Скажем немного об экологии омывающих Петербург вод в связи со строительством защитных сооружений. Именно этот вопрос оказался самым болезненным, когда в середине 1980-х гг. стало возможным его обсуждение. Для полного ответа на него нужны систематические измерения химических и биологических элементов и их анализ. Но организация и проведение контроля окружающей среды вокруг большого города требуют значительных финансовых и технических средств. В настоящее время осуществляется лишь небольшая доля необходимых работ. Заметим, руководствуясь здравым смыслом, что никакая разумно спроектированная дамба сама по себе не способна нарушить экологию региона. За исключением, конечно, периода строительства, когда неизбежны взмучивание вод, нарушение потоков донных осадков, изменение очертаний берегов и рельефа дна. Но строительство в загрязненном от стоков огромного города водоеме, каким являются устьевая область Невы и Невская губа, может привести к самым неблагоприятным результатам: появлению застойных зон, перераспределению потоков примесей и прочим явлениям. Эти соображения подтвердили многочисленные расчеты гидродинамическими методами, выполненные в 1980-х – начале 1990-х гг. Вся беда в том, что вода в Петербурге от самого его основания никогда не была совершенно чистой. "Строитель чудотворный" издавал указы: "…никакого сору и помету на Неву не бросать", но исполнять их "при великом поспешании" не удавалось. О санитарном состоянии вод в начале XX в. говорилось выше. В советский период санитарное состояние города отступало перед грандиозными задачами социалистического строительства и обороны страны. Да и теперь, когда столько разговоров об экологии, полная чистота окружающей среды недостижима. Задача состоит в соблюдении оптимальных соотношений между технологиями и экологией.
Столь же непростым и противоречивым является экономический аспект проблемы гидротехнической защиты Петербурга от наводнений. Здесь главной оказывается заинтересованность людей, их замыслы и намерения, порой небескорыстные. Научно обоснованных объективных экономических исследований по этому вопросу практически нет. Ведомственные технические отчеты рассматривали потери от наводнений, но полная объективная картина не получалась. Относительно правдивой была, пожалуй, экономическая оценка наводнения 1924 г. Условия новой экономической политики, введенной тогда властью, принуждали к учету и контролю. Ущерб от наводнения оценили в 130 миллионов рублей, что составило 10 процентов стоимости основных фондов ленинградской промышленности. С начала 1930-х гг. сведения об убытках от стихии стали упоминаться все реже, а в послевоенные годы вовсе замалчивались. Приступив к проектированию защитных сооружений, ущерб от наводнений, как правило, преувеличивали, а стоимость строительства занижали.
В 1970-е гг. автор, будучи причастным к исследованиям "по дамбе", стал свидетелем ряда курьезов экономического свойства. Приведу лишь два. Проектировщики просили исполком Петроградского района оценить ущерб от наводнений, но представленными результатами остались недовольны. После краткого совещания было решено увеличить названные суммы в десять раз, что и было принято…
Приближенные экономические оценки в проблеме наших наводнений сохраняются до сих пор. На совместной российско-нидерландской выставке "Угроза наводнений в Санкт-Петербурге и аналогия с Нидерландами" в сентябре 2000 г. приводилась переписка директора Эрмитажа с вице-губернатором города. Указывалось, что "при подъемах воды до 260 см в музее убытков нет, до 300 см они минимальны, до 400 см – 30 миллионов рублей, до 450 см – 150 миллионов. Но ущерб может составить 45 миллиардов рублей, если наводнение высотой 400 см и выше не будет предсказано хотя бы за 24 часа".
Обратим внимание на приведенную выше проектную высоту дамбы -8 м, значительно превышающую высоту самых редких наводнений. Получается, что гидротехники существенно перестраховались. А ведь каждый сантиметр высоты такого сооружения – большие деньги. Как согласовывались в проекте расчеты редких событий с гидротехническими и экономическими расчетами, объяснить, пожалуй, трудно. Впрочем… Финансово-экономические проблемы слишком затрагивают интересы людей. В отличие от проблем естественно-научных, гидрометеорологических, в частности, которые по сути своей объективны и лишены дурных умыслов…
И последнее. Самая замечательная дамба и самое правильное ее использование не защитят Петербург от штормовых ветров вообще и вызывающих наводнения в частности. Часто приходится слышать об убытках и даже жертвах от ветров. Но ограждать себя от воздушной стихии люди пока не научились…
Прогнозирование наводнений
…Опыт, сын ошибок трудных.
