Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы и связанных с ней разделов смежных научных дисциплин 18
1.1. Формирование пойменных таликов 20
1.2. Индикация пойменных таликов 28
1.3. Распространение пойменных таликов 32
1.4. Расчеты термического режима рек 39
1.5. Взаимосвязь поверхностных и подземных вод 48
Глава 2. Природные условия района исследований 60
2.1. Физико-географический очерк Северо-Востока России 60
2.2. Основные объекты исследований 79
2.2.1. Река Колыма в верхнем и среднем течении . 80
2.2.2. Ручей Контактовый 90
2.2.3. Река Дукча 98
2.2.4. Река Буюнда с левобережным притоком р. Герба 101
2.2.5. Река Омолон с правобережным притоком р. Мал. Авландя 108
2.2.6. Река Яма 114
2.2.7. Река Детрин в среднем и нижнем течении 115
Глава 3. Конвективный теплообмен пойменных таликов с реками 117
3.1. Конвективный теплообмен и термический режим рек 117
3.2. Оценки конвективного теплообмена в поймах малых водотоков 126
3.2.1. Методика исследований 126
3.2.2. Анализ результатов 131
3.3. Оценки конвективного теплообмена в поймах крупных рек 136
3.3.1. Материалы и методы 137
3.3.2. Анализ результатов 145
3.3.3. Сезонный ход конвективного теплообмена 148
3.4. Обобщение результатов исследований 151
Глава 4. Водообмен рек с пойменными таликами 157
4.1. Малые водотоки: характеристики водообмена и их связь со скоростями фильтрации 157
4.2. Крупные реки: скорости фильтрации (движения) грунтовых вод и эффективная проницаемость аллювия 171
4.3. Крупные и средние реки: водообмен с поймами и термическая стратификация в руслах 181
Глава 5. Строение аллювиальных отложений в пойменных таликах 195
5.1. Разрез аллювиальных отложений многорукавных рек и формирование предпочтительных путей фильтрации 196
5.2. Сосредоточенные выходы грунтовых вод в русла рек
5.3. Особенности термического и гидрологического режимов грунтовых вод в связи с движением по предпочтительным путям
Глава 6. Распространение пойменных таликов 225
6.1. Оценка распространения пойменных таликов в крупных речных бассейнах 226
6.2. Анализ регионального распространения пойменных таликов 241
6.3. Обилие пойменных таликов и прерывистость криолитозоны на Северо-Востоке России 256
Глава 7. Индикация пойменных таликов 274
7.1. Геоморфологические и ландшафтные признаки пойменных таликов 274
7.2. Индикация пойменных таликов количественными методами 289
Выводы 303
Список литературы 308
Приложения
- Взаимосвязь поверхностных и подземных вод
- Река Колыма в верхнем и среднем течении
- Оценки конвективного теплообмена в поймах малых водотоков
- Крупные реки: скорости фильтрации (движения) грунтовых вод и эффективная проницаемость аллювия
Введение к работе
Актуальность проблемы. Речные долины занимают в жизни человека особое место. С древнейших времен реки служили основными транспортными магистралями, а их берега были и остаются наиболее удобными местами для поселения. Пойменные экосистемы повсеместно выделяются резко повышенной биологической продуктивностью, по В.И. Вернадскому, это одно из «сгущений жизни». Повышенное плодородие пойменных почв и гарантированное водообеспечение благоприятствуют сельскохозяйственному освоению.
С наибольшей отчетливостью все перечисленные свойства проявляются в криолитозоне, в первую очередь там, где в днищах долин развиты обширные пойменные талики. «Сгущение жизни» здесь возрастает многократно, выражаясь в развитии высокоствольных смешанных лесов, резко контрастирующих с угнетенной растительностью прилегающих территорий. Возможность существования этих интразональных фитоценозов напрямую обусловлена особым водно-тепловым режимом пойменных таликов. Определение допустимой антропогенной нагрузки, прогноз экологических последствий реализации экономических проектов самым непосредственным образом связаны с закономерностями переноса вещества и энергии в талых зонах.
Участки талых пород среди мощных многолетнемерзлых толщ издавна привлекали внимание исследователей. Необходимость их изучения диктуется также и нуждами хозяйственной деятельности. Знание закономерностей распространения таликов и их надежная индикация необходимы при разработке россыпных месторождений, транспортном, промышленном, гидротехническом и гражданском строительстве. Поскольку большинство рек северных территорий зимой перемерзают, тогда как многие талики сохраняют водоносность, то такие знания имеют исключительно важное значение для промышленного и бытового водоснабжения. Неудивительно, что исследования условий формирования таликов в речных долинах, их гидро термического режима и инженерно-геокриологических особенностей составляют одну из крупных и традиционных проблем мерзлотоведения.
