Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Сезонное оледенение и его роль в формировании речного стока (на примере зоны БАМ)

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Сезонное оледенение и его роль в формировании речного стока (на примере зоны БАМ)"

Министерство экологии и природных ресурсов РСФСР

Государственный ордена Трудового Красного Знамени гидрологический институт

На правах рукописи

Марков Михаил Леонидович.

УДК 556.535.5 + 551.328

СЕЗОННОЕ ОЛЕДЕНЕНИЕ И ЕГО РОЛЬ В ФОРМИРОВАНИИ РЁЧНОГО СТОКА (на примере гоны БАЮ

Специальность 11. СО. 07 - Гидрология суш, водные ресурсы,

гидрохимия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук в форме научного доклада

Санкг - Петербург 1992

Работа выполнена в Государственном ордена Трудового Красного Знамени гидрологическом институте

Научный руководитель - доктор географических наук

ЕЛ Соколов

Официальные оппоненты - доктор географических наук

Е Р.ДЕексеез - кандидат географических наук, доцент А. Я Догайовский

Ведущая организация: Производственный и научно-йсслэдователс-

кий институт по инженерным изысканиям в строительстве ШО "Стройизыскания" Министерства архитектуры, строительства ' и коммунального хозяйства РСФСР (ПШИС)

Защита диссертации состоится " лсал 1992 г.

в часов на заседании специализированного Совета

Д. 024.0а 01 при Государственном гидрологическом институте по адресу: 199053, Санкт-Петербург, Е 0. , 2 линия, д. 23. факс (812) 213-10-28

Доклад разослан " & " ¿уЛ^-'И I 1992 г.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять в адрес института

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Изучение специфических особенностей формирования водного баланса речных бассейнов, водных ресурсов и гидрологического режима рек криолитозоны в настоящее время актуально с научной и практической точек зрения в связи с необходимостью разработки гидрологического обоснования крупных народно хозяйственных программ по освоению природных ресурсов и развитию производительных сил в северных, сибирских и дальневосточных районах нашей страны. Среди этих особенностей -наиболее важая гидрологическая роль принадлешт процессам, обусловленным сезонными фазовыми переходами воды с образованием льда разных типов, в совокупности составляющих сезонное оледенение (СО) криолитозоны: наледного, речного, подземного. Эти временные аккумуляторы природных вод не только перераспределяют существенную часть речного и подземного стока в течение года (реиз год от года), но и оказывает заметное влияние на гидрологический режим рек районов многолетней мерзлоты,что необходимо учитывать в инженерно-гидрологических расчетах.

Вся совокупность подходов к изучению природных льдов и их гидрологической роли укладывается в трч взаимно связанные направления, соответствующие уровням организации и изучения ледяных образований..

1. Физические исследования процессов формирования льда разных типов под влиянием внесших и внутренних"факторов, включая энер-гоклссообмен с другими элементам природных систем (П. А. Шуйский, К К Богородский, К И. Росинский, Л Г. Щуляковский, Е. А. Румянцев, К Ф. Савко, А. а Чиж>в, Г. К Сморыгин, А. Б. Сотников, А. П. Казаков, А. II Пехович, Е Е Голубев, Ю. Г. Ефимов, О. Е Дементьева и др.).

2. Феноменологические исследования, ориентированные на получение обобщенных научных представлений о пространственно-временных закономерностях формирования отдельных составляющее СО и их совокупностей в естественной природной обстановке и под влиянием хозяйственной деятельности, коьшгекеных характеристик для использования в практике (Е И. Толстихин, И Ф.Швецов, ЕЕЗонов, А. А. Цвид, А. И. Налабин, 0. Е Толстихин, 3. Е Пиотрович, А. П. Брас-лавский, С. Н. Булатов, Р.ЕДонченко, Б. й. Етюрин, ЕР. Алексеев, Е Л. Соколов, Е Е Романовский, Е Е. Афанасенко, С. Д. Невский, Е М. Пи-гузова, ЕЕ Шепелев, М.Ш.1урман, ЕЕ Кравченко, И. А. Зильберш-

- 4 -

тейн, Д.Кеннеди, К.Кейри, Ц. Слотер и др. ).

3. Эволюционные исследования СО гак единой совокупности ее злементов-определенных форм организации вещества и энергии геологической криогенной системы Еообще и речных систем в частности, во взаклосвяги этих элементов, переходе одних в другие во времени и в пространственных координатах. До последнего времени исследования в этом направлении сводились к попытке выявить лишь парные взаимосвязи: ледники-наледи (ЕС.Щэйнкман), ледники снежники-наледи (ЕМ. Корейша),речной лед-речные наледи (А. Е Чюков.Б. Л.Соколов,& В.Кравченко), наледи подземных вод - сезонные подземные льды (В. Р. Алексеев, К Е Дейкин). Такой уровень исследований представляется частным,эмпирическим. Только' выяснив место каадой из составляющих СО в эволюционном пространственно-временном ряду преобразований форм организации потоков вещества и энергии в речных системах криолитозоны, с одной стороны, и ее становления как совокупности более ниагак структурных форм, с другой стороны, можно приблизиться к созданию основ теоретического знания о рассматриваемых криогенных водных объектах со всеми вытекающими научными, методическими и практическими выводами.

Цель и задачи работы. Основная цель диссертации состоит I разработке концепции формирования СО как неразрывной совокупности составляющих его специфических криогенных водных объектов, установлении основных черт их динамики и эволюции, оценке влияния на речной сток. Для достижения этой цели автор поставил следующие'задачи:

1) выявить причинно-следственные.связи природных процессов ] речных системах при формировании отдельных; элементов СО как единого целого;

2) усовершенствовать существующие и разработать новые, инженерные методы расчета составляющих СО при разном объеме исходно) информации;

3) оценить влияние аккумуляции воды в СО, на формирование стока рек зоны БАМ.

