Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Взаимосвязь термического режима таликов речных долин и открытых водотоков

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Взаимосвязь термического режима таликов речных долин и открытых водотоков"

ОА

.. ■■■ -"I Российская Академия наук • " Сибирское отделение

Ордена Трудового Красного Знамени Институт мерзлотоведения

На правах рукописи

Михайлов Владимир Матвеевич

Взаимосвязь термического режима таликов речных долин и открытых водотоков

Специальность 04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата гсграфичсских наук

Якутск - 1993.

Работа выполнена в Северо-Восточном отделе ордена Трудового Красного Знамени Института мерзлотоведения СО РАН.

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук

Г.З.Перльштейн

Официальные оппоненты: доктор географических наук

A.B. Павлов

доктор геолого-минералогических наук О.Н.Толстихин

Ведущая организация: Колымское территориальное управление

по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды

Защита диссертации состоится 21 октября 1993 г. в 14 часов на заседании специализированного совета Д.003.48.01 по мерзлотоведению при Институте мерзлотоведения СО РАН по адресу:

677018, Якутск, Институт мерзлотоведения, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института мерзлотоведения СО РАН.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учереждения, просьба направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю специализированного совета.

Автореферат разослан " ¿¿Wг.

Ученый секретарь специализированного совета, к.т.н.

С.И. Алексеева

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Как правило, хозяйственное освоение районов области вечной мерзлоты начинается с днищ речных долин. К ним приурочены основные объемы сельскохозяйственных работ, промышленного, гражданского и гидротехнического строительства, разработки россыпных месторождений. В связи с этим исследования условий формирования и развития таликов в речных долинах, их гидротермического режима и инженерно-геокриологических особенностей составляют одну иг крупных и наиболее давних проблем мерзлотоведения. Достаточно отметить, что первые публикации на данную тему появились еще в прошлом столетии. В последние годы резко возрос интерес к экологическим аспектам этой проблемы, в частности и потому, что пойменные экосистемы выделяются на территории Сибири и Северо-Востока резко повышенной продуктивностью. Мнение В.И.Бернадского о поймах как '"областях сгущения жизни" подтверждаете* здесь с особой наглядностью. Возможность существования азональных пойменных сообществ напрямую обусловлена особым водно-тепловым режимом таликов, кардинально отличным от "фона" прилегающих территорий, подстилаемых много-летнемерзлыми толщами. Определение допустимой антропогенной нагрузки, прогноз экологических последствий реализации народнохозяйственных проектов самым непосредственным образом связаны с закономерностями переноса вещества и энергии в талнковых зонах.

К настоящему времени накоплен и систематизирован обширный фккмче-ский материал по медпотно-гидрогеологическому строению таликоя речных долин и использованию особенностей их гидротермического режима в хозяйственных целях Установлены некоторые закономерности их формирования, разработаны детальные классификационные схемы. Однако, тсплоное взаимодействие поверхностных и подземных вед изучено слабо н лишь ча качественном уровне. Отсюда вытекает актуальность настоящей работы, посвященной количественным исследованиям процессов теняо-массообмсна в таликах речных долин.

Большинство исследователей признает, что пойменные талики обязаны своим существованием водотокам. По сравнению с поймой, большая часть которой, как правило, покрыла обильной растительностью, а отвод тепла от поверхности в глубинные елок ограничивается невысокой теплопроводностью почвогрунтов, речные годы прелстап '.якгг сооой намного более .уЭДкч;-тивный приемник и псре^аспределитель солнечной энергии. Очень мжно

установить основные механизмы дальнейшего распространения этой энергии.

Цель рабогы заключается в выявлении количественных закономерностей формирования температуры открытых вод это кой во взаимодействии с подземными водами прилегающих пойменных массивов. Для ее достижения решались следующие задачи:

1) разработка математической модели, учитывающей влияние на температуру руслового потока всех наиболее существенных факторов теплообмена, включая массообмен между руслом и водоиасыщенными горизонтами поймы; '

2) оценка масштабов водообмена между водотоками и прирусловыми талико-выми зонами:

3) разработка методики определения характеристик водообмела;

4) проведение комплекса натурных наблюдений для проверки и корректировки модели и отработки методики се применении;

.5) анализ некоторых закономерностей формирования термического режима рек на Сеьсро-Бостоке России.

Научная новизна состоит в следующем.

1. Предложена модель формирования термического режима водотоков, учитывающая те!!ло-массообмен между руслом и грунтовыми водами поймы и разработана методика ее применения на практике.

