Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Факторы формирования стока наносов и русло вых процессов в криолитозоне 11
1.1. Общая характеристика криолитозоны и влияние мерзлоты на сток наносов и русловые процессы 11
1.2. Геологическое строение и рельеф 14
1.3. Климат 18
1.4. Гидрография и гидрологический режим рек 24
1.4.1. Характеристика гидрографической сети 24
1.4.2. Особенности формирования стока рек в криолитозоне 27
1.4.3. Речной сток и гидрологический режим. 31
1.4.4. Ледовый режим 39
1.5. Мерзлотные условия 41
Глава 2. Формирование и режим стока взвешенных нано сов рек криолитозоны 49
2.1. Изученность формирования стока взвешенных наносов рек криолитозоны 49
2.2. Материалы и методы исследований 54
2.3. Изменчивость стока наносов в различных временных масштабах 56
2.3.1. Внутригодовая изменчивость 56
2.3.2. Межгодовая изменчивость 70 выводы к главе 2. 75
Глава 3. Многолетние характеристики стока взвешенных наносов рек криолитозоны 77
3.1. Изученность характеристик стока взвешенных наносов в криолитозоне 77
3.2. Роль физико-географических условий в формировании стока наносов с водосборов рек криолитозоны 82
3.3. Расчёт характеристик стока взвешенных наносов с неизученных водосборов криолитозоны 94
Выводы к главе 3. 101
Глава 4. Условия и особенности руслоформирования реккриолитозоны 103
4.1. Оценка роли промерзания в формировании русел 103
4.2. Факторы формирования мёрзлых грунтов 109
4.3. Механизм формирования мёрзлых грунтов 111
4.4. Методика определения площадей промерзания в руслах больших рек криолитозоны 117
4.5. Фактические данные и их сопоставление с результатами расчётов 120
Выводы к главе 4. 125
Глава 5. Русловые переформирования больших равнинных рек криолитозоны (на примере средней лены) под влиянием сезонного и многолетнего промерзания 127
5.1. Составление планов деформаций русла: материалы и методика 127
5.2. Русловые деформации на участке средней лены и воздействие на них сезонного и многолетнего промерзания русла. 129
5.2.1. Общая характеристика русла и условий его формирования на исследуемом участке. 129
5.2.2. Русловые переформирования на участке павловского переката и их связь с промерзанием грунтов 13 3
5.3. Влияние гидрологических условий на промерзание и устойчивость Русла средней лены 143
5.4. Влияние мерзлотных условий на хозяйственную деятельность в среднем и нижнем течении лены. 151
Выводы к главе 5. 156
Заключение 158
Список использованной литературы
- Гидрография и гидрологический режим рек
- Изменчивость стока наносов в различных временных масштабах
- Роль физико-географических условий в формировании стока наносов с водосборов рек криолитозоны
- Методика определения площадей промерзания в руслах больших рек криолитозоны
Введение к работе
Актуальность темы. Основные особенности стока наносов и русловых процессов зависят от физико-географических условий территорий, по которым протекают реки, определяющих региональный характер их проявления. В криолитозоне важным их фактором являются многолетнемёрзлые породы (ММП), повсеместное распространение которых создаёт специфические условия формирования стока воды с водосборов и развития русел рек, изменяя пространственные и временные масштабы эрозионных и русловых процессов. Закономерности функционирования бассейновых и русловых систем трансформируются на территории криолитозоны, где под влиянием мерзлоты изменяется характер воздействия тех или иных факторов как на речные бассейны, так и на русла рек. Однако качественная и количественная оценка масштабов этих изменений затруднена из-за недостаточности данных наблюдений за мерзлотно-обусловленными процессами, связанными с формированием и движением речных наносов, и формами их проявления, а также из-за отсутствия надёжных методов их исследования.