Исходные материалы и личный вклад соискателя в решение проб демы. В основу диссертации положены материалы комплексных иссле дований ГГИ в зоне БАЫ, . в которых автор принимал непосредствен ное участие с 1975 г. Значительная часть данных получена им период работы в Байкало-Амурской экспедиции института, где соис катель разрабатывал отдельные методы и нестандартные технически

:редства наблюдений, участвовал в организации и проведении исс-хедований на ряде наледных тепло-воднобалансовых полигонов в Се-зерном Забайкалье и в районе Олекмо-Нюкжинского низкогорья, продлении наземных маршрутных, авиадесантных и аэровизуальных обс-зедований ледяных образований, обобщении данных аэро- и сосмофотосъемок наледей при составлении их каталогов, методическом руководстве изучением каледей и наледных- процессов в зоне Ж территориальными управлениями Госкомгидромета.

Большая часть результатов получена автором при участии, в вы-юлнении бюджетных и хоздоговорных тем .связанных с изучением в зайонах многолетней мерзлоты ресурсов поверхностных л подземных зод. В диссертации использованы тага® данные наблюдений на сети гидрометеорологических станций и постов, фондовые материалы ор-'анизаций разных министерств и ведомств, опубликованные данные наблюдений и обобщений. Бее научные результаты, приведенные в лом докладе, принадлежат автору диссертации.

Научная новизна работы:

1) предложена эволюционная концепция формирования в пространстве и времени СО как единой совокупности составлявши его элементов на основе учета внешних и внутренних причинно-следс-гвенных связей природных процессов в речных систег.ах;

2) установлена функциональная значимость элементов СО по-; от-юшению к эволюционным процессам в-речной системе, проявляющаяся з том, что одни создают условия для устойчивости, сбратиюети гооцессов, а другие - для их изменчивости, необратимости, эвел»-т; .....

3) на основе преложенной концепции дано объяснение закономер-юстям внутригодовой я (многолетней давшаяся составляемо: СО;

4) усовершенствованы существующие и разработаны новые методы эасчета составляющих СО и на их основе оценена роль криогенных юдных объектов г формировании стока, в том чнеле подземного писания рек зоны ЕА!1

фактическое значение и реализация результатов исследования.

Разработанные автором методические рекомендации по полевому таучению наледей, усовершенствованные и предложенные вновь инже-¡ерные методы расчета характеристик всех составляющих СО при зазном объеме исходной информации вошли в методическое пособие 'Изучение наледей" (Л..-Гидрометеоиздат,1984. -156 с.), " Практи-геские рекомендации по расчету основных гидрологических характе-

ристик зоны БАМ" (Л. :Гидро*етеоиздаг, 1986.- 108 е.),методик кое пособие "Расчет подземного питания рек криолитозоны" ( Гидроыетеоиздат,1989.-106 е.), использованы при подготовке "I трукции по проектировании, строительству и эксплуатации npow наледньк сооружений и устройств", находящейся в печати. В. наез щэе время первые три издания применяются организациями рас министерств и ведомств при народнохозяйственном освоении райе многолетней мерзлоты» включая зону ВАЛ

Методы расчета СО используется в хоздоговорных работах для ЕГО "Дальгеодогая", "Иркутсктеология", "Таежгеология' гидрологическому обоснованию оценки естественных ресурсов и г плуатационных запасов подземных вод для решения острой проб; водоснабжения в районах зоны БАЕ

"Каталог наледей зоны БАМ" (Вьщ. 2, 3. - JL: Гидрометес дат,1981,1982), составленный с участием азтора диссертации материалам специальных аэрофотосъемок, используется народне зяйствешшш организациями для оценки наледной опасности и ледного регулирования поверхностных в подземных водных ресурс Апробация работы. Основные положения и результаты диссерте доложены на Всесогалых совещаниях по проблемам наледеобразовг (Иркутск,197С,1983); Конференциях колода ученых и специалис ГГЙ (1979, 1981, 1985); шкоде-семинаре "Лучение ледников,не дей и талого стока" (Звенигород,197S); УП Всесоюзном гляциолс ческом симпозиуме (Томск, 1980);Всесоюзном совещании по испс зованию снега и льда в народном хозяйстве (Иркутск,19£ Всесоюзных совевдакях по подземным водам Востока СССР ( та, 1985, Томск, 1991); рабочем совещании Секции изучения и охр природном среды Научного Совета по проблемам БАМ (Иркутск,19£ заседаниях Секции расчетов стока и водного баланса Ученого сс та ГГИ (1984,1985,1986,1987,1989).

Публикации. Результаты исследований автора наши отражен» 37- работа*. 29 из которых опубликованы к моменту составле настоящего доклада. Основные публикации приведены выше и в ко доклада .

Автор благодарен га руководство работой & JL Соколову, nov в организации и проведении полевых работ Б. Е Дейкину, Е Е Ко таеву, .. помощь в сборе. и предварительной обработке материа Ф. А. Лифшиц, Ф. Ф. Черной, Т. Е Чирковой, ЛЕАр*аник и К1 И. Эфрос

- ? -

1. СЕЗОННОЕ ОЛЕДЕНЕНИЕ КАК СОСТАВНАЯ ЧАСТЬ РЕЧНЫХ СИСТЕМ КРИОЛИТОЗОНЫ

В последние двадцать лет в естествознании с нарастащей ин-енсивностью развивается идея о самоорганизации и саморэгулиро-ачки природных и социальных объектов и систем при изучении их ункционирования (ЯПригогаш, Г. Хакеч, Р. Черли, а Кеннеди, ЕЕ Ьисеев, А. Д. Арманд, Г. Д. Сеидов, ЕЛМазо и др.). Ее суть сос-оит в следующем.

Экспериментально и теоретически установлено, что при опреде-енном изменении внешнего воздействия открытые системы приходят неустойчивое состояние по отношению к калым возмущениям. В од-ом случае неустойчивость приводит к образованию некоторых труктур, в другом - к их разрушению. Возникал не произвольные груктуры, а их определенный набор, задаваемый собственными ункциями среды. Последние отражают идеальные Форш реачьно воз-эжных образований, к которым только и могет эволюционировать усматриваемый объект. Автор диссертации использовал эту идею ля интерпретации и синтеза накопленных к настоящему времени иных, частных'выводов и гипотез о формировании СО с тем,чтобы более общих позиций установить место и роль его составляющих в /■нкшонировашм водной компоненты речных бассейнов криолитозоны.

