых потоков в горных регионах. Она поможет выявить критические пороги осадков и энергии рыхлого материала — количества мощности, аккумулированной в грунте, при превышении которого возникают перемещение, разрушение или изменение состояния грунта или горной породы (формируется сель). Новые расчеты значительно ускорят работу системы оповещения и спасут жизни. Исследование опубликовано в научном журнале PLOS One.
Студенты Института строительства и архитектуры УрФУ. В центре — руководитель исследований Никита Фомин. Слева и справа соавторы работы — Сяо Шотин и Ян Хао. Фото: пресс-служба УрФУ
«Селевые потоки представляют собой постоянную проблему для прогнозирования стихийных бедствий в горных регионах из-за их крайне непредсказуемых механизмов запуска, на которые может влиять множество факторов. Обычно системы оповещения полагаются только на осадки, но мы выявили: риск возникновения селей значительно возрастает, когда энергия рыхлого материала превышает 3 млрд Дж/м², а максимальные суточные осадки — 27 мм. При этом для возникновения селя необходимы оба условия: без первого фактора второй практически не приводит к событию. Благодаря нашему исследованию точность прогноза существенно повысилась: средняя ошибка составила всего 0,006%, что в 4000 раз меньше, чем у аналогичных моделей», — поясняет руководитель исследования, директор института строительства и архитектуры УрФУ Никита Фомин.
Математическую модель, учитывающую подвижную потенциальную энергию и общую энергию рыхлых отложений в селевых руслах, ученые апробировали на данных 159 селевых очагов в бассейне реки Нуцзян (провинция Юньнань, Китай). Исследования проводили на протяжении года. Анализ впервые помог выявить действующие закономерности: при энергии рыхлого материала (грунтов) >3,12 млрд Дж/м² риск возникновения селей возрастает в шесть раз. При этом снижение осадков с 29,5 мм до 27 мм уменьшает угрозу на 59%.
В зонах с высокой энергией рыхлого материала ученые рекомендуют дополнительно устанавливать датчики температуры и давления пара: эти параметры могут существенно усиливать риск образования селей при превышении локальных порогов (16°C и 15 гПа соответственно). В ближайших планах — адаптация модели для других регионов.
«Пороговые значения зависят от геологии, но подход универсален. Например, для Урала или Кавказа их можно рассчитать на местных данных», — отмечает Никита Фомин.
Полученная исследователями математическая модель (IKOA-CNN-BiGRU-Attention) превзошла 13 используемых эталонных моделей прогнозирования селей. Также, чтобы модель лучше обобщала новые данные и не переобучалась, ее проверили пять раз на разных частях данных, усредняя результат. При этом модель сохранила высокую стабильность в 50 повторных экспериментах, что доказывает надежность и практическую применимость полученных данных.
Справка
Сели — мощные грязекаменные потоки, которые возникают в горных районах. Состоят из воды, различных типов грунта, камней и валунов, доля твердых частиц может достигать 75%. У селей высокая скорость (от 2–3 до 10 метров в секунду, а иногда даже до 15 м/с), поэтому они крайне разрушительны. По данным исследования инженеров-геологов, глобальный ущерб от селей оценивается в 20 млрд долларов ежегодно. Горные регионы, особенно в развивающихся странах, несут непропорционально высокую нагрузку от селевых угроз из-за сложного рельефа, концентрации населения и инфраструктуры, а также ограниченного времени на эвакуацию (часто менее 30 минут). Традиционные системы оповещения, основанные только на порогах осадков, могут давать ложные оповещения в 26% случаев, новая модель сокращает ошибку до 0,006%.
Источник информации и фото: пресс-служба Уральского федерального университета