Объектом исследования являются водопроводящие (по Фотиеву, 1970) или грунтово-фильтрационные (по Романовскому, 1983) пойменные талики, формирование которых непосредственно не связано с восходящим или нисходящим движением подземных вод (то либо другое могут присутствовать, но для существования талика это не имеет принципиального значения). В дальнейшем они будут называться просто «пойменными». При широком распространении таких таликов, что характерно, в частности, для Северо-Востока России (далее для краткости «Северо-Восток») чрезвычайно велика их гидрогеологическая и гидрологическая роль, поскольку в них сосредоточена подавляющая доля подземного стока и они приобретают «...огромное значение в формировании речного стока...» (Толстихин, 1972, с. 45). Прерывистость криолитозоны здесь связана почти исключительно с такими таликами, в сумме занимающими площадь во многие тысячи квадратных километров. Наконец, развитые на них уникальные экосистемы представляют собой один из наиболее значимых возобновляемых природных ресурсов Северо-Востока.
Несмотря на более чем вековую историю исследований и большой объем накопленного фактического материала, понимание гидротермических процессов, происходящих в пойменных таликах, далеко не соответствует современному уровню развития науки. Достаточно отметить, что до сих пор не существует общепринятого представления о механизмах формирования таких таликов, а обобщения, сделанные отдельными авторами, нередко противоречат друг другу.
Цель исследования заключается в выявлении общих закономерностей формирования и распространения пойменных таликов, усовершенствовании методов их индикации. Основными задачами были: 1. Определение интенсивности конвективного теплообмена пойменных таликов с водотоками различных порядков и ее сезонного хода с приме нением усовершенствованных методов моделирования термического режима рек.
2. Изучение характера и интенсивности водообмена рек с пойменными таликами; оценка определяющих ее скоростей фильтрации грунтовых вод и проницаемости аллювия в таликах рек различных порядков.
3. Исследование строения аллювиальных отложений и особенностей циркуляции грунтовых вод в пойменных таликах.
4. Проведение сравнительного анализа распространения пойменных таликов в речных бассейнах Верхней Колымы, а также на Северо-Востоке и сопредельных территориях криолитозоны с использованием разработанных методов, основанных на математическом моделировании термического режима рек.
5. Разработка новых методов индикации пойменных таликов с применением как ландшафтно-геоморфологического, так и количественных подходов.
Методы исследований и фактический материал. Ни одна из поставленных задач ранее не решалась. Это определило необходимость разработки оригинальных методов исследований, опирающихся как на обширный справочный материал, так и на результаты натурных наблюдений. Для последних характерны значительный территориальный охват и широкий набор использовавшихся методик. Самые подробные, разнообразные и продолжительные исследования осуществлялись на трех базовых экспериментальных участках: на руч. Контактовый, репрезентативном для бассейна Верхней Колымы, на самой р. Колыма (район пос. Верхний Сеймчан) и на р. Дукча, вблизи от побережья Охотского моря. Они включали комплексные теплобалансовые, гидрологические, гидрогеологические и гидротермические наблюдения и электроразведочные работы. Водные и автомобильные маршруты с проведением наблюдений разной продолжительности и детальности на ряде ключевых участков осуществлялись в бассейнах Верхней Колымы, Охотского моря, pp. Омолон и Индигирка. Протяженность только водных маршрутов, не считая повторные, составила более 1300 км.
С целью повышения точности получаемых результатов применялись усовершенствованные методы и технические средства измерений, а многие стандартные методики были модернизированы.
Исследования проводились по госбюджетным темам и проектам:
4.2.1.в «Разработка методов количественной оценки теплового взаимодействия подземных вод и мерзлых пород»;
4.2.6.2. «Влияние мерзлотных процессов на формирование склонового стока и термического режима поверхностных водотоков»;
5.2.6.Г. «Динамика криолитозоны речных долин...»;
24.4.1. «Процессы формирования и разрушения криолитогенных толщ».
Они были также поддержаны грантами РФФИ:
95-05-1578 «Влияние боковой приточности на термический режим крупных водотоков ...»;
97-05-65036 «Физико-географические закономерности формирования мерзлотных условий в речных долинах»;
02-05-65304 «Количественная индикация... пойменных таликов... в речных бассейнах Северо-Востока России
04-05-65316 «Общие закономерности формирования и распространения грунтово-фильтрационных таликов речных долин, их количественная и ландшафтная индикация и мониторинг»
Научная новизна._ В работе впервые последовательно применялись количественные методы исследований, осуществлявшихся на стыке геокриологии с рядом других научных дисциплин геолого-географического цикла. Это позволило получить следующие принципиально новые результаты.
1. На основе теплобалансовых расчетов по усовершенствованным математическим моделям впервые получены данные об интенсивности конвективного теплообмена рек с пойменными таликами. Определены характерные значения этой величины (мало отличающиеся в долинах водотоков разных порядков), ее динамика в течение теплого сезона. Показано, что конвективный теплообмен служит основной причиной формирования пойменных таликов.