Исследуемым объектом служи рэчлая система (РС).Ее содержание эедставляет совокупность рек определенной территории, сливаю-ися вместе (А. И.Чеботарев).Основой устойчивости системы являйся рельеф суши. С изменение и внеши условий, как будет- показа> никэ, граница исследуемого объекта расширяются до границ сис-!мы более высокого порядка -• гидрографической. Она определяется Е Гарцманом как форма организации системы водные массы — кора пзетривания, которая функционирует под внешним воздействием в >авитационном поле Земли.

ГЬд действием силы тяжести, солнечной и планетарной энергии Фез РС непрерывно проходит поток вещества и энергии определен-1й, изменяющейся во времени структуры. В данном случае рассмотри два вида структур. Первая отражает совокупность устойчивых :утренних и внешних взаимосвязей элементов РС и представляет 'бой линейную древовидную систему с односторонним потоком ве-ства (жидкий стос речной и подрусловой вместе с растворенными коллоидными веществами,сток наносов ) и энергии (тепловой

сток), обладающей конечным множеством входов и одним выход (СРС). Эгорая структура отражает внутренние устойчивые связ отношения мевду элементами самого потока (СП).

."Внутригодовая цикличность солнечной энергии приводит к изы нению структур РС и потока, особенно выраженному в криолитозон Б теплый период года поток увеличивается и происходит усложнен СРС (И. Е Гарцман, Н. А. Ржаницын, Е Г. Василенко)упорядочивают связи между элементами, в связи включаются новые элементы. В х лодный период происходит уменьшение потока, ослабляются свя между взаимодействушщши элементами и исчезают некоторые из ни Процесс дезорганизации СРС начинается с верхних звеньев и рас ространяегся вниз по течению в связи с функциональным подчинен еы одних элементов другим в рамках одностороннего системоформ рувдего потока

В холодный период года лед разных типов становится огранич вавдши фактором для потока вещества к энергии. При увеличен его влияния закономерно изменяется во времени характер взаиь! действия между жидким, твердым и тепловым стоком. В процессе с моорганизации. ц пространственно-временной смены локальных создаются новые структуры, которые обеспечивают равновесие меа притоком массы и энергии к РС и его оттоком. Многообразие стру тур из комбинаций элементов во.времени (в годовом и мкоголетн циклах) представлено .на рис.1. . Рассмотрим их эволюцию (сме состояний) по »«¡ре понижения температуры воздуха

В период опфытого русла для большинства рек с естествени водным режимом характерно . динамическе равновесие (устойчив структура4 мевду водным штоком, стоком наносов и формами русл вых отложения за счет саморегулирования.(ЕЕ.Кондратьев, И.В.I пов, Е Ф. Сниданко). В начале зимы при понижении температуры во в определенный момент времени образуется внутриводный лед. В вс ном потоке возникает дополнительное сопротивление, движению вс га счет неоднородности его плотности и увеличения смоченного п риметра. Процессам охлаждения воды начинают противостоять проце сы выделения теплоты при ледообразовании. С добавлением нова элемента система начинает переходить из устойчивого.состояния неустойчивое, становясь чрезвычайно чувствительной к малым ту нениям внешних воздействий. Незначительные флуктуации погоды и гидродинамики потока на локальных участках (расширения, сужен русла, . концентрированный приток подземных вод и др.) могут вь

ЦШ_0

пературного

2 - леи я но я ииариа \ye4iivn абд;, л * 1>очпал лалсдл, *» — иадеда ыидэснныл вид, ? " ивэиннш! (шдзбшши д6д,

6 - многолетний подзешшй лёд. 7 - иноголетнеиёрзлыв породы; ведуаие преобразования потока вещества: 8 ~ - многолетние, 9 - сезонные.

Рио. Г

I

ш г

-ю- .

вать значительные изменения плотности' ледяного материала, ча ньш следствием чего являются заюры. В данном случае масштаб мзнений состояния системы совершенно несоизмерим с внешним пульсом, а причинно-следственные связи процессов имеют случай характер. Это осложняет разработку методов расчета и прогк зажоров на детерминированной основе.

Бэсле накопления определенного объема ледяного материала ф мируется ледяной покров. Хаотическое образование кристаллов л во всем объема потока принимает упорядоченный характер на ниж поверхности ледяного покрова. Увеличивается пропускная спос ность русла. Поток переходит в динамически.равновесное, устой вое состояние. Оно достигается тем, что всякое изменение внеш го воздействия компенсируется изменением толлщны и изги ледяного покрова, деформацией русла (А.ЕЧишв, ЕВ-Кравч ко).Система становится менее чувствительной к изменению внеш услозий. Яричинно-следственные связи .процессов принимают дет( минированный характер, вследствии чего достаточно точно расе тьвашся не только толщина льда по конечному числу определяю! факторов, но и характеристики зимнего стока.

С дальнейшим снижением температуры воздуха увеличиваются те щина и деформации ледяного покрова за счет возникновения нале при стеснении им швого сечения водного потока. Неоднородное морфологии русла и гидродинамики потока по длине приводит к « редованию зон положительных и отрицательных деформаций речне льда. С определенного момента увеличение толщины льда может щ вести к такому уменьшению пропускной способности русла, при I тором силы движения воды разрушат ледяной покров. Вода вьоед на поверхность и начинается наледный процесс. Он обеснечивг более интенсивное рассеивание энергий через конвективный теш обмен по сравнении с кондуктивным при ледоставе. Наледи заполз ют преимущественно пониженные участки ледяного покрова, увелит-: ваит его вес и .следовательно, прогиб вниз.- На повышена участках ледяного покрова толщина растет с меньшей интенси ностыа Поэтому здесь продолжается прогиб льда вверх под действ ем добавочного напора,что приводит к новому нарушению моноли ности ледяного покрова и формированию наледей. Таким образе рассеивание части энергии водного потока механическим путем, в чалом чего является разрушение ледяного покрова,приводит к нар пению симметрии количественных и качественных преобразований

аморегулирунщэйея системе ледяной покров —■ водный поток —*■ условие отлояэння.

