Наледи и русловые запасы льда Центральной части Восточного Саяна

Наледи — своеобразное и широко распространенное явление природы, характерное для регионов с суровыми климатическими условиями. Изучение их началось трудами российских ученых-путешественников.

A.Ф.Миддендорфа, Г. Л. Майделя, К. Дитмара, С. А. Подъяконова еще в середине-конце XIX в. Особенно активно исследовались наледи во второй половине XX столетия. В настоящее время совокупность знаний о наледях и наледных процессах оформилась в самостоятельное научное направление — наледеведение. В становлении и развитии его большой вклад внесли отечественные ученые и специалисты, доктора и кандидаты наук.

B.Е.Афанасенко, В. Р. Алексеев, А. П. Горбунов, А. В. Иванов, М. М. Корейша, В. В. Кравченко, И. А. Некрасов, В. Г. Петров, Н. Н. Романовский, Е. А. Румянцев, Н. Ф. Савко, Б. Л. Соколов, М. И. Сумгин, Н. И. Толстихин, О. Н. Толстихин, М. Ш. Фурман, А. Н. Чижов, В. В. Шепелев, А. А. Цвид и др.

Долгое время основное внимание исследователей привлекали крупные ледяные поля, формирующиеся за счет излияния и последующего намораживания подземных вод. Как правило, такие массивы льда «нанизаны» на русла рек, имеют округлую конфигурацию и распространяются на всю ширину днища долины, отделяясь, друг от друга значительными расстояниями. Изучению наледей других генетических типов (речных, талых снеговых, озерных вод) посвящено небольшое число работ. Вследствие этого сложилось мнение, что на реках Сибири и Дальнего Востока наледи, хотя и имеют большие размеры, но встречаются локально, т. е. не образуют сплошных ледяных покровов по длине водотоков. Например, в Каталогах наледей зоны БАМ (1980, 1981, 1982), отражены характеристики более 4000 наледей подземных вод, зафиксированных л специальной аэрофотосъемкой на территории 260 000 км. Все они демонстрируют дискретный характер распределения ледяных массивов.

Между тем, специальные наблюдения на сибирских реках (Алексеев, 1975; Кравченко, 1983; Соколов, 1975) показали, что наледи имеют более широкое распространение, и что происхождение их носит гетерогенный характер. В связи с этим возникла необходимость постановки долгосрочных режимных наблюдений на водотоках различного порядка по всей их длине для того, чтобы выявить фактические масштабы развития наледных процессов (показать их «линейное» распределение), выявить структуру и изменчивость ледяного покрова во времени и пространстве, оценить его роль в функционировании речных систем и внутригодовом перераспределении водных ресурсов. Исследования в данном направлении были осуществлены сотрудниками лаборатории гляциологии Института географии СО РАН под руководством д.г.н., проф. В. Р. Алексеева в 1980;1994 гг. Полученные выводы и материалы приобретают важное практическое значение при освоении новых регионов, в частности, при оценке наледной опасности на трассах автозимников, на участках проектирования и строительства мостов, ледовых переправ, трубопроводов, при прогнозировании весенних паводков и ледяных заторов, при общей оценке проходимости территории и т. д.

Стационарные исследования наледных процессов, проводимые автором в конце 90-х гг. в горах Восточного Саяна в связи с экономической ситуацией в стране были прекращены, в результате чего сбор фактического материала, его обработка и анализ не были завершены. В настоящей работе автор проводит обобщение, систематизацию и анализ имеющихся материалов. Основная цель работы — на примере центральной части Восточного Саяна изучить генетическую структуру ледяного покрова в различных звеньях гидрографической сети, выявить закономерности распространения и морфодинамические особенности наледей, усовершенствовать методику расчета русловых запасов льда в период их годового максимума. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1) рассмотреть условия и факторы льдообразования в зависимости от высоты местности и порядка водотоков речной системы;

2) изучить строение ледяного покрова на реках, определить количественные показатели наледного и речного льда, оценить их изменчивость во времени и пространстве;

3) рассчитать объемы воды, сконцентрированные в наледном и речном льду в руслах неизученных рек со сходными морфоструктурными и климатическими условиями;

4) разработать способ картографического отображения русловых запасов льда.