А.С. Пушкин
Никакая рукотворная защита не исключает необходимости предсказания наводнений. Более того, правильная эксплуатация защитных сооружений повышает требования к прогнозу. Только оба способа противостояния стихии – гидротехническая защита и надежный прогноз – способны спасти человеческие жизни и до минимума сократить ущерб.
Синоптический (эмпирический) прогноз. Какое бы направление ни принимали исследования петербургских, да и любых других наводнений и стихийных бедствий, они всегда сводились к проблеме заблаговременного и возможно более точного предсказания. Опыт и знания накапливались постепенно. Плодом многих и долгих усилий стала представленная выше схема причин и механизма явления. Она позволяла в самом общем виде предупреждать об угрозе наводнений. Затем перешли к количественным прогнозам, сначала основанным на простых зависимостях, а в последние годы – и на математической теории. Современное состояние проблемы предсказания наводнений в Петербурге характеризуется применением различных методов, что позволяет достаточно надежно предупредить город об опасности.
Петербургский гидрометеорологический центр работает круглосуточно, без праздников и выходных. Сюда по различным линиям связи поступают данные с метеостанций всего северо-запада России, Европы и Америки. Вся информация наносится на карты, удобные для обозрения. Каждые три-шесть часов она обновляется. На картах, а с недавнего времени и на экранах компьютеров видны циклоны и антициклоны, области осадков и сильных ветров, зоны раздела воздушных масс с различными свойствами. Работа синоптика – обычно в ней участвует группа из нескольких специалистов – состоит в обзоре и сопоставлении таких положений. "Синоптик" в переводе с греческого и означает "одновременно обозревающий". Он обнаруживает тенденции к изменению метеорологических ситуаций и предсказывает новые.
Работу петербургских синоптиков спокойной не назовешь. Всем известны причуды нашей погоды. "Петербург – это Голландия и Сибирь, сошедшиеся у Финского залива" (И.И. Лажечников). "Одни образцом непостоянства считают женщину, другие – мужчину, но всякий петербуржец отметит, что всего переменчивее наша атмосфера" (К. Прутков). Наиболее беспокойны осень и начало зимы. В это время основное внимание синоптиков обращено на запад, откуда чередой идут циклоны. Каждый из них чреват наводнением. Справедливо заметил известный метеоролог Д.О. Святский после потопа 1924 г.: "Любой шторм в Атлантике должен вызывать сугубую тревогу в Ленинграде…"
Сейчас в распоряжении синоптика-прогнозиста компьютеры и электронные средства связи с самыми различными сведениями о погоде на обширных пространствах у поверхности суши, моря, океана и на многих высотах над ними. Немало данных и о состоянии моря, хотя их несравненно меньше, чем о погоде. Но не только обзором текущей информации и раскладыванием пасьянса из синоптических карт занят синоптик-прогнозист. Он опирается также на почти трехвековой опыт наблюдений и исследований петербургских наводнений. Когда угроза наводнения становится реальной, синоптик обращается к простенькой формуле, на вывод которой ушло более двух столетий. При этом потребовалось рассмотреть десятки случаев наводнений различной высоты и характера при разных гидрометеорологических условиях, использовать сотни синоптических карт с траекториями циклонов, учесть влияние ветра, вычислить соотношения между максимальными уровнями воды в устье Невы и в других пунктах (см. таблицы и графики в главе "Причины и механизм петербургских наводнений").
