Специалисты Уральского федерального университета совместно с китайскими коллегами создали математическую модель, позволяющую точно прогнозировать селевые потоки в горных районах. Модель поможет определить критические значения осадков и энергии рыхлого материала – показатели, характеризующие запас потенциальной энергии в грунте, при превышении которых происходит смещение, разрушение или изменение состояния грунта или горной породы, приводящее к формированию селя. Данные расчеты позволят существенно сократить время реагирования системы оповещения и помогут предотвратить человеческие жертвы. Исследование опубликовано в научном журнале PLOS One.
«Селевые потоки являются серьезной проблемой для прогнозирования стихийных бедствий в горных районах, поскольку их образование определяется сложными и труднопредсказуемыми факторами. Традиционные системы оповещения часто основываются исключительно на данных об осадках, однако наше исследование показало: вероятность возникновения селей значительно увеличивается, когда энергия рыхлого материала превышает 3 млрд Дж/м², а суточные осадки достигают 27 мм. Для формирования селевого потока необходимо одновременное наличие обоих факторов, поскольку без первого из них даже значительные осадки не приводят к событию. По словам руководителя исследования, директора института строительства и архитектуры УрФУ Никиты Фомина, благодаря нашему исследованию точность прогнозирования существенно улучшилась: средняя ошибка составила всего 0,006%, что на 4000 раз меньше, чем у существующих моделей.
Для проверки математической модели, которая учитывает подвижную потенциальную энергию и общую энергию рыхлых отложений в селевых руслах, исследователи использовали данные, собранные на 159 селевых очагах в бассейне реки Нуцзян (провинция Юньнань, Китай). Годовые исследования позволили впервые выявить определенные тенденции: если энергия рыхлого материала (грунтов) превышает 3,12 млрд Дж/м², вероятность возникновения селей увеличивается в шесть раз. Кроме того, уменьшение количества осадков с 29,5 мм до 27 мм снижает риск на 59%.
В районах с высокой энергетикой рыхлых пород специалисты советуют дополнительно устанавливать датчики температуры и давления пара, поскольку эти показатели способны значительно повышать вероятность образования селей при выходе за пределы определенных значений (16°C и 15 гПа). В ближайших планах — адаптация модели для других регионов.
«Никита Фомин подчеркивает, что, несмотря на зависимость пороговых значений от геологических условий, общий метод расчета остается применимым. Так, для таких регионов, как Урал или Кавказ, их можно определить, используя локальные данные.
Разработанная исследователями математическая модель (IKOA-CNN-BiGRU-Attention) показала лучшие результаты по сравнению с 13 эталонными моделями, применяемыми для прогнозирования селей. Для обеспечения хорошей обобщающей способности и предотвращения переобучения модель была протестирована пять раз на различных выборках данных с последующим усреднением результатов. В ходе 50 повторных экспериментов модель продемонстрировала высокую стабильность, что подтверждает надежность и возможность ее практического использования.
Справка
Сели — это мощные потоки, формирующиеся из грязи и камней в горах. Они состоят из воды, грунта разных типов, камней и валунов, причем доля твердых включений может составлять до 75%. Сели характеризуются высокой скоростью движения (от 2–3 до 10 метров в секунду, а иногда и до 15 м/с), что делает их крайне разрушительными. 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%.