Решение сформулированных задач осуществлялось в верхней части бассейна реки Уды с площадью водосбора 9371 км. Эта горная территория расположена в пределах абсолютных высот 750−2500 м, охватывает три природных пояса — горно-таежный, подгольцовый и гольцовый. Для получения необходимых данных использовались дистанционные методы наблюдений с вертолетов МИ-4, МИ-8 и наземные исследования на опорных маршрутах, профилях и площадях. Основная часть материалов получена на трех специальных гляциологических полигонах, представляющих собой участки рек различных порядков или их бассейны, специально оборудованные для режимных наблюдений.

Экспериментальный наледный полигон Эден площадью 1250 км² расположен на границе Тофаларии и Тывы (абс. выс. 1300−2300 м). Он включает в себя два противостоящих бассейна рек Эгеги и Эдена третьего и четвертого порядков и часть долины реки Уды V порядка ледниково-тектонического происхождения. Эта территория характеризуется сложно расчлененным рельефом, прерывистым и преимущественно сплошным распространением многолетнемерзлых горных пород, относительно небольшой мощностью снежного покрова. Режимные наблюдения за динамикой наледных явлений осуществлялись здесь в течение 10 лет на протяжении 1983;1992 гг. Всего на полигоне Эден было оборудовано 140 ландшафтно-гляциологических профиля и 5 временных метеорологических постов.

Полигоны Шаманка и Синий Камень расположены в нижней части горно-таежного пояса Восточного Саяна в пределах абсолютных высот 7 501 550 м. На этой территории более мягкий рельеф местности, широко представлена темнохвойная тайга, вечная мерзлота встречается небольшими островами, а высота снежного покрова в 1,5−2,0 раза больше, чем в верховьях реки Уды. Программа наблюдений на полигоне Шаманка площадью 16,7 км² реализована В. В. Кравченко. Здесь в 1987;1991 гг. выполнен полный комплекс гляцио-гидрологических, метеорологических, мерзлотно-гидрогеологических и других работ. На полигоне оборудовано 134 ледомерных створа, где осуществлялись режимные наблюдения с октября по июнь включительно. Одновременно с изучением наледей на полигоне Шаманка проводились эпизодические измерения меженного стока и ледомерные съемки в приустьевых участках рек, впадающих в реку Уду на протяжении около 100 км.

Полигон Синий Камень представляет собой 4-х километровый отрезок реки Уды VI порядка у устья реки Нерхи. На этом участке выполнен оригинальный комплекс наблюдений за развитием наледей речных вод. Исследовались температурный режим и динамические особенности подледного водного потока, нарастание льда сверху и снизу, вода и снежный покров на льду, осенние и весенние гляцио-гидрологические явления и пр.

Для решения поставленных задач применялись следующие методы: 1) ландшафтно-ключевой- 2) режимных стационарных наблюдений- 3) экспедиционный, основанный на маршрутных наземных и аэровизуальных съемках наледей- 4) многофакторного географического анализа- 5) ландшафтной индикации.

При анализе и обобщении полученных материалов автор использовала как свои личные наблюдения, выполненные на полигоне Эден в 1986;1992 гг., так и сведения, полученные в разные годы сотрудниками лаборатории гляциологии Института географии СО РАН в других частях бассейна реки Уды. При обработке данных применялись графоаналитический и картографический методы интерпретации данных, использовался набор компьютерных программ Microsoft Office. Порядок водотоков определялся на основе топографических карт масштаба 1:25 000 и 1:100 000.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) определена генетическая структура ледяного покрова в руслах горных рек различного порядка;

2) получены представления о распространении и пространственно-временной изменчивости наледей и речного льда в горах Восточного Саяна;

3) оценена роль наледей в формировании русловых запасов льда и водных ресурсов горной территории;

4) предложен новый способ картографирования льдозапасов в руслах рек, учитывающий структуру гидрографической сети.