По этой формуле максимум наводнения в устье Невы вычисляется по максимуму подъема уровня в Таллинне, который в среднем наступает на шесть часов раньше и бывает, также в среднем, в два с половиной раза ниже. По зависимости уровня воды в устье Невы от скорости и направления ветра над Финским заливом за предшествующие три– шесть часов была рассчитана "ветровая добавка" к чисто волновому нагону. Метод прогноза оказался на удивление простым, дешевым, удобным, быстрым. Получив сообщение из Таллинна о максимальном подъеме воды, нужно умножить это значение на 2,5, сложить с "ветровой добавкой", полученной по синоптической карте, – и прогноз с шестичасовой заблаговременностью готов. Можно объявлять штормовое предупреждение, оповещать Смольный или Мариинский дворец, мэрию или исполком, комиссию по стихийным бедствиям или штаб по чрезвычайным ситуациям…
В действительности же составление прогнозов наводнений и принятие решения об угрозе бедствия очень и очень непростое занятие. Привлекательность изложенного метода во многом общая, имеющая статистический смысл. Ведь каждое наводнение неповторимо. В каждом свое соотношение уровней в Таллинне и Петербурге, как по высоте, так и по времени, в каждом своя траектория циклона, свой ветер над заливом. И недостаточно следить только за эстонской столицей. Она избрана опорным пунктом как расположенная у входа в Финский залив и потому наиболее приемлемая. Но в ряде случаев таким пунктом оказывается другая станция. Иногда – в случае сейшей – уровень воды достигает максимальных значений почти одновременно на нескольких станциях. Опрометчиво пренебрегать любой информацией, нельзя действовать по шаблону. Для конкретного сегодняшнего прогноза и принятия решения требуются, следовательно, немалый опыт, просчет вариантов, внимание к деталям. Причем все должно выполняться быстро, ибо нет ничего нелепее запоздалого прогноза…
Приведем примеры синоптических эмпирических прогнозов в трех случаях наводнений.
В первой половине дня 28 сентября 1975 г. внимание синоптиков привлек циклон, едва образовавшийся над Датским королевством. Далее он развивался почти по вышеизложенной схеме, изображенной на графике (см. с. 116). Днем угроза наводнения стала реальной. В 17 часов 20 минут был выдан прогноз: "В 22-24 часа ожидается повышение уровня воды в реке Неве до 130-160 см над ординаром. Возможны уточнения о более значительном подъеме". Первое уточнение последовало через три часа, когда вода в Ристне – 520 км от Ленинграда – прошла пик и пошла на спад: "К 2-4 часам 29 сентября уровень в Неве поднимется до 200-250 см над ординаром". Синоптики видели, что циклон развивается почти по классической схеме, что "длинная волна" уже сформировалась. Они, заботясь о максимальной заблаговременности прогноза, не стали дожидаться ее прихода в предусмотренный инструкцией Таллинн. И все же в половине второго ночи 29 сентября, когда гребень волны прошел через остров Гогланд (190 км от Ленинграда), было выдано второе уточнение: "В 3-4 часа ожидается подъем уровня до 250-270 см".
Пик в Ленинграде у Горного института наступил в 4 часа 29 сентября, достигнув отметки 270 см над ординаром (тогда отсчеты производились еще от этого горизонта) или 281 см над нулем Кронштадтского футштока. До сих пор это наводнение остается пятым по высоте среди 323 случаев в истории города. Итак, почти за одиннадцать часов до события синоптики ошиблись на 110-140 см по высоте и на 4-6 часов по времени; почти за восемь часов – на 20-70 см и 0-2 часа; за два часа до пика, когда набережные и многие улицы уже покрылись водой, прогноз, нужда в котором уже почти отпала, содержал ничтожные погрешности: 0-20 см по высоте и 0– 1 час по времени. Подчеркнем, что, согласно требованиям службы прогнозов стихийных бедствий, приведенные результаты относятся к удовлетворительным, особенно прогноз с семи-восьмичасовой заблаговременностью (первое уточнение). За это время было много сделано для предотвращения жертв и убытков.
А вот пример совершенно неудачного прогноза. В середине ноября 1978 г. над Балтийским морем сериями проходили глубокие активные циклоны с Атлантики. 15 ноября в Ленинграде произошло наводнение, едва не достигшее особо опасной отметки (см. главу "Памятные наводнения").
Сохранялась угроза дальнейших подъемов воды. 16 ноября около полудня по радио объявили штормовое предупреждение: "Сегодня в 18-20 часов ожидается катастрофическое наводнение высотой до 3,5 м". Но вода поднялась только до 147 см. Город вздохнул с облегчением, хотя ложная тревога потребовала немалых затрат и усилий. Синоптики огорчились, зато у сторонников строительства дамбы появился лишний довод в свою пользу. Дескать, гидротехническая защита тем более необходима, поскольку метеослужба ошибается. Довод слабый и недальновидный, ибо правильное функционирование сооружений невозможно без прогноза наводнений.