2. Обосновано теоретически и подтверждено результатами натурных исследований существование мои'»'ого, ранее не учитываемого механизма теплообмена между русловыми и грунтовыми водами, связанного с массообменом.

3. Показано, что энергообмен, контролируемый этим механизмом, может являться преобладающим в тепловом балансе таликов и таким образом представлять собой одну из ведущих причин их существования.

4. Установлено, что при значительном массообмене между кодотоком и тали* ' ком (что характерно, в частности, для большинства рек Северо-Востока) общепринятые методы расчета температуры воды в реках дают недостоверные результаты. ■

Практическое значение работы состоит в первую очередь в совершенствовании методики расчета термического режима водотоков, Результаты исследования важны для анализа формирования и прогноза изменений мерзлотных условий речных долин. Они найдут также применение при решении проблем чодоснабжсиия промышленных предприятий и населенных пунктов, рационального проведения сельскохозяйственных мероприятий.

тромышленного, гидротехнического и гражданского строительства, разработки месторождений полезных ископаемых, опенки экологических последствий хозяйственного осжхчгия территорий.

Автор выражает свою глубокую признательность ;:.г.-ч.н. Г.З.Лерлын-тсйну, под руководством которого была выполнена работа, н сердечко благодарит сотрудников Северо-Восточного отдела Института мерзлотоведения, участвовавших в обсуждении, обрабогке и оформлении результатов, а также работников Колымской всднобалансовой станции за разностороннюю бескорыстную помощь при проведении нолевых исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассматривается общее состояние проблемы.

Интерес к про "схождению таликов, в том числе и в долинах рек, закономерно возник с самого начала освоения обширных северных пространств. Уже в толковой словаре Я.И.Дад» в определении слона "талик" упоминается веда, в том числе движущаяся. Начиная с Н.М.Коэьмина (1892) почти все исследователи единодушно связывают существование таликов речных долин с движением (циркуляцией) воды; обширный перечень, охватывающий издания до 1963 г. включительно, приведем в монографии И.А.Некрасова (1967). Ему же принадлежит утверждение, что '"не используя, как правило, гидрологических материалов при изучении таликов долин, мерзлотоведы не смогли продвинуться в этом вопросе дальше, чем это было сделано К.М.Козьми-ным...".

Во многих работах, посвященных гидрогеологии крнолитозоны, рассматриваются роль таликов о формировании подземного стока, некоторые особенности их режима и динамики под воздействием природных и техногенных факторов, классификационные схемы и ряд смежных проблем (М.И.Сумгин, Ю.А.Силибин. Н.И.Толстихин, В.М.Пономарев, П.Ф.Швецов, П.И.Мельии-ков, Н.А.Вельиина, Н.Н.Губкин, А.И.Калабин, А.И.Ефимов, Н.П.Анисимова, О.Н.Толсгихмн, С.М.Фотиеи, Н.Н.Романовский, В.Р.Алексеев, А.В.Чнжоз, И.А.Зуев, В.В.Шепелев, С.Н.Булдович и др.). В.нсследованнях Г.С.Шадрина,

A.И.Пеховича, П.А.Богословского, В.Г.Гольдтмана, С.Д.Чистогюльского,

B.((.Знаменского, Е. С. Гоголева, Г.З.Перльштейна, А.А.Игнотова, С.В.Собо-ля, А.В.Фепралева, А.А.Буйскнх и других разрабатывались методы расчета теплоотдачи фильтрационного потока в мерзлый грунт. Однако, при решении прикладных задач температура водотоков рассмэтриналась вне связи с подземнммн водами и задавалась в качестве независимого граничного условия. Взаимосвязь нронессоп "внешнего" теплообмена оттаивающих пород с

• температурой их поверхности изучалась В.СЛукьяновым и М.Д.Головко, В.Т.Падобаевым, Д.А.Куртенером и А.Ф.Чудновским, Б.А.Оловииым, А.В.Г! адовым, Г.З.Псрлыптсмном и другими.

