Анализ прорыва плотины Сардобинского водохранилища на основе многолетних временных рядов радарных и оптических данных и методов моделирования

Прорыв 1 мая 2020 года плотины Сардобинского водохранилища, расположенного в бассейне реки Сырдарья на территории Узбекистана, привело к катастрофическому наводнению и затоплению больших площадей в Узбекистане и Казахстане с нанесением им существенного ущерба. Это вызвало большой резонанс и поставило вопрос о выяснении причин, приведших к этой катастрофе.
Свой вклад в выяснение возможных причин этого вносят и данные космического мониторинга. Этому способствует появлением в последние годы в свободном доступе оптических (Landsat-8, Sentinel-2А и 2В) и радарных (Sentinel-1А и 1В) данных среднего разрешения. Они появились как раз когда шло строительство, заполнение и начало работы водохранилища, которое вступило в строй в 2017 году, что позволило отследить эти этапы. Первые годы строительства (2010-2012) можно было наблюдать с помощью данных Landsat-5 и Landsat-7.
В октябре 2010 года стали уже проявляться первые контуры строительства, но тело плотины еще не фиксировалось, а в апреле 2011 уже проглядывалась северо-восточная часть тела плотины. В апреле 2012 фиксировалось строительство восточной части плотины. В декабре 2013 года вся северная и большая часть восточного тела плотины были закончены. В феврале 2014 года началось заполнение небольшой части северо-востока водохранилища, увеличившееся к ноябрю. К октябрю 2014 года была построена западная часть тела плотины как раз до места прорыва 2020 года, а 3 ноября уже фиксировалась вся западная часть плотины ниже и включая место прорыва. Это состояние плотины фиксировалось вплоть до 2 апреля 2015 года, и лишь 2 мая была зафиксирована часть плотины выше прорыва.
Что касается заполнения водохранилища, то здесь также есть интересная информация. К 20 мая 2015 года северо-западная часть водохранилища была заполнена как раз до места прорыва. В таком состоянии она пребывала и 13 июня 2015 года. При этом контур заполнения в точности совпадал с контуром после прорыва. Далее уровень заполнения уменьшался, но к декабрю 2015 года водохранилища опять было заполнено до уровня прорыва. Затем уровень стал чуть больше и продержался как минимум до конца июня 2016 года. Затем был существенный спуск воды, но к концу ноябрю уровень был опять близок к июньскому.
С 2017 года началась эксплуатация водохранилища, когда оно периодически заполнялось и спускалось примерно наполовину до уровня ниже прорыва. Следующий важный момент зафиксирован в 2020 году. Уже с 4 февраля уровень водохранилища превысил отметку 50 кв. км, а с 15 марта и до прорыва он был выше 55 кв. км. Это фактически на максимальном уровне.
Таким образом, анализ многолетних временных рядов радарных и оптических данных среднего разрешения позволяет сделать следующий вывод. Вероятными могут быть следующие причины или их совокупность. Западная часть тела плотины севернее прорыва была построена существенно раньше ее южной части ниже прорыва. Также часть севернее прорыва на несколько месяцев раньше была заполнена водой. В результате на стыке могли возникнуть деформации тела плотины, приведшие к прорыву. Возможно, также оказало влияние то, что перед прорывом уровень заполнения водохранилища был максимальным или близким к нему в течение длительного времени с начала февраля по конец апреля.
Проведено также исследование прорыва с помощью программы моделирования FLO-2D, свободно распространяемой в интернете. Здесь также использовались многолетние временные ряды поверхности заполнения водохранилища, которые позволили сформировать на базе SRTM рельеф его дна, а также построить кривую объемов водохранилища и оценить потери воды в результате катастрофы. В итоге получено, что до прорыва было 854 млн.м3, а после осталось 156 млн.м3, что близко к величинам, полученными в других работах. Кривая объемов водохранилища использовалась при моделировании как входные данные для расчета расходов воды в проране. Расходы воды в проране достигали большой величины (до 16000 м3/с), а это, к примеру, уже больше расходов такой реки как Ока в сильное половодье.
Выполнены сценарные расчеты характеристик затопления, опасности затопления и времени добегания для фактически случившегося прорыва водохранилища. Проведено сценарное моделирование прорывного паводка в случае, если бы проран сформировался в северной части плотины Сардобинского водохранилища. Показано, что данный сценарий значительно превосходит по опасности затопления фактически случившийся паводок. По результатам моделирования на основе программного комплекса FLO_2D для обоих сценариев были получены максимальные глубины затопления и скорости течения, время добегания и достижения максимальной глубины, оценена опасность затопления в баллах для территории, прилегающей к Сардобинскому водохранилищу, для каждого из сценариев за 7 суток от момента прорыва.
Максимальный расход по результатам расчетов при первом сценарии составляет 15900 м3/с и наблюдается через 3,2 часа от начала прорыва, при втором сценарии максимальный расход составляет 36 515 м3/с и наблюдается через 1,7 часа от начала прорыва.

Работы финансируются в рамках целевой программы BR05336383 Аэрокосмического комитета Министерства цифрового развития, инноваций и аэрокосмической промышленности Республики Казахстан.