Речные системы криолитозоны в настоящее время являются наименее исследованными в России, и их изученность во многом не соответствует степени и перспективам экономического развития Российской Арктики. Востребованность теоретических разработок и их прикладных аспектов растёт по мере её хозяйственного освоения. Основные исследования, выполненные здесь во 2-ю половину XX века, были связаны с нуждами и потребностями отдельных отраслей промышленности. Тогда же были впервые получены сведения о специфике распространения мёрзлых грунтов в руслах рек. В то же время «поведению» рек в криолитозоне не уделялось должного внимания, хотя без понимания специфики русловых процессов и стока наносов не могут быть решены многие вопросы улучшения условий судоходства и регулирования русел рек для различных областей хозяйства. Учёт режима стока наносов и русловых
деформаций на реках криолитозоны при решении прикладных задач связаны с
необходимостью выявления закономерностей их формирования и развития, разработкой методов прогнозирования распространения мёрзлых грунтов в руслах рек. Важным также является исследование связей характеристик стока наносов и русловых процессов на реках криолитозоны в связи с глобальными изменениями природной среды и климата.
Цель исследований - выявить основные закономерности формирования стока наносов, морфологии и динамики русел больших равнинных рек криолитозоны, условия промерзания речных отложений, определить возможности прогнозирования распространения многолетнемёрзлых пород в руслах рек и обосновать основные принципы их регулирования.
Для её достижения необходимо было решить следующие задачи:
Рассмотреть природные условия криолитозоны, в наибольшей степени определяющие специфику формирования стока наносов и русловых процессов.
Дать анализ современных представлений о функционировании эрозионно-русловых систем в криолитозоне и методах их исследований.
Выявить наиболее важные факторы и основные механизмы формирования стока наносов и их перемещения в эрозионно-русловых системах в пределах криолитозоны.
Установить закономерности формирования стока наносов на реках криолитозоны, его пространственной и временной изменчивости под влиянием основных факторов природной среды.
Выявить закономерности распространения многолетнемёрзлых грунтов в руслах больших равнинных рек криолитозоны, дать оценку их воздействия на развитие речных русел, определить условия их промерзания; на этой основе предложить методику прогнозирования положения кровли мёрзлых пород в руслах рек и основные принципы регулирования русловых процессов на судоходных реках криолитозоны.
Оценить совместное влияние стока взвешенных наносов и промерзания на
процесс формирования русел рек криолитозоны на основании анализа данных
сетевых и полевых наблюдений.
Объекты и состав исследований. Исследования охватили реки, водосборы которых полностью или большей частью расположены в пределах непрерывного распространения ММП, поскольку многолетняя мерзлота оказывает воздействие на водотоки только в этих условиях. Объектами исследования стали более 20 рек криолитозоны, среди которых как самые крупные реки территории (Анабар, Оленек, Лена, Яна, Индигирка, Колыма), так и их притоки, относящиеся к средним рекам (Нера, Адыча, Омолон и др.), обеспеченные наиболее продолжительными рядами наблюдений за стоком взвешенных наносов на гидрологических постах. Использованная методика исследований предполагала построение графиков связи расходов воды и взвешенных наносов и их анализ для выявления вариабельности стока взвешенных наносов в различных временных масштабах. Разработка методики для расчёта характеристик стока взвешенных наносов и параметров уравнения связи расходов воды и взвешенных наносов для неизученных территорий криолитозоны выполнялась с использованием регрессионного анализа, в основу которого были положены региональные зависимости стока воды и взвешенных наносов от физико-географических условий территории. ГИС-технологии были использованы для визуализации полученных результатов, выявления пространственной изменчивости параметров связей, составления аналитических карт стока взвешенных наносов для расчётов с неизученных территорий.
Для детального руслового анализа использовались материалы по наиболее изученному участку большой равнинной реки криолитозоны - Лены в среднем течении (от п. Покровск (100 км выше г. Якутск) до устья р. Вилюй (600 км ниже г. Якутск)). Разработанная автором методика использована для выявления участков русла, где распространено сезонное и многолетнее промерзание речных отложений. Для анализа временной изменчивости исследуемого участка русла Лены был использован традиционный ретроспективный метод анализа, заключающийся в сопоставлении разновременных картографических материалов (в т.ч. промерно-съёмочных работ и космических снимков)
на основе современных методов сопоставления данных. ГИС-анализ был при-
менён для выявления характеристик горизонтальных и вертикальных деформаций русла. Результаты математического моделирования некоторых участков реки были использованы для иллюстрации отдельных положений работы. Научная новизна работы.