В основе последних из перечисленных разработок лежит, в принципе, тот же подход, что, начиная с работы О.Девика (1931).применяется при исследованиях гидротсрмнки водоемов суши. В нашей стране после капитальной монографии Л.Г.Шуляковского (1960) количество публикаций на эту тему было невелико (например, О.Ф.Васильева и А.Ф.Воеводина (1975), В.М.Бело-липеикого (1988, ¡991). За рубежом в шестидесятые и семидесятые голы проводились довольно многочисленные и весьма тщательные исследования влияния па температуру водоемов разнообразных метеорологических факторов (Дж.Здингер, Д.Датвеллер, Р.Трокслер и др.). Однако, начиная с 1986 г., ког-. да была опубликована обзорная статья Дж.Госмнка, исследования в этой области, по-видимому, сильно сократились. Расчетные методики считаются настолько хорошо отработанными, что есть примеры их применения для решения обратных задач. Это обстоятельство, а также то, что измерение элементов теплового баланса водной поверхности осуществляется намного проще и точнее, чем суши, делает русловой водный поток наиболее удобным исходным объектом для изучения особенностей его теплового взаимодействия с таликом.

Для поддержания в тало»! состоянии обширных пространств поймы (пойменных таликов, согласно современным классификацииям) необходимо поступление больших количеств тепла. Наиболее динамичный из теоретически возможных механизмов теплопередачи от русла к пойме - горизонтальный мас-сообмен между русловы>* и фильтрационным ногохачи. Однако, ни в одном исследовании его роль не учитывается даже на качественном уровне. По всей ве-рояпюсти, это связано с тем, что, согласно господствующим представлениям, он нигде - не достигает сколько-нибудь значительных величии; работы, содержащие подобные сведения, перечисляются, например, Б.Л.Соколовым и аО.Саркисяном (1981).

В соответствии с широко известными формулами (выведенными при допущении отсутствия боковой приточности и внутренних источников тепла), равновесная температура - та, которую принимает иода при тепловом равновесии с окружающей средой - определяется исключительно метеорологическими факторами и поэтому в одних и тех же климатических условиях должна быть одинакова для всех бесприютных, термически не стрзтифиниронашгьи водоемов, от быстрого горного ручья до мелкого пруда Пошл™ объяснить раоюждаси

теории с повседневным опытом затененностью малых водотоков не выдерживают численной проверки. Более того, на Северо-Востоке имеется ряд примеров, когда в одной и той же реке вода оказывается теплее в более суровых климатических условиях. Так, в Колыме самыс высокие летние температуры наблюдаются в заполярном Среднеколымске. Этн и ряд других противоречий в рамках существующих представлений оказываются неразрешимыми.

Неудивительно, что вычисления по соответствующим моделям способны приводить к серьезным ошибкам. В работе В.М.Белолипецкого (1988> изложены результаты численных расчетов температуры воды в нижнем бьефе Красноярской ГЭС с учетом большинства определяющих факторов, включая боковую приточность. Входные параметры измерялись весьма тщательно. Автор считает расхождение измеренных и расчетных температур, достигающее 0.7°С , небольшим. Но так как действительным результатом вычислений является изменение температуры на рассматриваемом отрезке реки, равное в данном случае 1°С , то ясно, что максимальная ошибка превышает 200%.

Возможной причиной несоответствия теории фактическим данный может был. преуменьшение либо охлаждающего влияния рассредоточенной боковой приточностк (вообще н? учитываемой в аналитических моделях), либо величины, обычно называемой теплообменом с ложем водотока. Неудачные результаты численных расчетов, пршшмающ!« во внимание рассредоточенную приточность, и ряд общих соображений (главным образом, то, что она поступает, как правило, не непосредственно в русло, а 8 окраинные части поймы) свидетельствуют в пользу второго предположения. Но величины эффективной теплопроводности аллювиальных отложений явно недостаточны для отвала нз русла "избыточного" (при реально наблюдаемых температурах) тепла через дно водотп-.ка. Таким образом, наиболее вероятное объяснение - наличие горизонтального водообмена русла с фильтрующей толщей.

ВТОРАЯ ГЛАВа посвящена теоретическому анализу процессов формирования термического режима водотока при водообмене с таликом.

В первом разделе проводится вывод гшалиппеских зависимостей, ¿входная посылка формулируем следующим образом. При высокой проницаемости аллювиальных отложений между руслом и водоносными горизонтами поймы происходит интенсивный массообмеи. Всачивапие воды из русла в голщу аллювия и высачииание в русло могут одновременно наблюдаться в каждом поперечном сечении. Первопричиной этого служат геолого-геоморфологическне факторы, обусловливающие несовпадение направлений руслового и фильтрационного

б

потоком »'один нз наглядных примеров - спрямление фильтрующимися водами излучин русла). В результате каждый элементарный объем воды может многократно переходить из руслового потока в фильтрационный и обратно.