Зарождение новей структуры в потоке вновь приводит его в ке-авновесное состояние. Он становится "чувствительным" к влиянию ножестЕа факторов. Причинно-следственные связи процессов прини-ают случайный характер. Именно поэтому до сих пор не увенчались спехом попытки разработать методы расчета толщины льда на де-ерминировавной основе для этой структуры, о чем свидетельствуют езультаты анализа расчетных методов (А. Е Чи?юв,Р. А. Алексеенко). звестны такгке сло^юсти расчета характеристик зимнего стока на-едных рек.

Обратная положительна1* связь в речном и тесно связанным с ним эдрусловым потоках приводит к переформированию не только их идродинамики и термики , но и рельефа речной долины. При низкой эмпературе воздуха наледеобразующие воды замерзают в непосредс-венной близости от очагов разгрузки подземных вод и формирует азхдый год в одних и тех же местах наледные массивы значительной элщина 3 теплый период года они нарушают динамическое равнове-ие между вертикальной и боковой эрозией рыхлых отлотений на частке, здесь преобладает последняя. Этому способствуют и зкзо-энные процессы, активность которых повышается на наледных частках (Б. Р. Алексеев, . ЕЕ Романовский и др.). В результате эрмируются наледные поляны. Уклон рек здесь мокет быть на поря-эк меньше уклона на смежных безналедных участках рек. Водный эгок на каледкой поляне разбивается на многочисленные мелкие укава С наступлением холодов они быстро перемерзают, в резудь-эте чего вода, поступающая с верхней части речного бассейна, Армирует наледь. Речной сток шкга наледных участков как правило гсутствует, водотоки пересыхает, а русловые отлокения перемарают.

Таким образом,■ нарушение симметрии преобразований процессов в 3 приводит к необратимости наледеобразования, возникновению ус-зйчивой структуры в системе наледи подземных вод — водный по-ж — русловые оглоиэния —- наледный аллювий. Устойчивость рруктуры находит отражение, во-первых, в зимнем режиме наледей, эторьй мало зависит от флуктуации погоды и устойчив в многолет-гм разрезе (Б. Л. Соколов); во-вторых, в ограничении возможных ариаций морфологических форм наледных полян, что позволяет выя-1ть зависимости между их плопщью и объемом <0. ЕТолстихин.Б.

Л Соколов).

Несмотря на устойчивость связей и взаимодействия между элементами РС существует предпосылка'к дальнейшему развитию, эволюции систеш в геологическом масштабе времени. Симметричные преобразования структуры в целом протекают на фоне . вековьс необратимых, асимметричных геоморфологических и геологически процессов. Еа определенном этапе развития эти взаимно противоположные процессы приходят в противоречие, которое разрешается 1 сторону Солее общего необратимого процесса.

Вследствие большой ширины, малых уклонов на наледных поляна: уменьшается транспортирующая способность речного потока В пери, од прохождения половодья и паводков на них аккумулируется нанось даже очень мелких фракций, отметки поверхности наледной полянь понижаются-значительно медленнее, чем на смежных участках реки. С постепенным уменьшением боковой эрозии увеличивается вертикальная. Происходит пере расчленение речнойдолины (это может произойти и при тектонических движениях). Его-следствием является увеличение живого сечения рыхлых отложений на наледной,поляне. Это приводит к уменьшению степени развития -наледи. Часть . водь расходуется на образование сезонных подземных льдов, бугров пучения и аккумуляцию в рыхлых отложениях речн'гх долин. Вследствие уменьшения толщины льда улучшатся условия жизнедеятельности растений, происходит смена примитивных растительных группировок более высокоорганизованными ассоциациями (В.Р. Алексеев). Растительность укрепляет грунты и увеличивает гидравлическую шероховатость, . чтоспособствуег уменьшению раамьйаемостя почвогрунтов и увеличению аккумуляции наносов в период прохождения паводков и

ПОЛОВОДИЙ.', ■ ,

: Система вновь выходитиз устойчивого состояния. Сезонные под-гемные льды и Каледина этой стадии эволюции характеризуются чрезвычайно больной пространственно-временной изменчивостью. В дальнейшем даже в стационарном климатическом режиме может произойти илисыещгние наледеобразуших источников вверх по течению, или подземные воды будут фильтроваться в аллювиальных толщах по грунтовофильтрационным таликам в безналедаом режиме (В.Р. Алексеев, ЕЕРогаковский). фи малой пропускной способности таликов воды скапливаются в сезонноталом слое днища долины, деформируя его дневную поверхность. Ш шению автора диссертации возникновение спорадических мерзлотных водоупоров приводит к аккумуляции

подземных вод в аллювиальных отложениях речных долин в течение длительного периода, что является одной из главных причин, обуславливающих больше коэффициенты стока (нередко больше единицы) в начале теплого периода года.

В достаточной мере еще ке изучена эволюция наледей и подземных льдов наледных полян в геологическом масштабе времени. На эснове рассматриваемого подхода и ю.эшдася данных можно предположить три пути их дальнейшего развития. Первый заключается в обратимости процесса при стационарной климатической ситуации. На участке вновь начинает формироваться наледь, постепенно распространяясь на все большую площадь и способствуя тем самым боковой эрозии. Бугры пучения, сезонные подземные льды "вытесняются" на периферию наледного участка При похолодании климата активность формирования сезонных подземных льдов за счет' увеличения мощности наносов на наледной поляне приведет к образованию многолетних подземных льдов вследствие, во-первых, уменьшения отепляющего воздействия водного потока в русле ппи укеньшэшш его смоченного периметра за счет глубинной эрозии и, во-вторых, уменьшения теплопроводности покровных отложений при увеличении их мощности и образовании почвеннорастительного слоя. Формирование многолетних подземных льдов уменьшит игтенсивность водообмена ка участке, конвективный перенос тепла подземными водами, нарушит . динамическое равновесие • между количеством тепла, псступивпего в талик и расходуемого ка нагрев окружающих талик мерзлых пород. Размеры талика будут сокращаться вплоть до полного промерзания водовмещающих пород. На смену наледям и сезонным подземным льдам придет более устойчивая форма организации в изменившихся природных условиях: многолетние подземные льды мно-голетнемерзлые породы При потеплении климата произойдет смена структур потока в обратном рассмотренному на рис. 1 порядке.