Впервые детально описан механизм формирования стока наносов с водосборов рек криолитозоны, выявлена роль климатических и гидрологических условий как факторов, определяющих временную изменчивость стока взвешенных наносов.
Разработана методика расчёта стока взвешенных наносов с неизученных территорий, основанная на использовании эмпирических зависимостей, связывающих параметры связи расходов воды и взвешенных наносов с обобщёнными физико-географическими характеристиками водосборов криолитозоны; составлены эмпирические карты мутности и модуля стока взвешенных наносов для исследованной территории.
Показан механизм формирования сезонномёрзлых и многолетнемёрзлых грунтов в руслах рек криолитозоны, его связь с гидрометеорологическими условиями в различные фазы водного режима.
Разработана эмпирическая методика определения участков распространения мёрзлых грунтов в руслах больших рек криолитозоны с использованием гидрометеорологической информации, показана связь формирования мерзлотных условий с морфодинамическими типами русла.
Исследована связь сезонного и многолетнего промерзания с основными тенденциями формирования русла равнинной реки с песчаным аллювием (на примере средней Лены), возможность её учёта в прогнозах русловых процессов для обеспечения безопасности судоходства и рекомендациях по регулированию русел судоходных рек.
Основные защищаемые положения.
1. Мерзлотные условия являются важным региональным фактором формирования стока наносов в криолитозоне; их влияние на сток взвешенных наносов
по-разному проявляется в различных временных масштабах.
2. Динамика процессов промерзания-протаивания поверхности водосборов
влияет на условия формирования и режим стока взвешенных наносов рек
криолитозоны в течение года (его внутригодовое распределение). Температур
ный режим поверхности водосбора в зимний период определяет межгодовые
вариации стока взвешенных наносов в последующий тёплый период года.
Многолетние характеристики стока взвешенных наносов связаны с физико-
географическими характеристиками водосборов.
Характерной особенностью русел равнинных рек криолитозоны с песчаным аллювием является наличие в их пределах многолетнемёрзлых грунтов, сформированных в результате повторяющегося сезонного промерзания форм руслового рельефа. Площадь распространения мёрзлых грунтов определяется гидрометеорологическими условиями, а также морфодинамическим типом русла.
Многолетнее промерзание русел рек криолитозоны имеет следствием увеличение стабильности русловых форм благодаря наличию в слагающих их толщах отложений ядра многолетнемёрзлого аллювия.
Учёт распространения многолетнемёрзлых грунтов в руслах больших равнинных рек криолитозоны необходим при разработке проектов улучшения судоходных условий, строительства переходов трубопроводов, ЛЭП, иных инженерных мероприятий. При разработке проектов дноуглубительных работ он позволяет снизить риск повреждения дноуглубительной техники, замедлить занесение судоходной прорези.
Практическая значимость работы. Методики и картографические материалы, полученные в результате исследований, могут использоваться для районирования территории криолитозоны по особенностям эрозионных процессов, в расчётах стока наносов с неизученных водосборов и гидротехнических расчётах.
Данные о связи промерзания русел с процессами их переформирований могут быть использованы при моделировании русловых процессов, выполняющемся для решения конкретных задач, прогнозе изменений отметок дна
русла и размывов берегов. Такие прогнозы русловых деформаций необходимы при проектировании и эксплуатации сооружений, пересекающих реки либо расположенных на их берегах - переходов нефте- и газопроводов, линий электропередач, мостовых переходов и ледовых переправ. Учёт основных тенденций руслоформирования с учётом влияния мерзлотных условий необходим при планировании берегозащитных мероприятий. Регулирование русел для улучшения условий судоходства в наибольшей мере на участках рек значительной протяжённости опирается на сведения о темпах и направленности русловых процессов. Эта информация необходима как при разработке генеральных схем развития водных путей и проектов коренного улучшения судоходных условий, так и при выполнении эксплуатационных работ по поддержанию гарантированных габаритов пути и обеспечения безопасности судоходства. Во всех случаях необходимы прогнозные оценки распространения и динамики мёрзлых грунтов в руслах рек.