Обозначим расходы высачивания и всачившшя, отнесенные к единице площади водного зеркала, соответственно и б/, их результирующую - и) . Связь температуры высачивающейся воды ^с температурой в русле /"может быть выражена соотношением:

ТгТЧ'К). ' ■ «> '

Характеристику Аг условимся называть средним коэффициентом теплоотдачи на пути фильтрации, то есть между точками всачивания и высачивания элементарного обьема. Будем далее рассматривать участок реки, на котором введенные характеристики сохраняют неизменные значения. Опуская промежуточные выкладки, приведем сразу аналитическое решение для стационарного случая: . „

т-ит,~тмш/с1>

<э>

К-К'+Си1кт. (4)

Здесь Т, и Л - соответственно теиперат.урл и расход воды в начальном створе рассматриваемого участка; Т и Л - те же, в замыкающем; результирующий теплопоток к водной поверхности при 7~- 0°С; К - интегральный коэффициент внешнего теплообмена; К• то же, общего теплообмена (через поверхность и ложе реки); Т» - равновесная температура. Употребление в роли аргумента расхода вместо привычного расстояния избавляет от необходимости выдвижения гипотез о виде зависимости Л 00. приводящих к сужению общности выведенного соотношения. При необходимости перевод шТ<Х> достигается соответствующей подстановкой.

Водообмен между руслом и фильтрующей толщен происходит тем интенсивнее, чем больше скорость фильтрации. Последняя сильно зависиг от уклона долины (в том числе и потому, что с ним тесно связана проницаемость отложений). Но уклон долины в значительной мере задает и скорости воды в русле. Тлккм'образом. становится очевидной неявная зависимость равновес-1 ной температуры от скорости течения.

При со -0 соотношение (2) формально сводится к уже известному решению:

Т-иТ,-Ш-ехр(-Кх/СП]1, <5>

где /) - глубина, V-скорость тсченик.

Различие состоит в том, что. при водообмене с поймой о) значе-

ния А оказынаютсн во много раз больше, чем и его отсутствие.

Как следует из формул (2) и (£), приближение температуры воды к равновесной происходит тем быстрее (точнее, на тем меньшем расстоянии от источника возмущения), чем больше массообмен. Следовательно, расчеты, основанные на применявшихся ранее зависимостях, могут существенно преувеличивать протяженность участкои. на которых нарушения естествен-нр*ч> термического режима водотоков оказываются значителпными.

Приближенные оценки показывают, что для замыкания уравнения теплового баланса реки с помощью учета водообмена г. толщей аллювия требуются очень большие значения коэффициентов фильтрации, намного превосходящие приводимые в гидрогеологической литературе величины. Объяснить противоречие можно наличием отдельных предпочтительных путей фильтрации е виде сравнительно узких, хорошо промытых каналов. Такое явление хорошо изучено для склонового стока (Ю.П.Виноградон, (1967), Л.Ормсби и А.Хан (1989) и др.). В аллювиальных толщах водопроводящне пути могут образовываться, например, при перекрытии позднейшими отложениями русел проток и временных водотоков, которыми иооСилует поверхность поймы; периодическое промывание препятствует их заиливанию. Косвенные свидетельства интенсивного тепло-массообмена между руслом и аллювиальными отложениями, обусловленного наличием предпочтительных путей фильтрации, содержатся е целом ряде работ (А.И.Кллабина. И.А.Некрасова, Н.М.Фролова и других).

Во втором разделе главы разрабатывается методика расчета характеристик водообмена. Экспериментальное определение их численных значений выглядит весьма затруднительным. Измерить лекальные расходы всачивания и высачипания практически невозможно, а без этого теряют смысл замеры температуры высачивающейся воды, так как каждое конкретное значение к.4.0дит в интегральную величину Т( с вессм, пропорциональным расходу выгачивания в данной точке.