Наконец, о прогнозе недавнего наводнения – 15 ноября 2001 г. Опасную ситуацию создал циклон, пришедший с севера Ботнического залива и следовавший на юго-восток. Синоптики называют такие циклоны "ныряющими". Они не вызывают четко выраженной "длинной волны", что затрудняет слежение за формированием и развитием нагона. Основную опасность в таких случаях представляет ветер. Прогноз осложнялся неполной информацией об уровне воды на станциях прибалтийских стран. Тем не менее около полудня по радио объявили штормовое предупреждение о возможности наводнения с максимумом 160-190 см в 18-19 часов. Фактический максимум составил 216 см и наступил в 18 часов 15 минут. Прогноз с заблаговременностью более шести часов оказался, следовательно, практически точным по времени наступления пика, а ошибки по высоте составили 25-55 см. Совсем неплохо по прогностическим нормативам.
Эмпирические, то есть основанные на опыте, методы непременно присутствуют в любых исследованиях. Им свойственны свои преимущества и недостатки, они реализуются путем проб и ошибок. Их соотношение с теорией и практикой всегда являлось важной проблемой познания окружающего мира. Альберт Эйнштейн, физик-теоретик, высоко отзывался о таких методах: "Ни один ученый не мыслит формулами… В минуты кризисов воображение важнее знаний… Гений – это интуиция…" Довольно удачно, хотя и менее серьезно, отозвался как-то о таких методах участник обсуждения далеких от нашей темы вопросов парусного спорта: "Проектирование яхт похоже на роман с женщиной. Поскольку теория не разработана, остается только эмпирический подход. Даже если мужчина может похвастаться на этом поприще, он чаще всего не имеет никакого понятия о причинах своего успеха".
Гидродинамический метод прогноза
Данные измерений уровня воды в Балтийском море и Финском заливе показывают, что наводнения представляют собой волны, горизонтальные размеры которых значительно превосходят глубину бассейна. Эта особенность наводнений позволяет применить к их изучению один из самых развитых разделов гидродинамики – теорию "длиных волн на мелкой воде". Фундаментальная формула этой теории для скорости волны, зависящая только от глубины водоема (учитывается также постоянная величина – ускорение свободного падения), приводит к значениям, очень близким к эмпирическим, получаемым из наблюдений.
Основы теории "длинных волн" разработаны трудами великих ученых – И. Ньютона, Д. Бернулли, Л. Эйлера, Ж. Лагранжа, П.-С. Лапласа. С ее помощью более двух веков назад получены замечательные результаты в исследовании морских приливов, включая необходимое для практики их предвычисление. С 1950-х гг. приложения теории "длинных волн на мелкой воде" распространились на изучение морских наводнений, сейшей, приливов, речных половодий и паводков. В начале 1960-х гг. ее применили к прогнозу наводнений в Ленинграде.
Популярное изложение математической теории – занятие неблагодарное и, строго говоря, невозможное. Нельзя в полной мере сочетать научную строгость, воплощенную в математической теории, с доступностью популярного изложения. Нельзя исчерпывающе объяснить математическую задачу простым языком, но передать общий смысл в какой-то степени можно, что мы и попытаемся исполнить ниже. Однако необходимо помнить, что у математики свой язык, совершенно отвлеченный, не похожий ни на какой другой. На этом языке люди научились кратко и содержательно излагать характер окружающих нас природных явлений. С помощью математического языка решаются конкретные научные и технические задачи, для которых известны исходные положения и поставлены конечные цели.
Инженеры-практики, и синоптики в том числе, пользуются расчетными формулами, соотношениями, зависимостями, в самом общем виде представляя себе, что весь их рабочий аппарат основан на небольшом числе фундаментальных теорий и уравнений математической физики, статистической термодинамики, гидро– и аэромеханики. В нашем случае гидродинамическая теория "длинных волн на мелкой воде", выраженная математическим языком в виде уравнений, позволяет преобразовать определенный набор исходной информации в интересующий нас прогностический результат. Попытаемся популярно изложить эту процедуру, опуская математическую постановку задачи и способы ее решения.