Таким образом, при изменении внесней нагр>узки (отрицательного температурного поля) в эволюции элементов штока наблюдается чередование устойчивых и неустойчивых структур. Характер "изменения свойств элементов при изменении структурных связей является общим для разных выделенных циклов, создавая условия для устойчивости и изменчивости эволюционного процесса В этом проявляется фундаментальный принцип симметрии, который в конечном счете может быть основой для научного предсказания поведения системы.

Вместе с тем, внутри каздого цикла процесс необратим. Он са-

мопроизвольно протекает только в определенном направлении. На1 ример, из ледяного, покрова не образуется иуга, а. иь наледей по; земных Вод - ледяной покров' реки. ^обратимость являете исходный! пунктом для эволшки, то есть нарушения временной сю ыэтршь С чтим связано и то, что наледь мокет формироваться о; повременно с образованием внутриводного льда и ледяного покровг Временной масштаб эволюции структур изменяется от цикла к цикл; Если первый цикл отражает процесс в масштабе зимнего сезона, 5 второй и особенно третий - в вековом. В эволюции двух последи; циклов изменение временного масштаба обусловлено повышением ро. процессов, связанных с многолетними морфологическими преобразс ваншши речных долин при активном участии СО.' Последний выве необходимо учитывать при оценке последствий антропогенного во: действия на морфологию и ледотермически* реким рек криолитозош в том числе прогнозируемого изменения климата.

2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ДИНАМИКА СОСТАВЛЯЩЙХ СО

:В-соответствии с изложенной выше концепцией в диссертации рассмотрены закономерности распространения составляющих СО в зависимости от воздействия на РС температурного поля. В качестве показателя последнего принята сумма средних суточных отрицательных температур воздуха за зимний период К.. Так как речные наледи входят в.-неустойчивую структуру РС, то их распространение оценено вероятностной характеристикой - долей суммарной длины рек Еа заданных участках, покрытых наледями Ррн ("линейная наледяоеть"):

1,22. -0^55

рри-аетк V , С1)

где Ррн-в долях единицы, Р - средняя площадь водосбора участка реки, кв. км , В - в тыс. °С.

Наведи подземных вод формируется преимущественно в горных районых с характерными наледными полянами при следующем условии!

Р < 0.39 К6^' . (2)

Неравенство (2) в количественной виде характеризует темпе

¡атуркое лоле, при котором происходит качественное изменение «стояния PC, iief/вход ее' от режима формирования речных наледей ; формированию наледей подземных вод. В выражениях (1) и (2) ¡лощадь Еодосбора косвенно отражает энергию PC: чем больше ¡нергия системы, тем больший импульс необходим для перехода ее I новое состояние. При развитии наледей речных вод Ррнизмэнает-:я в пределах от 0. 2 до 1.0, а наледей подземных вод - от 0.2 ¡о 0.4.

Наиболее благоприятные условия для развития сезонных под-©мных льдов ткется ка широких нахедных полянах' с большой юшдостью аллювиальных, от логзний. По данным экспедиционных исследований ГГП в зоне ЕМ! (материалы НЕДейкика) автор уста-ювил следующую зависимость распространения подземных льдов:

-0,056

Ргл- И G , (3)

■де pnj! - доля объема сезонных подзеьяых льдоз в суммарном объ-:ме льда на начедных участках речных долин; G - коэффициент, гграигающий эрозконно-акк7мулят1пзныз процессы на участке -и за-шеящий от ширины наледи и размера водотока (соотнесение уста-, ювлено в количественной'форме).

Динамика наледей речных и подземных вод зимой определяется степенью рассеивания тепловой анергии водных потоков на учгст-:е. Если потенциальная вознозкпость рассеивания здесь меньпэ, [ем запас этой энергии, то режим наледи определяется пренну-;ественно текущими метеорологическими условиями. В противном лучае резким наледи обусловлен регтайм Еаледеобразукщпх источ-:иков. - '

Для характеристики реетма наледей подземных вод в течение имы предложи количественный показатель п - доля подземных од фильтрационного потока, расходующихся на наледеобразова-:ие.

я - 0.142 К - О. ЕЗ 7 * 0.GS5 , (4)

де я - в долях единицы.

При в £ 0.2 гидрограф питания наледей имеет чрезвычайно из-йнчивый характер (пилообразная форма),но в среднем многолетен разрезе в сглаженном виде повторяет ход средних месячных начений температуры воздуха (параболическая форт). При п >

0.2 гидрограф имеет вид усеченной параболы. "Срезка параболы" отражает ход сработки запасов подземных вод. На динамику небольших наледей существенное влияние оказывает снэговое питание, определяемое режимов вьшадения твердых осадков. .

Динашкг формирования сезонных подземных льдов зимой не имеет устойчивого характера в связи с неустойчивостью структуры потока, в который они-входят. В сглаженном виде она отражает сезонный ход температуры почвогрунтов.

В режиме наледей в теплый период года ведущим фактором становится тот,который вносит наибольший вклад в ее таяние. Если это водная эрозия, то рекш сгаивания наледи определяется водным резишоы реки. Если основной приток тепла к наледи происходит за счет лучистого и турбулентного теплообмена с атмосферой, то ■ резгш ее деградации определяется режишы погоды. По соотношению и чередования 'указанных процессов выделены пять типов режима наледей в теплый период года.

Обобщение-материалов многочисленных аэрофотосъемок и специальных наземных экспедиционных работ- позволили в количественном виде установить связь ыэзду долей уменьшения наледей подземных вод за счет- водной эрозии и показателем руслового процесса на участке реки.

Результаты специальных работ на налэдных полигонах с применением нестандартных технических средств позволили автору установить, что внутрпсуточная интенсивность водоотдачи наледей практически соответствует интенсивности таяния льда. Максимальный модуль водоотдачи достигает 3.2 куб.ы /(с-кв.кг,! льда).Выделено два типа гидрографа водоотдачи, характерных для аати-циклонального и конвективного типов погода Установлена связь температурного коэффициента таяния льда со_ средней суточной температурой воздуха за интервалы времени больше 5 суток.