Возможность определения характеристик маосообмепа предоставляет метод смешения, рекомендуемый руководствами но гидрометрии для измерении

расходов воды в небольших водотоках. Суть его состоит во внесении в воду раствори голи и измерении ее концентрации ниже по течению. Степень раз-бгплеш» исходного раствора предполагается однозначно связанной с русловым расходом. Понятно, что при двустороннем массообмене русловых вод с фильтрующимися метод будет давать завышенные результаты. Из решения дифференциального уравнения солевого баланса участка реки с учетом во- -дообмена с фильтрующей толщей после незначительных укрощений можно напучить следующее соотношение:

в котором Пт- величина расхода, рассчитанного по методу смешения. Измерив действительные расходы в нач&тышм и замыкшочцем створах и используя очевидное равенство и)*(П - О,}/Ьх , где 6 - средняя ширина водотока, получаем обе искомые харакгериртикм. На многоводных реках такой метод в его первоначальном виде вряд ли применим, поскольку для получения приемлемой точности потребуются непомерно большие количества соли, но он легко поддается модификации с использованием, например, сверхтяжелой во-' ды. Для определения последнего неизвестного параметра, /Сг , необходимо знание теплофнзнческих и фильтрационных свойств аллювия и условий на поверхности поймы. Теоретические предпосылки расчета дает обширный математический аппарат, развитый в упоминавшихся работах (школа П.А.Богословского и другие),"однако практическое сто применение может быть ограничено неточностью заа-чшя входных величин. Для некоторых приложений можно рекомендовать метод, основанный на замыкании уравнения теплового баланса.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА содержит обзорное описание основных черт рельефа., геологического строения, мерзлотных условии, климата и гидрологии*Северо-Востока в целом; более подробное - Сеймчано-Пуюндинской впадины, где осуществлялись гидрогеологические наблюдения, и максимально детальное • бассейна ручья Контактовый, в пределах которого проводились основные натурные исследования. Бассейн, расположенный вблизи начала р.Колымы, отличается высокой и разносторонней изученностью, в частности, гидрологической, поскольку на его территории в 1948 г. основана Колымская ооднобо-лансовая станция.

О начале ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЫ излагается методика проведения наблюдений. Большинство из них осуществлялось по стандартным методам, приня-

тым в системе гидрометеослужбы и при гцпрогашоппесквх н геофизичекнх изысканиях. При электропрофилировании долины ручья применялись резко уменьшенные по сравнению с рекомендованными в учебной и методической литературе максимальные разносы электродов, что позволило определить плановые очертания пойменного талика с высокой точностью.

Оценка эффективных (средних по площади и глубине) значений коэффициента фильтрации аллювиальных отложений основывалась на известием уравнении Буссинеска, которое для условно однородной области можно представить в виде:

с/7/ <7)

где Н - мощность водоароводящего слоя; ¿ - время; р - коэффициент водоотдачи; К/ - искомая величина. Для расчета К/ при помощи этого уравнения необходимо вычисление производных уровня грунтовых вод по времени и вторых производных по расстоянию, что требует проведения детальных режимных раблюдений. Для получения необходимых данных на участке пойми р.Колымы в пределах Сеймчано-Буюндинскон впадины проводились

учащенные измерения уровней воды в реке и в 14 гидрогеологических сква-

2

жииах (примерно 4 скважины на I км ).

По хронологическим графикам колебаний уровней определялись величины амплитуд и фазовых сдвигов (т.е. времени запаздывания максимумов и минимумов по отношению к реке) н синхронные значения уровней. Были применены две расчетные схемы. В одной мз них графически определялись значения производных, входящих в уравнение (2); во второй зависимость уровня от времени аппроксимировалась синусоидальной. Параметры ее определялись также графически но соответствующим изолиниям, последующие расчеты велись аналитически.

Характеристики водообмена между руслом ручья Контактовым и прилегающей толщ.сн аллювиальных отложений определялись по изложенной выше методике (с использованием метода смешения).

В конце главы даны описание гидрометеорологических условий в период проведении полевых рабцт и сравнение их со средними характеристиками но справочной литературе.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ излагаются результаты натурных наблюдений и проводится их анализ.

Температура йоды и руч.Контактовый измерялась на 23 поперечных про-филчх, расположенных на расстоянии 18...22 м друг от друга. На участ ке вы дсляются три характерных отрезка (рмс.1). Выше нрофи.о: 6 талик разделен на два гидравлически разобщенных "рукава" своеобразной перемычкой из мерзлых коренных пород. Поперечное сечение основного из них, сопряженного с руслом, сильно уменьшается вниз по течению: возле профиля коренные породы слева подступают к самому берегу ручья. Ниже по течению перемычка выклинивается италик расширяется влево. Дальше, вплоть до профиля 18, заметных изменений поперечного ссчснин »> расположения плановых границ талика к русла нет. На замыкающем отрезке ручей круто поворачивает влево при одновременном расширении и углублении галика вправо.

