В проблеме борьбы с наводнениями гидрологии принадлежит исключительно важная роль, поскольку первопричиной их в большинстве случаев оказываются гидрологические явления, которые она изучает.
При разработке мероприятий по активной борьбе с наводнениями задача гидрологов состоит в обеспечении их исходными гидрологическими характеристиками, позволяющими определять параметры защитных гидротехнических сооружений.
Гидрологам при проектировании противопаводочных водохранилищ приходится решать ряд сложных научных и инженерных задач. Например, для определения их полезной емкости, размеров водопропускных отверстий, порядка наполнения и сра-ботки необходимо знать ход притока воды в течение всего периода прохождения катастрофического паводка или половодья. При этом во многих случаях возникает такое положение, что на данной реке, в пределах срока проводимых на ней гидрологических наблюдений, эти явления не были зарегистрированы. Между тем изучение речного бассейна и факторов, способствующих формированию в реке наводнений, показывает, что при определенной гидрометеорологической и синоптической ситуации на ней может возникнуть катастрофическое наводнение весьма редкой повторяемости. Ориентируясь на такое не наблюдавшееся, но возможное наводнение, надо определять полезную емкость водохранилища и размеры водосбросных отверстий плотины и вместе с тем гарантировать их безопасность на достаточно длительный период. (В понятие безопасности включается не только безопасность самой плотины, но и людей, а также материальных ценностей, которые могут пострадать в результате ее аварии.)
При определении размеров водосбросных отверстий плотин проектировщик лишен возможности принимать за расчетный максимальный расход воды, фактически наблюдавшийся на данной реке. У него никогда нет полной уверенности, особенно при коротких рядах гидрологических наблюдений, в том, что именно этот расход является наибольшим и не может быть превышен. Гидрологический расчет позволяет установить лишь ожидаемый максимальный расход определенной обеспеченности (повторяемости). Величину расчетной обеспеченности обычно принимают на основании норм проектирования.
Знание особенностей формирования катастрофических половодий и паводков, их длительности, максимальных расходов воды, проходящих при этом в реке, и соответствующих им уровней необходимо при разработке технических мероприятий для увеличения пропускной способности речного русла, при сплошном его обваловании, при расчете высоты дамб и расстояния между ними. Ответ на вопросы, возникающие при решении подобных задач, также дают соответствующие инженерные гидрологические расчеты.
Для уменьшения ущерба от наводнений у объектов, не имеющих защитных сооружений, решающая роль принадлежит гидрологическому прогнозу, задача которого — предсказать размеры ожидаемых затоплений, величину максимального уровня, время начала подъема уровня воды в реке, скорость его подъема.
Гидрологический прогноз катастрофического половодья или паводка является основанием для всей организационно-технической деятельности местных, районных и областных противопаводочных комиссий. Все гидрологические прогнозы, выпускаемые в СССР органами Гидрометслужбы, делят на водные и ледовые.
Задача водных прогнозов в борьбе с речными наводнениями изложена выше. Назначение ледовых прогнозов — предвычисление времени появления льда на водных объектах и их замерзания, толщины льда, сроков вскрытия и освобождения ото льда, заторных и зажорных явлений.
По признаку заблаговременности выпуска гидрологических прогнозов их делят на долгосрочные и краткосрочные. К долгосрочным относят прогнозы, выпускаемые с заблаговременностью в 30, 60 и более суток, к краткосрочным — все прогнозы меньшей заблаговременности, выпускаемые за 5—10 дней до наступления прогнозируемого явления.
Период половодья на реках является особенно ответственным для гидрологов Гидрометслужбы. В это время они внимательно и непрерывно следят за ходом и интенсивностью снеготаяния, повышением уровня воды в реках, характером ледохода, с тем чтобы при возникновении на реке угрожающего положения немедленно уведомить о нем заинтересованные организации и оперативно отвечать на все запросы последних. Для получения оперативной информации о перечисленных гидрологических явлениях гидрологи, помимо наблюдательной гидрометрической сети, насчитывающей около 7000 пунктов наблюдений, широко используют данные гидрологической авиаразведки и соответствующую информацию с метеорологических спутников. На основании этих сведений гидрологи определяют количество оставшегося в речном бассейне снега, устанавливают размеры затоплений, скорость роста последних, место и мощность ледовых заторов и т. п.
Достаточно заблаговременные гидрологические прогнозы позволяют своевременно эвакуировать население и материальные ценности, организовать защиту от затоплений отдельных объектов посредством оперативного обвалования и, тем самым, значительно снижают ущерб от наводнений.
Проблема заблаговременного предвидения половодий, паводков, ледохода и других гидрологических явлений давно привлекала ученых. Однако только в самое недавнее время, с тех пор как гидрология из описательной науки стала превращаться в науку, изучающую и открывающую законы жизни рек и способную математически описывать и численно выражать гидрологические явления, появилась возможность их предвычисления (научного предвидения), то есть составления гидрологических прогнозов.