Учёт мерзлотных условий необходим также при проектировании и эксплуатации гидротехнических сооружений, для которых актуальны вопросы трансформации русел в нижних бьефах и занесения водохранилищ наносами.
Результаты исследований могут войти в учебные курсы при подготовке специалистов-гидрологов («Русловые процессы» и «Водно-технические изыскания»), геоморфологов и криолитологов.
Исследования выполнены в рамках гранта РФФИ №06-05-64293, программы «Университеты России», программ поддержки ведущих научных школ России (проект № 00-15-98512, грант Президента РФ НШ-1443.2003.5, проект НШ-4884-2006.5), их результаты использованы при подготовке отчётов по хоздоговорным работам с Ленским государственным бассейновым управлением водных путей и судоходства, ЗАО «Якутагропромпроект», ООО «НПО Мостовик».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 10-м Международном симпозиуме по речной седиментации (Москва, 2007); на 8-й Международной конференции по проблемам воздействия льда
на корабли и инженерные сооружения ICETECH'06 (Банфф, Канада, 2006); на 3-м научном совещании SEDIFLUX «Sediment fluxes, transfer rates through the cold environments in Europe» (Дарэм, Великобритания, 2005); на 2-м научном совещании SEDIBUD (под эгидой Международной ассоциации геоморфологов) «Sediment fluxes, sediment budgets in changing high-latitude, high-altitude cold environments» (Абиско, Швеция, 2007); на XX пленарном совещании Межвузовского научно-координационного совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Ульяновск, 2005); на тематическом совещании «Русловые процессы и водные пути» Межвузовского научно-координационного совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Санкт-Петербург, 2007); на научных семинарах молодых учёных ВУЗов, объединяемых Межвузовским научно-координационным советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Пермь, 2002; Брянск, 2004; Волгоград, 2006); на Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2002» и «Ломоносов-2003»; на семинарах кафедры гидрологии суши и научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева МГУ.
По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, из них 1 - в реферируемом издании, рекомендованном ВАК для публикаций («Вестник МГУ»); 3 статьи находятся в печати, из них 1 - в реферируемом издании, рекомендованном ВАК для публикаций («Геоморфология»).
Объём н структура. Работа состоит из 5 глав, введения и заключения (160 страниц) и списка литературы (170 названий), содержит 70 рисунков и 30 таблиц, 3 приложения.
Автор искренне благодарен заведующему кафедрой гидрологии суши, доктору географических наук, профессору Н.И. Алексеевскому за ценные советы, заведующему кафедрой криолитологии и гляциологии, доктору географических наук, профессору В.Н. Конищеву за консультации в области мерзлотоведения, сотрудникам НИЛаборатории эрозии почв и русловых процессов
В.Н. Голосову, Н.Н. Виноградовой, В.В. Иванову, В.Р. Беляеву, кафедры гид-
рологии суши Д.В. Магрицкому, кафедры геоморфологии и палеогеографии А.В. Панину за консультации и обсуждение результатов исследованй, ст.н.с. НИЛаборатории эрозии почв и русловых процессов А.А. Зайцеву и О.М. Ки-рику за руководство полевыми работами на объектах исследования (Лена, Колыма), сотрудникам Ленского ЛГБУВПиС Л.Е. Федосеенко, О.П. Федосенко, Е.В. Кочневу за комментарии относительно практического применения результатов исследований, сотрудникам, аспирантам, студентам Географического факультета МГУ, работникам Якутского и Колымского районов водных путей, принимавшим участие в полевых работах.
Гидрография и гидрологический режим рек
Характер гидрографической сети криолитозоны определяется условиями её развития на северном склоне глобального водораздела, разграничивающего бассейн Северного Ледовитого океана и обширных областей внутреннего стока в западной части материка, и Тихого океана - в восточной части. Основным направлением течения крупнейших рек является субмеридиональное (с юга на север); направление течения рек более низких порядков определяется геолого-геоморфологическими орографическими условиями территории. Реки криолитозоны России принадлежат бассейну пяти морей Северного Ледовитого океана - Карского, Лаптевых, Восточно-Сибирского, Чукотского и Берингова. Основные гидрологические характеристики рек криолитозоны приведены в табл. 1.3.