' 3- МЕТОДЫ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК СЕЗОННОГО ОЛЕДЕНЕНИЯ

Если ориентироваться^ на рассмотренную выахе концепцию эволюции СО,то на ее основе должна быть разработана единая система расчетных методов, которая бы учитывала взаимосвязь и взаимообусловленность криогенных водных объектов в тесной • связи с другими природными процессами. Такой подход монет быть реализован в ближайшей будуары,поскольку требует проведения специ-

альных палевых исследований для получения отсутствующих в настоящее время данных.

Для более точных инженерных оценок автор диссертации усовершенствовал существующие и предложил новые методы расчета характеристик составляющих СО,необходимые для оценок ресурсов поверхностных и подземных вод. В основу этих разработок положен большой объем дополнительных материалов специальных полевых исследований, полученных в последние годы в ГГИ при участии аз-тора. В рассматриваемых никэ методах широко использованы и данные стандартных наблюдений на сети гидрологических постов.

Для каждой составляшей СО разработаны методы расчета суммарного объема воды во льду к концу зимы, гидрографов их питания в холодный и водоотдачи в теплый периоды года. В связи с еще слабой изученностью сезонных подземных льдов наледвых участков речных долин их характеристики предложено определять в совокупности с наледями подземных вод. По оценке Б. Н. Дейкина их соотношение в центральной части зоны ЕМ в среднем составляет 1 : 5. Расчетные характеристик суммарного объема речных наледей и речного льда (ледяного покрова рек) такие определяются совместно в связи с еще малым объемом натурных данных. По оценке В. Л. Соколова соотношение этих составлявших СО (по объему) в зоне БАМ в среднем равно 1 : 0,7. Рассмотренные ниле методы предназначены для использования при отсутствии данных специальных наблюдений.

Для определения объема наледей подземных вод и сезонных-подземных льдов .предложено использовать следующее выражение (В.XСоколов):

У - аТ* , ( 5 )

где - тыс. куб. м ; Гн -площадь наледи, определяемая по азро-носмо'фотоснимкам, каталогам, результатам наземных обследований, тыс. кв. м ; а и <1 эмпирические коэффициенты.

При составлении районных каталогов наледей зоны ВАМ были использованы разные (районные) значения коэффициентов а и Л На основе привлечения существенно большего объема и более точной информации автор пришел к выводу, что э-ти коэффициенты могут быть приняты одинаковыми практически для всех наледных районов страны со следующими значениями: а - 0,67; -1-1,1; <3 -

-4371. Неизменность параметров подтверждает устойчивость СП, в которую входят каледи подземных вод. Исключение составляют горные районы с глубоко врезанными речными долинами малых рек, где каяедные поляны практически не формируются. Для таких районов автором предложен метод расчета V/ , учитывающий мофоло-гию наледных массивов:

V - Рн А + г) (1 + и) , ( б )

где А - максимальная мощность наледи, определяется по районным связям в зависимости от длины реки и высоты местности,и; г и и - безразмерные коэффициенты, отрешает распределение толщины льда по поперечному и продольному сечениям.

-0,26

г - 0.3 Б . ( 7 )

Связь коэффициента и с С не установлена. Для массовых расчетов и - 0.5.

Результаты поверочных расчетов для 92 наледей в верхней части бассейна р. Чары (Северное Забайкалье) показали, что систематическая ошибка вычисления У предложенным методом в 1,5 - 2 раза меньше, чем по уравнению ( 5 К •

Внутригодовая динамика наледей подземных вод изучалась многими исследователями. Установлены наиболее общие -закономерности их роста и стаивания (ЕЛ. Соколов). Данные наблюдений, полученные за последние годы, позволили автору диссертации разработать новые, более детальные методы определения расчетных характеристик динамики наледей.

Средние декадные значения ординат суммарного гидрографа питания наледей подземных вод в речном бассейне рассчитываются по следующей формуле*.

г1

<3ПН7 0.87 1 2 (О.. - О.. ) 4.1 А.. , ( 8 )

™Л 1 И< Чн 1 2

где С« и С" - относительные значения объема Л-той из п нале-Чк 33 н

дей в долях максимального объема в конце зимы соответственно в гонце и начале' з'-того расчетного интервала продолжительностью 1..Параметр определяется по графику связи, в обобщенном виде

учитывающему, интенсивность сработки запасов подземных вод в бассейне и динамику промерзания подрусловых таликов. В качестве косвенных количественных показателей этих двух факторов приняты К и длина водотока Первая характеристика отражает воздействие отрицательного температурного поля на поток, вторая - его величину. Средняя дата начала формирования наледей определяется по следующему выражению:

-0,29

Т = Т0 * 133 М ' , ( 9 )

где Т0 - дата устойчивого перехода средних суточных температур воздуха через О С; Ч - тыс. куб. м .

Погрешность расчета ординат гидрографа за отдельные годы не превышает 35 - 40 %, а их средних многолетних значений - 15%.

Средние декадные значения ординат суммарного гидрографа . н а -ледного стока в речном бассейне предложено рассчитывать по следующему уравнению:

(10)

ь гь

(1-0.) -с.

О.- 0.75 с.[—------ + 0.1б71-(1ЧЗ.)(2.25 С.-У1чГ.), ( 11 )

и

где Ь - сборный коэффициент, отражающий морфологию наледи, для масоовых пасчетов принят.равным 0,00012 ;

С.-Ъ./А, ( 12 )

здесь Ь. - слой с'таивания льда за период от начала таяния до конца расчетного периода, рассчитывается по данным о средней суточной температуре воздуха (с учетом ее внутрисуточного хода) и высоте местоположения наледи;

А - £25 Нс , ( 13 )

где Не - средняя мощность наледи, м; б. - безразмерный коеффи-

циент, отражающий разрушение наледи водным потоком, определяется по графику в зависимости от размеров реки, средней ширины наледи и продолжительности периода от начала эрозии до конца 3 -того расчетного интервала времени.

Методы расчета характеристик объема воды в ледяном покрове речного бассейна разработаны Е Л. Соколовым, Ф. Ф. Черной и детализированы Б. К Кравченко. Для получения более точных оценок автор решил эту задачу на основе более полного учета морфологии речных русел.