Эффекты, которые в соответствии с развиваемыми теоретическими положениями, должны иметь место при данных морфометрических особенностях талика, наглядно демонстрируются изолиниями темперагур руслового потока в рахтичные часы суток (рис.1). На верхнем отрезке происходит вытеснение воды из талика в русло, преимущественно у левого берега ручья. Грунтовые воды здесь постоянно холоднее русловых. В конце участка наблюдается перетекание грунтовых вод к правому борту долины. Ночью они оказывают) теплее, чем в русле, днем имеют более низкую температуру: среднесуточные значения различаются мало. Перетекающая вода проходит здесь настолько близко к дневчой поверхности, что между профилями 20 и 21 образует несколько ключей, расположенных выше уровня воды в ручье. Примечательно, что положение изотерм свидетельствует о сосредоточенном характере выса-чисания груи гоьых вод в русло.

На среднем отрезке столь ярко выраженных эффектов нет, хотя термическое поле также не всегда однородно. Именно поэтому он представляет наибольший интерес для »олкчественных расчетов: явления, сравнимые по масштабу с теми, что наблюдаются на верхнем и нижнем, на крупных водотоках могут встречаться намного реже.

Результаты опрел:ления характеристик массообмена по разработанной методике (см.таблицу) трактуются однозначно. На верхнем участке происходит односторонний массообмен - проще говоря, вытеснение волы из талика в русло; на нижнем и среднем - двусторонний.

На основании результатов теплобалансовых наблюдений на центральном учретхе по уравнению (2) были рассчитаны значения коэффициента теплообмена В основном они лежат в пределах от 003 до 0.1. По всей вероятности, в течении срок может существенно меняться , но оиекить диапазон е! о ко-

ЕЕЬ

Рис.1. Температура воды в руч.Контзктовьш в различное мрсмя суток: б астрономический полдень (а) к перед восходом ссыпка <б)

1 - граница пойменного талика;

2 - номер?, термометрических профилен.

Примечаний. Ширина русла на схеме уиелмчена по отношению к поперечным размерам поймы в 10 рал.

Харак теристики водообмена между руслом ручья Контактовый и пойменным таликом в августе 1993 г.

Участок Расходы воды, м^/с Характеристики водообмена, м/с

в начальном створе в замыкающем створе си о/

ло стандартному методу по методу смешения

1 верхний 0,101 1 0.128 О; 128 5,9х10"5 5.9x10"®

2 средний 0,154 0.086 0.144 -6,0x10"® 5,2x10®

3 нижний 0,086 0,044 0,205 -4,7x10"® 1,1х10"4

лебаний пока невозможно, так как уравнение (2) описывает стационарный случай. Температура высачивающейся волы ^испытывает заметный суточный ход, при этом отклонение ст 7", как правило, не превышает О.Ь°С.

Характеристик» тепло-массообмсна ручья с поймой довольно сильно изменяются в тсченне сезона. Если величина ^ за месяц наблюдений оставалась практически неизменной, то и/ уменьшилась почти вдвое, что связано, по-видимому, с развитием талика. Еще большую изменчивость проявляет коэффициент теплоотдачи, зависящий, в числе прочего, ог условий на поверхности пойми. В конце июля, на спаде паводка, он оказался вдвое больше, чем в предшествовавший период продолжительной межени, хотя в целом за летний сезон преобладаегтенденция уменьшения.

Результаты наблюдений позволили получить предварительные сведения о численных значениях характеристик тепло- массообмена, тенденциях и масштабах их изменчивости ео времени ,и будут полезны при постановке дальнейших исследований.

Существование в аллювиальных отложениях предпочтительных путей движения воды с чрезвычайно большой пропускной способностью подтверждается многими наблюдениями. В пойме р.Колымы наиболее яркий пример такого рода - обнаружение в начале июня 1991 г. крупных личинок поденки в скважине, расположенной в 400 м от берега, в зрелом лиственннчно-чозение-бом лесу. Скважина была нробуреналюздней весной того же года, что исключает попадание в нее личинок иначе, как с током воды.

Весьма показательно также параллельное расположение изолиний синхронных значений уровней грунтовых вод. Оно ясно показывает, что фильтрационный поток попросту срезает излучину рекн радиусом около 1,5 км по прямой, как если бы она вовсе отсутствовала.