Бассейны крупнейших рек региона определяют деление западной и восточной частей криолитозоны на несколько районов - соответствующих бассейнам Оби, Енисея и Лены, Обь-Енисейскому и Лено-Енисейскому междуречьям; к востоку от бассейна Лены находится район, охватывающий водосборы Омолоя, Яны, Индигирки и Колымы. Наиболее крупными реками Обь-Енисейского междуречья являются впадающие в Обскую губу р. Надым, в Та-зовскую - реки Пур, Таз и протекающая по югу Гыданского п-ова р. Мессояха, а также левобережные притоки Енисея - Бол. Хетта и Турухан.
Реки Лено-Енисейского междуречья берут своё начало на крупных региональных водоразделах - горах Путорана (Хета и Котуй, при выходе на Северо-Сибирскую низменность образующие р. Хатанга; Курейка) и Анабаро-Оленёкском плато (Малая и Большая Куонамка, составляющие р. Анабар; Оленек и его левый приток Арга-Сала; Попигай). Здесь же расположены истоки Вилюя и большинства рек его бассейна - Тюнга, Мархи, Моркоки, левобережных притоков нижней Лены - Линде, Муны.
Лена является крупнейшей рекой, чей бассейн большей частью расположен в зоне сплошного распространения ММП. Её истоки расположены на
Прибайкальском хребте. В верхнем течении река оставляет справа горные массивы Станового хребта и Патомского нагорья, в то время как по левобережью проходит слабо выраженный в рельефе водораздел бассейнов Лены и Енисея (р. Нижняя Тунгуска). Ниже по течению ориентация долины Лены, как и крупнейшего её притока - Алдана - связана с положением погребённой Усть-Алданской впадины [Геология..., 1973]. Начиная от их слияния, долина следует Предверхоянскому краевому прогибу, принимая значительное число мелких притоков (наиболее крупные - правобережные Джарджан, Мэнкэрэ, Кюндюдей; левобережные Эекит, Молодо). Единственным крупным левобережным притоком Лены является р. Вилюй, по устью которой проводится граница между средним и нижним течением Лены. Крупнейшими правобережными притоками Лены являются стекающие с гор Забайкалья Витим и Олёкма, а также берущий начало в западной части Станового хребта Алдан. На Становом хребте начинаются крупные притоки верхнего Алдана - Типмтон и Учур.
На западном склоне горной системы Верхоянского хребта (с его юго-западными отрогом - хребтом Сунтар-Хаята) берут начало многие притоки среднего и нижнего Алдана - Мая, Юдома, Хандыга, Томпо, Тумара. Ширина водораздельной поверхности между бассейнами Алдана и Яны достигает в отдельных местах всего нескольких километров, а расстояние между истоками Тумары (бассейн Алдана) и Дулгалаха (бассейн Яны) не превышает 400 м [Хмызников, 1930; Чистяков и др., 1970].
Изменчивость стока наносов в различных временных масштабах
Гибкость данных моделей позволяет использовать её для исследования изменчивости стока наносов на различных временных интервалах. При построении графиков связи типа (2.1)-(2.2) для отдельных фаз водного режима предметом анализа является временная последовательность расположения то чек на таких графиках, соответствующих различным фазам водного режима, взаимное расположение кривых подъёма и спада [Шамов, 1949]. При исследовании межгодовой изменчивости проводится анализ совместного расположения точек измеренных расходов воды и наносов за многолетний период, их группировка в зависимости от фазы водного режима, условий формирования стока наносов.
Особенности выветривания горных пород, эрозии почв и грунтов, последующего перемещения продуктов выветривания смыва, различия в условиях формирования максимального стока воды и наносов приводят к существованию вариаций хронологических изменений мутности s и расходов взвешенных наносов R. В большинстве случаев связь между мутностью и расходом воды арктических рек является нелинейной. Дж. Сивицким [Syvitski et al., 2000] выделены 4 типа связи между мутностью и расходом воды (рис. 2.1), сопоставленные с определённым источником питания рек.