Основное расчетное уравнение объема воды в ледяном покрове рек имеет вид:

п

V - 0.9 2 а в- ). , ( 14 )

1 1

где I - суммарная длина равноудаленных от истока участков рек в бассейне; и - средняя плосадь поперечного сечения ледяного покрова на участке реки заданной 1-той градации расстояния от истока; п - число градаций.

Параметр ш предложено рассчитывать по. уравнению:

V - Вд Нд {1- СНД ДНЛ + Нь )1 / 3> , . ( 15 )

где В^ и Нд -соответсвенно ширина и максимальная толщина ледяного покрова,м; Нь -. максимальная глубина йодного сечения подо льдом, м. Для средних и больших водотоков Параметр Вл определяется по данным наблюдений на постах, для малых перемерзающих рек с наледями речных вод - по морфологическим зависимостям характеристик русла с учетом толщины льда в конце зимы. Морфологические зависимости устанавливаются по данным, промеров глубины воды в период открытого русла

Б отличие от ранее предложенных методов расчет динамики потерь стока на формирование леляного покрова предложено выполнять на основе учета изменения толвдны льда за счет нарастания коленей и собственно речного льда,поскольку при равном увеличений холены гверх и вниз приращение плошади поперечного сечения будет существенно больше з первом случае из-за увеличения его ширины,

Ординаты гидрографа аккумуляции воды в ледяном покрове

- 21 -

рассчитываются по следующей формуле: п

Q. - 0.9Í 2 IL -w. )3;>/Ц , ( 16 )

Д 1 . Зк Jh 1 j

где и . - средняя шгоцадь поперечного сечения ледяного покрова на i-том равноудаленном участке реки соответственно на начало и конец j - того периода.

Параметр в определяется по уравнению:

3 3

СНрн + Над ) - (Нри- Нр„. )

»*- ---------- 2----------.( )

J ** 3(Нл + Нь)

где Hpj,;BpH;Hpj,. и Нрн^- толщина соответственно речного и на-ледного льда в Звонце зимы и на конец j-того расчетного перио да. . .

Уаракгеристики Н^, и Hpj, определяются по графикам связи Hj,= . -f(tp) и а0-Г(Ьр),где Lp - длина реки; Н0 - максимальная . глубина реки при установлении ледостава. Эта характеристика отражает отметку поверхности воды,от которой в дальнейшем происходит нарастание речного льда вниз и наледного вверх на малых водотоках при жестком "креплении" ледяного покрова к берегу.

Характеристика Нраспределяется по данным, наблюдений за толщиной льда на безналедных участках рек. Дня расчета Нрн. . предложена "типовая" (территориально общая) кривая,построенная ■па данным специальны-: режимных наблюдений за речными наледями на гидрологических постах Восточной. Сибири.

Расчет гидрографа водоотдачи ледяного покрова предложено производить по следующему уравнению:

Zfi zjs гр Q- - а9 V С (t- - t. )/to з/t. , (18)

J Лк Ли J

где tи t-^ -продолжительность периодов от начала таяния и разрушения ледяного покрова соответственно до начала jH и конца jK расчетного j-того периода; t©- общая продолжительность периода таяния и разрушения ледяного покрова. Уравнение получено на основе даяныг натурных наблюдений автора за стаиванием

и разрушением ледяного покрова рек, а та< же наблюдений на сети постов.

4. СТОКОФОРМИРУКЩАЯ РОЛЬ СЕЗОННОГО ОЛЕДЕНЕНИЯ ЗОНЫ БАМ

В настоящее время составляющие СО зоны ВАМ изучены с разной детальностью и в делом недостаточно для надежных количественных оценок. В связи с этим можно привести лишь ориентировочные результаты расчета суммарного объема воды, ежегодно аккумулируемой в СО на всей территории зоны БАМ моавдыо около 1.5 млн. кв. км .

В основу расчета положены: 1) каталог наледей подземных вод по западной и центральной частям этой территории,составленный в ГГИ по данным аэро- VI коемофотосъемок при участии автора; 2) расчеты объема еоды в ледяном покрове по 120 бассейнам рек,выполненные автором диссертации по методам,изложенным выше. Установлено,что на рассматриваемой территории в СО ежегодно аккумулируется не менее 10,4 куб. км воды, из них в ледяном покрове рек -. 6,6-- ,в наледях и сезонных подземных льдах - 3,8 куб. км .

О характере распространения СО по территории дает представле-' ние карта на рис.2. Для любого бассейна слой воды-можно-определять с помощью следующего уравнения:

-0,254 " ■ 0,412 '

Ь - 144 Р (Б - 0.04) + О. 0225 Р Ь,п , (19)

где Б -коэффициент наледности ,% и слой воды .аккумулированной в ледяном покрове, определяются по карте, мм. Наибольший объем СО формируется на территории Станового кагорья. В малых бассейнах этого района слой воды СО достигает 50 мм и больше."

Многолетняя изменчивость СО и его составляющих изучена очень слабо. В частности Б. Л. Соколов разработал формулы для ориентировочной оценки параметров кривых распределения вероятностей характеристик наледей подземных вод. Для расчета коэффициента вариации объема воды в ледяном покрове рек зоны БАМ автором получено следующее выражение:

-0,256

С» =1.54 Р (20)

Заз-чения коэффициента асимметрии, как правило, положительные и для восточной части зоны БАМ могут быть приняты равными 4Су

N

(Б. Л. Соколов, Г. А. Любимов); для Прибайкалья -2Счг (Е Е Кравченко); по данным авюра диссертации по центральной части зоны БАМ: для рек с Р < 1000 кв. км - 20г ,рек с 1000 кв.км < Р < 10 ООО кв. км - ЗСу, рек с Р >10 ООО кв. км - 4Су .

К настоящему времени выполнены расчеты по небольшому числу речных бассейнов, характеризующих роль отдельных составляющих СО в формировании речного и подземного стока зоны БАМ (Б. Л. Соколов, Б. К Кравченко, Г. А. Любимов,В. Е Пономарев), что было связано преимущественно с малым объемом исходных данных о ледяных образованиях. В диссертации такие оценки получены для 90 рек с площадью водосбора от нескольких квадратных километров до нескольких десятков и сотен тысяч квадратных километров. Их обобщение привело к следующим основным выводам.