В пойме руч.Контактовый среди средневозрастного чозенника, в скважине, расположенной на расстоянии 1) м от берега (примерно четверть ширины поймы) были зафиксированы резкие колебания температучы на поверхности грунтовых вод. Подъем на 0Л...0.4°С вместе с последующим спадом занимали в среднем не более 5 минут. Повидимому, такое явление может наблюдаться только при сложном взаимодействии струек воды с'разными температурами.

Результаты расчетов эффективной водопроницаемости аллювия в пойме р.Колымы по двум описанным выше вариантам расходятся примерно в полтора раза, давая величины, измеряемые десятками м/ч. Разумеется точность их невысока, будучи ограничена грубостью принятых допущений и погрешностями при графическом определении исходных характеристик. Тем не менее, ясно, что значения К/ па порьдок превышают "верхние" оценки, приводимые в литературе для грунтов сходного гранулометрического состава. Это является несомненной предпосылкой развития выявленного механизма теплообмена в долинах крупных рек.

В ШЕСТОЙ ГЛАВЕ анализируются некоторые закономерности термического взаимодействия русла с окружающей средой. Уравнение теплового баланса участка реки представлено в виде:

Г-Г-ИЛ-Сс^-Я, <8>

где I - лучистый теплообмен (радиационный баланс) при нулевой температуре поверхности; результирующая конвективного теплообмена с фильтрующей толщей; W- турбулентный тепловлагообмен с атмосферой н "избыточная" (по отношению к поверхности с нулевой температурой) теплоотдача излучением. Радиационные характеристики климата сравнительно мало меняются на обширных территориях, еще более устойчив составленный из них комплекс (при увеличении облачности пряная радиация уменьшается, но растет длинноволновое излучение атмосферы). Таким образом, / представляет собой региональную характеристику, тогда как остальные, зависящие от температуры воды, являются локальными. Величина М связана с температурой воды прямой зависимостью. Поэтому при одном и том же I снижение Т

неизбежно сопровождается ростом /"" и наоборот. Иными словами, чем ниже (в одинаковых климатических условиях) температура открытого юдотока, тем сильнее ом обогревает прилегающий пойменный массив. Следовательно, в крнолитозоае более низкие температуры речных вод свидетельствуют, при прочих равных условиях, о наличии более обширного талика.

Интенсивному тепло- млссообмену между русловыми и грунтовыми водами способствуют высокая проницаемость отложений и большие уклоны долин. Такие условия наблюдаются, кач правило, в горных местностях. В низовьях крупных рек. при малой проницаемости аллюсиальных отложений, теплообмен с ложем может сводиться преимущественно к кочдуктивному, что исключагт отвод значительных количеств тепла и способствует подогреву речных вед до сравнительно бэлее высоких температур. 1

В р.Колыме самые высокие летние температуры наблюдаются в заполярном Срсднеколымске (в июле в среднем 15.4°С). Возле расположенного почти на 5° широты южнее пос.Усть-Среднекан река холоднее на 1.4°С, хотя средняя температура воздуха выше на 1.7°С. Эти участки различаются тем, чю вблизи Срсднеколымска происходит сильное сокращение площади пойменных таликсв. В свете изложенного ясно, что причина этого, кроется не столько в более суровом климате, сколько в незначительном тспло-массооб-мене с поймой вследствие рашшнього характера реки и относительно низкой водопроницаемости отложений. Именно благодаря уменьшению оттока тепла в пойму вода здесь прогревается сильнее.

Другой подобный пример - текущая на юг р-Танюрер (левый приток р. Анадырь). Су пя по ландшафшоиндякацнонным признакам н данным И.А.Ыекра-сом <1967», в нкзорьях, где ерздняя температура воды в июле достигает !5°С , площадь тали коп значительно меньше, чем за Полярным кругом.

Влияние климатических факторов на термику водотоков хорошо выражает величина Тг* С^УК -Она определяется почти исключительно климатическими характеристиками (радиационными, температурой воздуха, скоростью ветра», среднемесячные значения которых довольно устойчивы. Следовательно, она носит обобщенный, региональный харакгер, представляя собой температуру, которую приобретает вода в отсутствие боковой приточносги и теплообмена с ложем. Вероятно, название "потенциальная температура воды" достаточно хорошо отряжает ее сочержание. Сравнение действительной температуры воды с Тр дает возможностг судить о масштабах тенло-массооб-мсм-э реки с поймой.