Прогнозирование гидрологических явлений усложняется тем, что для многолетних колебаний речного стока характерна смена циклов многоводных и маловодных лет, не имеющих строго активности и связанных с ней климатических процессов и процессов циркуляции атмосферы. Продолжительность циклов различной водности составляет по времени от 2 до 8, реже до 20 лет. В разных районах нашей страны за одни и те же периоды наблюдается противоположный характер циклических колебаний стока. Например, маловодному циклу 1935—1950 гг. в бассейне Волги соответствовал период повышенной водности в бассейне Оби. Очень большую амплитуду колебаний имеют значения максимальных расходов воды в реках в годы различной водности, особенно в районах южных широт и вечной мерзлоты.
Гидрологические расчеты и прогнозы усложняются вековыми колебаниями климата и связанными с ними колебаниями увлажненности материков, а также наблюдаемыми в настоящее время изменениями климата под влиянием антропогенных факторов и других причин. Проследить вековые изменения климата важно, так как, зная эти изменения, можно подробнее разобраться в таких связанных с ними явлениях, как катастрофические наводнения, засухи, наступление ледников и др.
Вследствие сложности гидрологических явлений и больших трудностей, возникающих при организации и постановке точных и детальных измерений гидрометеорологических элементов на обширных территориях речных водосборов, гидрологи не располагают возможностями выполнять гидрологические расчеты с большой точностью.
Роль метеорологии. Гидрологический прогноз в значительной степени базируется на прогнозе погоды, ибо погода во многом определяет ход и интенсивность гидрологических явлений и процессов, вызывающих наводнения. От нее зависят величина осадков и их интенсивность, скорость таяния снега и ледников в речных бассейнах, ледовая обстановка на реках, потери поверхностного стока на инфильтрацию в почву и т. д. Для решения проблемы долгосрочного прогноза погоды необходимо прежде всего всестороннее и глубокое изучение закономерностей взаимодействия океана и атмосферы и механизма воздействия солнечного излучения на процессы, происходящие в атмосфере. Наши ученые ведут исследования по этим направлениям как самостоятельно, так и совместно с зарубежными учеными, в рамках международного сотрудничества. Наша страна является одним из инициаторов создания и участником Всемирной службы погоды (ВСП). ВСП открывает большие возможности для повышения точности и заблаговременности прогнозов погоды. В СССР в настоящее время работает созданный на базе Центрального института прогнозов Гидрометцентр в Москве, являющийся одним из трех мировых центров погоды в системе ВСП. На территории нашей страны, кроме .того, функционируют три региональных гидрометцентра — в Новосибирске, Ташкенте, Хабаровске, десятки территориальных (республиканских или межобластных) бюро погоды, гидрометеорологических обсерваторий на водохранилищах и в крупных портах, областных гидрометбюро, авиаметеостанций в аэропортах, сеть метеорологических станций, ведущих непрерывные наблюдения за погодой в определенные часы суток. Одновременно наблюдения за погодой, синоптической обстановкой и циркуляцией атмосферы в глобальных масштабах для целей прогноза погоды ведут советские метеорологические спутники, по нескольку раз в сутки обозревающие нашу страну и планету, корабли погоды. Для этой цели созданы и уже на протяжении многих лет работают советские арктические и антарктические станции.
Для разгадок тайн погоды проводятся специальные эксперименты в глобальных масштабах по программам ПИГАП (Программы исследования глобальных атмосферных процессов). Среди них особое внимание уделяется Полярному эксперименту, поскольку полярные льды, будучи продуктом взаимодействия атмосферы и океана, в значительной мере регулируют обмен теплом и влагой между океаном и атмосферой.
С развитием науки о погоде и появлением таких технических средств, как метеорологические спутники, резко возрос объем получаемой информации. Возникшую диспропорцию между количеством полезной информации и возможностями ее использования можно преодолеть только созданием автоматических систем сбора и обработки информации. Создание такой системы у нас в стране началось. Когда оно будет завершено, территорию Советского Союза покроет сеть автоматических метеорологических станций и обсерваторий. В космосе будут находиться и круглосуточно „осматривать поверхность земного шара несколько искусственных спутников. В крупных республиканских и областных центрах станут работать автоматизированные региональные и территориальные центры, оснащенные современными быстродействующими ЭВМ. Все станции, обсерватории и центры будут связаны между собой скоростными линиями связи, работающими в 10—20 раз быстрее современного телеграфа.
Тысячи автоматических станций и постов, в том числе гидрологических, сотни метеорологических локаторов и пунктов радиозондирования атмосферы, электронные вычислительные машины и искусственные спутники Земли будут работать, как один живой организм, по единому расписанию. Это — завтра службы погоды нашей страны. С созданием этой системы появится возможность достаточно точно и достаточно заблаговременно предсказывать явления погоды, а следовательно, и гидрологические явления. Существенно повысится и точность гидрологических расчетов, что безусловно облегчит и значительно удешевит борьбу с речными наводнениями.