В работе представлены материалы и выводы, которые могут быть использованы: 1) при региональной оценке условий и факторов формирования водных ресурсов юга Восточной Сибири- 2) при составлении прогнозов весеннего половодья на горных реках Иркутской области- 3) при проектировании и строительстве автозимников и трасс линейных инженерных сооружений.

Основные результаты исследований докладывались и представлялись: на X и XI научных совещаниях географов Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, 1999 г., 2001 г.), на Первой Всероссийской конференции «Рекреационная география Азиатской России: современное состояние и перспективы развития» (Иркутск, 2000 г.), на VII научном совещании по прикладной географии (Иркутск, 2001 г.), на XV конференции молодых географов Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, 2003 г.), на Международной научной конференции «Рациональное использование и охрана водных ресурсов в изменяющейся окружающей среде» (Ереван, 2003 г.).

Основные положения защиты:

1. Характерной особенностью речных систем центральной части Восточного Саяна является повсеместное распространение наледей речных, подземных и талых снеговых вод. Закономерности формирования и пространственно-временное распределение наледей здесь обеспечивается сложным комплексом природных факторов и условий, в числе которых ведущее место занимает структура и планово-высотное положение гидрографической сети. Отсутствие наледных явлений на горных реках 1Н-1У и более высоких порядков есть редкое исключение, а не правило.

2. Ледяной покров горных рек генетически неоднороден. Обычно он состоит из 3−4 ярусов, параметры которых определяются порядком водотоков и морфологическими особенностями долины. В руслах рек 1−1У порядков преобладает лед анагенного происхождения, нарастающий снизу вверх при последовательном послойном намораживании речных, подземных и талых снеговых вод. В руслах рек более высоких порядков большую часть разреза составляет лед катагенного происхождения, образующийся в результате промерзания водных потоков сверху вниз.

3. В верхних звеньях гидрографической сети наледные процессы определяют русловые запасы льда. Доля наледей в объеме ледяного покрова горных рек меняется по мере удаления от их истоков: на водотоках Ш-1У порядков она в 7, 10, 16 раз и более превышает объем собственно речного льда, в руслах рек высоких порядков составляет примерно половину. Учет наледной составляющей ледовых ресурсов позволяет более точно рассчитывать подземный и поверхностный сток.

Основное содержание диссертации отражено в 6 статьях, опубликованных в материалах всероссийских и международных совещаний и конференций.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения.

Список литературы

включает 116 наименований. Общий объем работы составляет 200 страниц, в том числе 25 таблиц, 50 рисунков. Приложение содержит 7 рисунок, 11 таблиц.

Выводы:

1. На водотоках Центральной части Восточного Саяна распространение наледей сложно дифференцированно.

2. Ледяной покров практически на всех исследуемых нами реках имеет сложную слоистую структуру, в связи с наложением одного слоя наледей на другой. В послойном намораживании принимают участие наледи трех основных типов: подземных, речных и талых снеговых вод.

3. Особенности наледеобразования тесно связаны с порядками водотоков речной системы, зависят от ее структуры и высотного положения.

4. Наледи речных вод и вод, образующихся при таянии снега, встречаются преимущественно на водотоках высоких порядков с абсолютными высотами от 800 до 1000 м и имеют небольшую мощность. На водотоках II-IV наледи талых снеговых вод встречаются только в виде небольших «нашлепок».

5. Большую часть территории занимают наледи образованные подземными водами, имеющими максимальное распространение на реках II-IV порядков, расположенных в диапазоне высот 1000−2000 м, снежный покров практически отсутствует, толщина наледей увеличивается в десятки раз, соответственно возрастает и наледность.

6. Верховья р. Уды и притоки 1-ого порядка многоснежны и наледи в этих условиях имеют небольшую мощность или вовсе отсутствуют.