Поданным сетевых метеостанций рассчитаны среддеиюльскне значенн и построена карта потенциальных темперагур воды в июле для территори Северо-Востока (рис.2). Конвективный теплообмен реки с таликом после не сложных преобразований выражается зависимостью:

Г'КЦ-Т.1-Си1 ™

Используя харту и необходимые гидрологические данные, можно рассчи

тать величину /" для любой реки при равновесной температуре. В Севмча

но-Буюндинсдой впадине количество тепла, поступающего из русла в пойм;

составляет за три летних месяца соответственно 220, 170 и 80 Мдж/м

(оггок тепла в донные отложения можно считать при этом пренебрежимо мг

лым); для периода с ледовыми явлениями справочных данных недостяточш

Режимные наблюдения и численное моделирование показывают, что дл

протаиьанил сезошюмерзлого слоя поймы необходимо не более 140...15

Мдж/м2. Согласно данным А.В.Павлова (1984), поступление тепла с дневно

2

поверхности не превышает 80 Мдж/м . Значение для поймы энергообчена рекой наглядно видно из сопоставления этих цифр. Становится очевидны.* что именно непрерывный горизонтальный водообмен обеспечивает сущест во ванне пойменных тати ков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации развиваются теоретические представления о тепловом взг нмодействил между водотоками и пойменными массивами. В процессе нссл< дований, выполненных на стыке мерзлотоведения, гидрологии и других ш учных дисциплин, получены результаты, наиболее важными из к споры представляются следующие.

Разработана аналитическая модель формирования термического режим водотоков, учитывающая тегио-мдссообмен с поймой, т.е. значительно боле общая по отношению к применявшимся ранее схемам; предложена и испыт; на на практике методика определения параметров массообмена меисду'водс током и таликом.

На основании комплексных исследований в долине руч.Контактовый <ы доток IV порядка) и р пойме р.Колымы, а татке анализа литературных да> пых, для речных доли» Северо-Востока продемонстрирована тесная взаимс связь термического режима рек и аллювиальных отложений.

Установлено, что при высокой проницаемости пород между водотоком фильтрующей толщей происходит интенсивный Еодообмен; что он обусло! лнваег весьма значительный и сильно изменчивый во времени (имеющий с;

точный и сезонный код) энергообмен междуречными водами л пойменными массивами. Этот процесс широко развит на большинстве водагокои Семеро-Восгока и служит главной причиной образования ноймениыхталиков.

Данная работа является, по существу, первым шагом в применении количественных методов к изучению термического взаимодействия рек и прилегающих таликовых зон. Результаты начального этапа свидетельствуют о перспективности применения этого подхода для дальнейших исследований. Их основные направления:

1) совершенствование моделей теало-.чассообмена в системе русловой поток - водоносные горизонты поймы;

2) анализ связей между температурой речной воды и размерами таликовых зон в зависимости от региональны* и местных мерзлотно- гидрогеологических условий;

3) выявление условий происхождения и масштабов распространении путей предпочтительного движения воды .(каналов с повышенной водопроницаемостью) в четвертичных отложениях, а также оценка их гидрогеологического значения;

4) разработка методических осп л> определения фильтрационных характеристик аллювиальных отложений на основании комплекса гидротермических наблюдений вводотолах и на поверхности поймьц

5) совершенствование методики прогноза мерзлотных условий речных долин;

6) выявление факторов, обуславливающих развитие и деградацию пойменных экосистем на основе установленных закономерностей тепло- и влаго-снабжения среды их обиташи»

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ (. Об особенностях термического режима малых водотоков криолитозоны //Научно-технический прогресс и политехническое образование на Северо-Востоке России.- Тезисы докладов научно-практической конференции Магаданского филиала ХПИ. Магадан: Магаданский филиал ХПИ, 1992, с.48-50 (соавтор Т.В.Банцехина)!

2. Некоторые гидрогеологические и геокриологические аспекты одной классической гидрологической проблемы //Колыма, 1993, N.5.- с.6-9,

3. Оценка эффективной водопровсдимости аллювиальных отложений в среднем течении р.Колымы //Колыма, 1993, ГЧ.5.-С.И-12

(соавтор Т.В.Ванцекина).

4. Термический режим водотоков и таликов при значительном массообмене между ними //Колыма, 1993, N.6.- с.9-13.

5. О закономерностях теплообмена на поверхности оттаивающих пород //Геокриология (в печати, соавтор Г.З.Перльштейн).

Подписано п печать 1.0^.93 г. Формат 60 к 84 1/16 Бумага типографская N 1 Усл. псч. л. 1.0 Тираж 101 Заказ N 77 Фотоофсетная лаборатория ВНЙИ-1