При преобладании ледникового питания формируется петля с направлением изменений мутности в течение года против часовой стрелки {отрицательная), количество переносимых рекой наносов увеличивается по мере таяния ледников и увеличения расходов воды (рис. 2.1 А). На реках со снеговым питанием максимум расходов воды наблюдается весной, формируется петля с направлением изменений мутности по часовой стрелке (положительная) (рис. 2.1Б). В случае, если в пределах водосбора существуют несколько источников поступления наносов, в режиме функционирования которых наблюдается сезонная изменчивость, закономерно формирование двух петель, одна из которых (летне-осенняя) не связана с увеличением расходов воды и характеризуется только повышенными значениями мутности (рис. 2.1В). Хаотическая связь (рис. 2.1Г) характерна для арктических рек при антропогенном воздействии на них или для участков рек, где значительную роль играют притоки, определяющие асинхронность наступления фаз водного режима.
В многоводную фазу водного режима вид кривой связи R,s =f(Q) зависит от интенсивности изменения расхода воды и наносов. Типизация вида этих кривых, основанная на сопоставлении интенсивности и синхронности прохождения волны половодья на реках европейской части России, отражает в основном специфику внутрисезонного развития эрозионных процессов на водосборных бассейнах, в долинах и руслах рек (рис. 2.2) [Алексеевский, 1998].
Синхронное изменение функций s = p(t) и Q = \jj(t) , где t - время (тип I), характеризует линейную связь между переменными (s = kQ+p), наблюдающуюся на малых реках России в период прохождения резких паводков. Низкая инерционность небольших водосборов обеспечивает быструю доставку в поток эродированного материала [Голосов, 2006], и объем перемещаемых наносов определяется только транспортирующей способностью потока и его гидравлическими характеристиками [Williams, 1989]. Малые размеры водосборов обусловливают преобладающее влияние локальных факторов на формирование потока наносов, способствуя установлению линейной зависимости R,s =f(Q).
Совпадение максимумов S и Q при различной интенсивности изменения этих характеристик приводит к нарушению линейности связи между ними (тип II). Связи этого типа характерны для средних рек наиболее освоенных районов России в период формирования максимального стока. Различие в интенсивности изменения исследуемых характеристик отражает многофакторность и несинхронность процесса перемещения наносов в верхних звеньях русловой сети на различных по локальным условиям участках водосбора [Forbes, Lamoureux, 2005].
Сдвиг по фазе колебаний s и Q, при котором на подъёме уровней наблюдаются большие скорости нарастания, а на спаде - большие скорости снижения s, сопровождается возникновением явлений гистерезиса, отражающих неоднозначность значений мутности при постоянном расходе воды(тип III). Такие явления возникают как следствия крупных ливневых событий при прохождении по реке паводка, как следствие влияния оттаивания многолетнемёрз-лых грунтов, в результате быстрого изменения условий стокоформирования и т.д. [Алексеевский, 1998]. Превышение кривой подъёма над кривой спада (тип Ша-г) связано с истощением источников поступления наносов в поток по мере прохождения пика расхода воды, т.е. расход наносов ограничен притоком материала в русло.
Роль физико-географических условий в формировании стока наносов с водосборов рек криолитозоны
На высоких уровнях пространственного осреднения (вся территория криолитозоны, отдельные регионы, бассейны больших рек) для анализа пространственной изменчивости стока наносов используются данные об измеренных расходах взвешенных наносов за период исследований. Зависимость (2,1), связывающая расход наносов с расходом воды, строится по данным постов, наиболее детально освещенных измерениями, сглаживая межгодовые вариации и выявляя осреднённые характеристики на основании многолетних данных. Зависимость является степенной (прямолинейной в логарифмических координатах), разброс точек относительно аппроксимирующей кривой невелик (рис. 3.3). Изменчивость физико-географических условий проявляется в вариации значений параметров Аит зависимости (2.1), связанных с эрозионным потенциалом территорий [Маккавеев, 1955; Syvitski, Alcott, 1995; Syvitski et al., 2000].