ГЛАВА 4. МОРФОСТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И РЕЖИМ НАЛЕДЕЙ.

Наледи центральной части Восточного Саяна являются очень динамичными, ежегодно формируются в одних и тех же местах, в течение всего зимнего периода идет активное увеличение их мощности и к концу лета они практически все стаивают (рис. 4.1—4.2). Из-за ежегодно изменяющейся гидрометеорологической обстановки наледи каждый год меняют свои размеры. Программа долговременных работ на экспериментальном полигоне «Эден» включала в себя изучение строения ледяного покрова в различных звеньях гидрографической сети и оценку их изменчивость во времени и пространстве. Для получения сведений о внутригодовом и многолетнем режиме наледных процессов использовался ландшафтно-ключевой метод, основанный на детальном изучении репрезентативных для данного региона, участков местности (см. рис. 2.1.). Предварительные выводы освещены в работах Алексеева В. Р., Ковальчук O.A. (1999, 2001) и Ковальчук O.A. (2001).

4.1. Морфология и структура наледей.

Наледи исследуемого района имеют сложную конфигурацию и в большинстве случаев их поверхность в основном плоская и только в некоторых местах выпуклая в центре наледного массива. Небольшие поднятия в виде бугорков наблюдаются у стволов деревьев, кочек, кустарников, где сказывается влияние капиллярного поднятия. В своей работе мы выделяем склоновые и русловые наледи, которые имеют ряд особенностей.

Рис. 4.1. Водопадный участок русла р. Эгега. Абс. высота 1825 м. Зимой полностью перекрывается наледным льдом мощностью до 2,5 м.

Рис. 4.2. Русло р. Бол. Эден в летнюю межень. Зимой полностью перекрывается наледным льдом мощностью до 3,0 м.

4.1.1. Наледи на склонах гор

Склоновые наледи формируются постоянно действующими источниками подземных подмерзлотных вод у подножия речных террас и у нижней части склонов. В плане это овально вытянутые массивы, которые быстро нарастают и также быстро затухают. Периодическое промерзание зоны насыщения и капиллярного поднятия приводит к повышению зеркала грунтовых вод, в результате чего наледь начинает распространяться вверх по склону, образуя ледяные каскады или ступени, спускающиеся в днища долин с высоты более 15 м. Это характерно только для склоновых наледей. Ширина таких наледей очень часто в несколько десятков раз меньше ее длины. Если источники наледеобразования рассосредоточены вдоль подножия склона, то и наледное тело вытягивается вдоль этого склона. В этом случае ширина наледи может составлять несколько сот метров, длина десятки метров. Наледи таких типов имеют слоистую структуру, слои очень быстро выклиниваются. Это связано с тем, что дебит питающих их источников небольшой и намерзание происходит тонкими пленочками. Вода, растекаясь, по поверхности склона образует тонкий слой льда, на который накладывается следующий слой. Таким образом, структура наледи выглядит как слоеный «пирог». В отличие от русловых, в толще склоновых наледей линзы воды практически отсутствуют.

В бассейне р. Бол. Эден склоновые наледи часто встречаются на левом склоне долины в 8, 9, 12 км от устья. В долине реки Уды зафиксировано большое количество аналогичных наледей на отрезке между устьями ее притоков Огнит и Джуглым.

Рассмотрим ежегодно формирующуюся склоновую наледь, расположенную на левом склоне в долине р. Уды в 0,5 км выше впадения р. Эгега (рис. 4.3). Склоновая наледь формируется за счет постоянно действующего источника подземных вод со средним расходом около 1,5 л /с, который имеет сосредоточенный выход в небольшой эрозионной ложбине с.

Расстояние от опорной точки.

