Метод прямого (полевого) определения лавинной опасности

В состав регулярных снеголавинных наблюдений входят изучение стратиграфии снежной толщи, замеры толщины снежного покрова, определение физико-механических свойств снега – плотности, временного сопротивления сдвигу и разрыву, твердости, предела прочности и др. Измерения проводятся в непосредственной близости от лавинных очагов на безопасных участках, имеющих по мере возможности, сходные с лавиноопасными склонами параметры (крутизна, экспозиция).

Простейшая статистическая обработка данных наблюдений позволяет установить эмпирические зависимости, позволяющие используя результаты измерений, определить возможность обрушения лавин (таб. 5). По мере накопления материалов строятся типовые совмещенные стратиграфические колонки и эпюры распределения прочностных характеристик по вертикальному профилю, сравнением с которыми оценивается степень лавинной опасности и определяется тип ожидаемых лавин [44].

Таблица 5

Эмпирические зависимости для прогнозирования лавинной опасности по данным зондирования конусным зондом [74]

Лавинными службами многих стран разработаны системы тестов устойчивости снежной толщи. В ходе тестов выявляются ослабленные слои и оценивается усилие, необходимое для сдвига и просадки снежного пласта на конкретном горном склоне (в лавинном очаге). При этом для оценки используются как количественные, так и качественные определения. Простейшие действия с применением подручных средств (лопата, лыжи) позволяют определить степень лавинной опасности на горном склоне не только специалистам, но и всем работающим и отдыхающим в горах. В ряде стран овладение тестами входит в обязательную программу обучения горнолыжных и альпинистских инструкторов. Повышенное внимание к таким тестам объясняется его направленностью на обеспечение безопасности тех категорий людей, которые составляют основную массу жертв лавинных катастроф.

Так называемый «тест лопатой» (Shovel Shear Test) [61] выполняется на вырезаемом в снежной толще блоке снега. Усилие, требуемое для отрыва вырезанного блока снега, оцениваемое качественно, является субъективным показателем устойчивости снега. На основании наблюдений делаются выводы о степени лавинной опасности склонов. Если снег очень неустойчив, то слабый слой отрывается сразу же, как только вырезаются все четыре грани блока. Если отрыва не происходит, то его можно вызвать, толкая блок лопатой вниз по склону.

В последние годы для испытания снега применяются «тест скользящего блока» (Rutschblock Test), разработанный специалистами Швейцарского института снего-лавинных исследований [70] и его модификации. Проверка снежного покрова на склоне выполняются лыжником на вырезанных в снежной толще блоках. Лыжник производит 7 определенных действий, располагаясь над блоком снега и перемещаясь по нему, последовательно увеличивая нагрузку. Испытания производятся до разрушения блока. Интерпретация полученных результатов – определение степени лавинной опасности – осуществляется в соответствии с разработанными в ряде стран стандартами [82]. В простейшем виде разрушение при 1-3 действиях означают нестабильное состояние снежного пласта на склоне, которое будет нарушено под действием лыжника; при 4-5 предполагается устойчивое состояние, однако отдельный лыжник может вызвать обрушение лавины; 6-7 – обрушение лавины лыжником маловероятно. Значительные размеры испытываемого блока (на порядок ближе к реальному снежному пласту на склоне) выгодно отличают данный тест от большинства других.

Тесты выполняются с определенной периодичностью на разных (экспозиция, крутизна) склонах, что позволяет выявить происходящие в снежной толще изменения и определить направленность процесса метаморфизма.

В то время как такие тесты часто дают довольно хорошие результаты, важно понимать, что на основании единичного теста не может определяться устойчивость всего склона. Результаты могут резко меняться в зависимости от того, на каком участке склона тест был выполнен. Сложности использования тестов для оценки лавинной опасности связаны с отсутствием учета веса лыжника-испытателя, субъективным определением прилагаемых усилий.

Из-за своей простоты и достаточно высокой надежности тесты устойчивости снежного покрова широко используются на практике для определения степени лавинной опасности. Результаты тестов учитываются как при локальном, так и фоновом прогнозе схода лавин различными методами.

Полевые наблюдения являются наиболее эффективным способом определения возможности обрушения лавин длительного развития.

Детерминистский метод

Измеренные значения характеристик снежного покрова используются для расчета устойчивости снежного покрова на склоне.

Эмпирическим путем получен ряд уравнений, позволяющих с использованием данных полевых измерений выявить критические для каждого слоя значения толщины вышележащего слоя снега, сцепления у нижней границы слоя, определить предельный для данных условий угол наклона склона. Включение в расчет метеорологических характеристик позволяет определить время наступления лавинной опасности (при предположении сохранения текущей погодной ситуации) [44].

Для ускорения расчетов критических величин и составления прогноза построены номограммы, позволяющие оценить состояние снежного покрова в полевых условиях.

Устойчивость снежного покрова можно оценить по результатам расчета распределения в нем механических напряжений. Такой расчет для снежного покрова с изменяющейся толщиной и значительной пространственной вариацией параметров, лежащем на горном склоне произвольной конфигурации и удерживаемом силой трения, которая нелинейно зависит от смещения снега относительно склона, является трехмерной и существенно нелинейной задачей и подразумевает большой объем вычислений. Вводом некоторых условий задача чаще всего сводится к двумерному решению [55]. Математические модели расчета устойчивости снега на склоне, основанные на анализе напряженного состояния снега могут быть использованы для прогноза лавинной опасности, однако в практике применяются крайне редко [26]. Причины заключаются в сложности получения характеристик состояния снега в лавинных очагах, значительных погрешностях их измерения, а также в невозможности экстраполяции полученных в одной точке данных на всю поверхность лавинного очага по причине значительной изменчивости строения и свойств снега.

В настоящее время это направление прогноза развивается в Центре лавинной безопасности ОАО «Апатит» в Хибинах. Расчет на основании разработанной модели определяет вероятность превышения порогового значения тензора напряжений в снежном покрове в лавинном очаге [55].

Детерминистский подход применяется для прогноза лавин из конкретного лавинного очага.

Невозможность проведения прямых измерений характеристик снежного покрова в зонах отрыва лавин стимулировала исследования физических процессов в снежном покрове и построение моделей его строения и эволюции. Первые такие модели [69, 75] использовали статистические связи и учитывали только отдельные факторы – снегонакопление во время снегопада, метелевый снегоперенос и скорость ветра, формирование слоя глубинной изморози. В 1983 г. Центр исследований снега (CEN) во Франции приступил к разработке новой программы по изучению развития снежного покрова. Детерминистская модель [65] оценивает энергетический и морфологический режимы снежной толщи. При моделировании рассчитываются теплопроводность снега, просачивание влаги, снеготаяние, учитываются фазовые превращения внутри снежной толщи и наиболее важные процессы метаморфизма снежных кристаллов. Принимаются во внимание радиационные и турбулентные потоки, поступающие на поверхность снежного покрова и геотермальный поток из подстилающего грунта. Результатом работы модели является рассчитанный профиль снежной толщи с распределенными по нему значениями температуры и плотности; выявляются неустойчивые слои. Проверка модели в разных районах Французских Альп дала удовлетворительные результаты, хотя отмечается недоучет влияния ветра [71]. Моделью не рассчитывается формирование на поверхности снежной толщи поверхностного инея и ледяной корки – важных факторов для возникновения лавинной опасности.

Математическое моделирование процессов тепло- и массопереноса в снежной толщи с учетом ее сложного слоистого строения получило развитие и в нашей стране. В настоящее время намечается проверка теоретически разработанной модели в полевых условиях в разных горных регионах.