Выявление пространственной дифференциации территории криолитозоны по характеристикам стока наносов основывается на анализе совместной изменчивости параметров зависимости (2.1), построенной по многолетним данным. Вариация этих параметров связана с изменениями эрозионной активно сти на водосборах криолитозоны, характеристиками рельефа, крупностью рус-лообразующих наносов. Н.И. Маккавеевым [1955] по данным Г.И. Шамова рассчитаны значения параметра А для 128 постов на территории Советского Союза. Согласно этим расчётам, для рек равнинных территорий характерны значения А от 0.00001 до 0.001, т - от 1.6 до 2.7; на горных реках значения А уменьшаются до 0.00000001 при увеличении значений до 3.5-4. Последовательное уменьшение значений параметра т к низовьям характерно для равнинных рек, имеющих истоки в горах. Установлена также связь значений этих коэффициентов с климатическими условиями водосбора. В засушливых регионах значения А изменяются от 0.1 до 80, т - от 1.2 до 1.7; для территорий с достаточным и избыточным увлажнением пределы изменений А - от 0.000004 до 0.004, т - от 2.4 до 3.5 [Reid, Frostick, 1987]. Изменчивость коэффициента m связывается также с различными физическими процессами, формирующими сток взвешенных наносов (дождевые паводки, снеготаяние) [Julien, 1986]
Значения коэффициентов А и т были определены по зависимостям (2.1), полученным для 25 из 27 постов, представленных в табл. 2.3; результаты приведены в табл. 3.2. Расчёты для р. Вилюй - п. Сунтар не проводились в связи с тем, что на однородность ряда наблюдений повлияло заполнение Вилюйского водохранилища.
Значения параметра А на территории криолитозоны характеризуются значительным диапазоном изменений, составляющим более 10 порядков. Минимальные значения определены для постов, расположенных в горных районах криолиозоны, а также для постов на равнинных реках, в гидрологическом режиме которых значительную роль играют притоки, водосборы которых расположены преимущественно в горах (Алдан - п. Охотский Перевоз). Большие значения параметра а получены для постов равнинных районов. Они имеют тенденцию к уменьшению от максимальных в среднесибирском секторе криолитозоны (Пур - п. Самбург, Анабар - с. Саскылах) до наименьших на при-океанических низменностях Северо-Востока России (Колыма - г. Среднеко лымск, Анадырь - совхоз «Снежное»)
Для 57 гидрологических постов на 49 наиболее изученных реках США была получена обратная экспоненциальная связь А и т с коэффициентом корреляции между линеаризованными данными г = 0.73 (рис. 3.4) [Syvitski et al., 2000]. Зависимость аналогичного вида связывает значения А и т на территории криолитозоны России [Тананаев, 2006а,б; Tananaev, 2005, 2007а]. Здесь она приобретает региональный характер, не выявленный Сивицким для территории США (рис. 3.5). Физический смысл этой зависимости определяется сутью самих коэффициентов, которые в целом численно зависят от физико-географических условий на водосборах и гидравлических характеристик потока на участке русла, на котором располагается гидроствор, в свою очередь связанных между собой (крупность руслообразующих наносов, уклон водотока, состав почв) [Маккавеев, 1955].
Методика определения площадей промерзания в руслах больших рек криолитозоны
Основными гидрологическими факторами, определяющими формирование мерзлоты в руслах рек криолитозоны в течение зимней межени, являются уровенный режим и толщина ледяного покрова (4.7-4.8). Этими факторами определяются участки русла, обсыхающие в этот период, положение кровли и мощность мерзлоты в его пределах. В течение зимней межени уровень воды в реке понижается, достигая наинизших отметок в марте-апреле; при этом освобождается от воды значительная часть русла. Постепенно осушающиеся отмели промерзают, будучи изолированными от непосредственного теплообмена с воздухом проседающим на них льдом и снежным покровом. Вследствие контакта с дном льда промерзают донные отложения участков основного русла, рукавов и проток, перемерзающих до дна [Зернов, 1987].