Рис. 4.3. Профиль наледи на склоне горы в верхней части бассейна р. Уды. крутым (25°) уклоном на высоте 80 м над урезом воды. Температура воды источника летом +1,5°С, зимой + 0,2°С. Наледь распространяется вверх по склону и имеет форму плосковыпуклой ассиметричной линзы, максимальная высота которой приближена к головке наледеобразующего источника. По средним многолетним данным ширина наледи достигала около 60 м, а длина более 160 м. На стволах деревьев и на кустарниках имеются следы наледной деятельности в прошлом, которые позволили определить размеры наледи за период времени до режимных наблюдений (до 1987 г.). Измерения наледи проводились по 9 характерным поперечным профилям в период ее максимального развития (конец апреля), в течение 6 лет (1987;92 гг.). Замеры показали, что форма наледного массива изменялась незначительно, хотя размеры, колебались в больших пределах (табл. 4.1.). При средней многолетней мощности наледного льда 1,4 м, максимальная мощность наледи за многолетний период достигла 2,4 м, многолетняя средняя площадь поперечного сечения составила 87,3 м².

В процессе разрушения наледный лед разбивается потоками талых вод на обособленные блоки, полное стаивание которых, завершается в 20−25 июля. На месте наледи образовалась хорошо выраженная заболоченная поляна, обрамленная высокоствольным разнотравно-моховым кедрово-лиственничным лесом.

4.1.2. Русловые наледи.

На исследуемой территории наибольшее развитие получили наледи, образующиеся в результате намерзания речных и подземных вод в руслах рек. Средняя длина этих наледных массивов превосходит их среднюю ширину в 100−320 раз. Правомерность этого утверждения доказана результатами аэрофотосъемки, проведенной практически на всех реках исследуемого бассейна. В плане русловые наледные поля довольно изменчивы, они претерпевают изменения при каждом излиянии наледеобразующих вод, при механическом разрушении, таянии и испарении по всей длине исследуемых рек, в зависимости от изменений морфологии русла, состава отложений, от мощности образующейся наледи, генетических типов наледеобразования (Алексеев, Ковальчук, 2001). Их границы в.

Условные обозначения к табл. 4.1:

Ь — ширина наледи на поперечном профилеЬ макс. — максимальная мощность на леди на профилеЬ ср. — средняя мощность наледи на профиле', fплощадь поперечного сечения на профиле;

Мах* - многолетняя максимальная мощность наледи по отметкам на деревьях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Центральная часть Восточного Саяна отличается высокой наледностью. Здесь широко представлены русловые наледи трех типов: речных, подземных и талых снеговых вод.

Установлено, что запасы руслового льда на реках существенно сказываются на водном режиме горных рек и влияют на формирование весенних паводков, приводящих к катастрофическим последствиям.

В условиях широкого распространения многолетней мерзлоты и дефицита весенних атмосферных осадков наледный и речной лед вместе со снежным покровом является мощным источником питания рек. Процесс наледного регулирования речного стока должен учитываться при расчетах элементов водного баланса горных территории.

Традиционные методы расчета наледных характеристик высокогорных районов требуют значительных объемов исходной гидрометеорологической информации. Надежный расчет характеристик речного стока в горах возможен лишь при наличии фактических исходных данных, получаемых в результате долгосрочных режимных наблюдений на всех звеньях гидрографической сети. Для повышения точности оценки ледовых ресурсов в качестве дополнительных аргументов нами учитывалась структура гидрографической сети, что облегчает проведение пространственного анализа распределения ледовых ресурсов. Такой подход к изучению льдозапасов на горных реках позволяет определить фактические масштабы развития наледных процессов (показать их «линейное» распределение), выявить особенности пространственного распределения ледяного покрова.

Полученные выводы и материалы приобретают важное практическое значение при освоении новых регионов, в частности, при оценке наледной опасности на трассах автозимников, на участках проектирования и строительства мостов, ледовых переправ, трубопроводов, при прогнозировании весенних паводков и ледяных заторов, при общей оценке проходимости территории и т. д.

Результаты исследований позволили внести коррективы в методику оценки снежно-ледовых ресурсов криолитозоны и расчет гляцио-гидрологических характеристик малых и средних рек неизученных горных регионов Восточной Сибири.