Составляющие СО контролируют в среднем 2-6% годового стока средних и до 30% малых рек . Наибольшее влияние формирование СО оказывает на внутригодовое распределение стока.В гидрометрических створах зимой фиксируется лишь 20 -60 X подземного питания неперемерзаюших рек. На перемерзающих реках ледообразование представляет основную форму их зимнего режима. Доля талых вод СО в объеме весеннего половодья составляет 5-15% ■ ± а в районах со слабо выраженным половодьем до 202 (максимально 30%).. В формировании речного стока е летне-осенний период участвуют только талые воды наледей подаемных вод и сезонных подземных льдов. В это время дополнительный приток в речную.сеть невелик даже для малых рек с высокой наледностью и не превышает 10% вследствие высокой водности и уже сравнительно небольших расходов наледного стока

В зоне ВАМ в целом стокоформируюшая роль СО существенна для рек с площадью водосбора меньше 1500 кв. км. Значение этого фактора весьма заметно на средних и больших реках только зимой.

Но полученным данным в среднем для территории СО контролируется около 40% подземного притока в реки зимой. Если не учитывать его объем и многолетнюю изменчивость,то годовой подземный приток в реки 95%-ной обеспеченности будет занижен на 10-20%.

Как отмечено выше формирование больших массивов льда в русле и на поиые приводит к уменьшению пропускной способнссь- _речного потока подо льдом.Происходит ослабление гидравлических связей мехпу взаимодействующими злементаш речной сети ,а при перемер-зании на перекатах - их локализация. Последняя приводит к разделению единого речного бассейна на многочисленные несвязанные по-

6.Сезонное оледенение в совокупности с мерзлыми породами образует макроструктуру PC - криогенный барраж. Он является своеобразным "клапаном" или той переменной литогенного звена круговорота воды, которая "корректирует" внешнее воздействие на динамику водной' составляющей PC, обеспечивая соответствующие оперативные изменения в ней, направленные на сохранение ее устойчивого состояния. Отличительной и определяющей чертой этих изменений является их пространственно - временная асимуетрия. На речных участках з пределах КБ зимой уменьшается, а на.ниже расположенных - увеличивается интенсивность водообмена между рекой и водоносными комплексами. Летом наблюдается обратная картина.

7. Дальнейшие исследования по рассмотренной проблеме целесообразно сконцентрировать на двух направлениях: 1) преимущественно качественные соображения об эволюции СО выразить ь виде количественных соотношений; 2) изучить процессы формирования всегс комплекса элементов криогеннго барража ,включающего СО, русловые и подрусловые отложения рыхлого материала, мерзлые породы, и связанные с ним асимметричные изменеыя процессов формирования стока, в первую очередь подземного питания рек.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ГО ТЕШ ДИССЕРТАЦИИ

1. О разрушении наледей, водными потоками. - Вопросы гидрологии суши. Доклады ' конференции молодых ученых и специалистов. Гидрометеоиздат, 1980, с. 46-52.

2. Строение и водный режим поверхности наледей в период их таяния. - В кн. : Наледи Сибири и Дальнего Востока. Новосибирск, Наука, 1981, с.125 -г 133 (соавтор Б. £ Соколов).

• 3. О распространении и режиме наледей речных вод на центральном участке зоны БАИ. • - Материалы гляциологических исследований. Хроника Обсуждение, вып. 41,11:1981, с. 75 - 73.

4. ВнутрисуточЕЬй ход интенсивности- водоотдачи и стаивания наледей. -Сб. : Вопросы гидрологии суш. Доклады конференции молодых ученых*и специалистов. JL : Гидрометеоиздат, 1982, с. 51 - 55.

5. Рапространение-наледей в бассейне реки Куанды (по материалам аэровизуальных обследований). - Труды ГГИ, 1983,вып. 290,с. 68 - 83 (соавтор Б. Н. Дейкин),

6. Автоматические- устройства длз измерения абляции наледных массивов. - В сб. : Гляциология Восточной Сибири. Иркутск, 1983,

С. 36-44.

7. Определение средней мощности наледей подземных вод по измерениям толщины льда в эрозионных руслах. - Труды ГГИ, 1934, вып. 300, с. 61 -69.

8. Расчет объема наледей подземных еод с учетом морфометрии

наледных участков рек. В сб.:Гляциологические исследования

ь Сибири. Иркутск, 1985, с. 137 - 145.

9. Расчет .запасов воды в ледяном покрове рек и наледях для оценки ресурсов подземных вод в центральных районах зоны БАМ -В сб.: Гляциологические исследования в Сибири. Иркутск, 193-5, с. 92 - 101 (соавтор Б. ЕДейкин).

10. Оценка погрешностей измерения характеристик наледей.-Труды ГГИ, 1987,вып. 314,с. 90 - 114 (соавторы Е Е Колотаев.Е Л. Соколов).

11. Расчет гидрографа наледкого стока. - Труды ГГИ, 1987, вып. 314, с. 44 - 65.

12. Речные наледи зоны БАМ. - Труды ГГИ, 1987, вып. 314, с. 3 -43 (соавторы Б. Л Соколов, Ф. А. Лифшиц).

13. О формировании наледнь'х полян и их влияние на гидрологический режим рек. - В сб.: Вопросы гидрологии суши. Доклады конференции молодых ученых и специалистов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988, с. 172 - 177 (соавтор Л К. Беренсен).

14. Методика расчета объема'и гидрографа потерь зимнего_ стока рек на образование ледяного покрова. -.Мерзлотно-гидрологические исследования зоны свободного водообмена. - Ы.: Наука, 1989, с. 74-86.

15. Диссипативные структуры рек криолитозоны. - География- и природные ресурсы. 1991, N 2, с. 10 - 17.

16. Внутригодовая динамика наледей подземных вод и методы ее расчета - В сб.: Проблемы наледеведения. Новосибирск,Наука, 1992,

17. Аккумуляция воды в руслах перемерзающих рек. -Труды ГГИ, 1992, вып. 355, с. 111-123.