Общая площадь промерзания русла реки за зиму зависит от зимнего падения уровня АНзп- Такой вывод был сделан на основании анализа доли зимнего падения уровня в суммарной мощности промерзания А: А = АНзп/Нсумм. (4.9) По данным об уровенном режиме рек криолитозоны, опубликованных в «Гидрологических ежегодниках», была получена зависимость А от абсолютного значения АНзп (рис. 4.6): А = к-\пАНзп+Ь, (4.10) где к и Ъ - региональные параметры. Данная зависимость связывает долю, которую АНзп составляет в Нсумм, с абсолютным значением АНЗП [Тананаев, 2004]. Значения параметров, рассчитанные для гидрологических постов на крупнейших реках криолитозоны, приведены в табл. 4.1. Видно, что значения обоих региональных параметров изменяются (к увеличивается, Ъ уменьшается) в направлении к устью реки. Анализ относительной ошибки определения коэффициента корреляции показывает, что даже при относительно коротких рядах данных связь оказывается достаточно тесной; значительные расхождения при рас Значение АНзп также можно получить заблаговременно, исходя из предположения, что оно связано с гидрологическими характеристиками летней межени. На этом основании по данным г.п. Якутск был построен график зависимости АНзп от уровня на дату начала ледостава Нл (рис. 4.7), имеющий две параллельные друг другу ветви. Для постов на pp. Яне, Индигирке, Оленьке аналогичные зависимости однозначны (рис. 4.8). Попадание на ту или иную ветвь графика зависит от прохождения крупных паводков в течение осени (что связано с насыщением влагой в паводочный период грунтовых водоносных горизонтов). При отсутствии или малой водности паводков влагозапас в грунтовых водах мал, и при расчётах используется кривая 1. При прохождении высокого осеннего паводка большему влагозапасу в грунтовых водах соответствует меньшее зимнее падение уровня, и при расчётах используется кривая 2. Получив таким образом величину h„, можно увеличить заблаговременность прогноза Я и, соответственно, промерзающих участков русла [Tananaev, 2006].
Исходя из рассмотренного выше механизма формирования мерзлоты в руслах рек криолитозоны, можно представить пространственную картину распространения мёрзлых грунтов на отдельных участках рек. Использование приведённой схемы позволяет определять площади русла, занятые мёрзлыми грунтами, имея в распоряжении минимум гидрологических данных, а также иметь планы русла в изобатах.
Основным методом получения сведений о распространении мёрзлых грунтов в руслах рек являются буровые работы. Аналогичные данные можно получать также с использованием сейсмоакустического профилирования и георадарных съёмок. Однако применение этих методов ограничивается их сложностью, трудоёмкостью и временными затратами на их проведение. Тем не менее, результаты выполненных исследований в 70-е годы XX века с использованием этих методов позволили выявить основные закономерности и особенности положения кровли мёрзлых грунтов в пределах ряда участков средней и нижней Лены [Русловой режим..., 1976], на устьевом баре Яны [Мухин, 1966; Розенба-ум, 1971] и в дельте Лены [Григорьев, 1966]. Материалы этих исследований дали возможность проверить на независимом материале результаты расчётов по полученным формулам и зависимостям (4.9-4.11), позволившим составить соответствующие схемы и сопоставить их с натурными данными.
Буровые работы проводились на отмелях и в русле р. Лены в 1969-1973 гг. на участке от г. Покровск до с. Жиганск. Летом 1973 г. они были сосредоточены на участке русла в районе Табагинского мыса (1692-1663 км от устья). Схема распространения многолетнемерзлых пород на данном участке, составленная по материалам буровых работ, приведена на рис. 4.9; схемы расположения буровых скважин и буровые профили приведены в Приложении I.
На прирусловых отмелях кровля мерзлых пород была обнаружена преимущественно на глубине 0-1 м от проектного уровня, мощность талого горизонта колебалась в пределах 0-3 м в зависимости от местоположения скважины и времени выполнения буровых работ.