2. С применением специально разработанного метода и математического моделирования исследуемых процессов установлено, что в пойменных таликах действует «встречный» водообмен с реками: высачивание в русло грунтовых вод в каждый момент времени в той или иной степени компенсируется инфильтрацией речных вод в аллювий. Именно этот ранее не исследованный механизм, служит причиной интенсивного конвективного теплообмена рек с пойменными таликами.
3. Разнообразными натурными исследованиями, при помощи усовершенствованных методов измерений, впервые показано, что наблюдаемая интенсивность тепломассобмена пойменных таликов с реками обеспечивается наличием в аллювии систем предпочтительных путей движения грунтовых вод с резко повышенной водопропускной способностью. Продемонстрирована причинно-следственная связь такого строения отложений с ветвлением русла на рукава. Таким образом, установлен универсальный геоморфологический индикатор рассматриваемых таликов.
4. Предложены принципиально новые методы анализа территориального распространения пойменных таликов с использованием количественных характеристик (климатических и гидрологических) и гидроморфологических данных. Этот подход обладает наибольшей объективностью й делает возможными широкие территориальные обобщения. С применением разработанных методов выполнен соответствующий анализ для горных территорий востока нашей страны.
5. По результатам выполненных исследований разработаны следующие методы индикации пойменных таликов: 1) геоморфологический, обладающий наиболее широкой областью применения; 2) количественные (на основе тепло- и водобалансовых наблюдений), отличающиеся максимальной объективностью. Установлены ландшафтные признаки сквозных пойменных таликов в долинах низких порядков, уточнена индикационная роль традиционного геоботанического признака.
Ряд выводов, сделанных в работе, относится не только к территории криолитозоны, поскольку они в большой мере касаются общих гидрогеологических и геологических закономерностей.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Пойменные талики формируются вследствие конвективного теплообмена с реками, в наибольшей степени влияющего на летний прогрев горных пород. Для водотоков он в течение большей части теплого сезона является основной расходной составляющей теплового баланса и может быть определен с высокой точностью.
2. Конвективный теплообмен в системе «река - талик» осуществляется путем одновременного развития как инфильтрации речных вод в аллювий, так и поступления в русло грунтовых вод. Такой характер водообмена обусловлен высокими фильтрационными свойствами аллювиальных отложений и большими скоростями движения грунтовых вод.
3. Очень высокая эффективная проницаемость отложений в пойменных таликах (на порядок больше величин, традиционно считавшихся максимальными) обусловлена существованием в аллювии многочисленных предпочтительных путей фильтрации, в которых гравийно-галечный материал практически полностью лишен мелкозернистого заполнителя. Оптимальные условия для формирования таких путей складываются в поймах многорукавных рек горных территорий.
4. На горных территориях востока нашей страны пойменные талики наиболее многочисленны в пределах Северо-Востока России, обусловливая повышенную прерывистость криолитозоны, нередко и в долинах низких порядков. В большинстве других крупных регионов Сибири и Дальнего Востока они пользуются меньшим распространением.
5. Разработанные в результате исследований методы индикации пойменных таликов: геоморфологический (по анализу рисунка речного русла и гидрологических данных) и количественные (на основе тепло- и водобалан-совых измерений и расчетов) отличаются универсальностью и максимальной надежностью. Для выделения наиболее водообильных таликов, в прин ципе не маркируемых традиционными признаками, установлены собственные наборы ландшафтно-геоморфологических индикаторов и количественные критерии.
Практическое значение. Результаты исследований важны для анализа механизмов формирования мерзлотных условий речных долин, мониторинга геокриологической обстановки и прогноза ее изменений. Они найдут применение при решении проблем водоснабжения промышленных предприятий и населенных пунктов, рационального проведения сельскохозяйственных мероприятий, промышленного, гидротехнического и гражданского строительства, разработке месторождений полезных ископаемых и рекультивации ландшафтов речных долин. Ряд выводов, сделанных в работе, относится не только к территории криолитозоны, поскольку они в большой мере касаются общих гидрогеологических и геологических закономерностей: в частности, полученные результаты будут полезны для дистанционного дешифрирования активных тектонических нарушений, отличающихся высокой обводненностью. Хотя и «побочным», но в своем роде значимым результатом является совершенствование методов моделирования термического режима водотоков.
Личный вклад автора состоит в разработке теоретических концепций и методов исследований, включая математическое моделирование изучаемых процессов, составлении пакетов компьютерных программ по разработанным моделям, выборе и оборудовании экспериментальных участков, проведении комплексных стационарных и экспедиционных исследований, обработке, анализе и теоретическом обобщении полученных результатов.
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на научно-техническом совете СВ НИМС ИМЗ СО РАН, объединенном семинаре лаборатории мерзлотоведения Института геоэкологии РАН и кафедры криолитологии МГУ, объединенном семинаре кафедры русловых процессов и кафедры криолитологии МГУ, на расширенном заседании лабораторий Института мерзлотоведения СО РАН (подземных вод криолитозоны, геотеплофизики и прогноза, региональной геокриологии и криолитологии), а также публиковались в сборниках тезисов докладов научных конференций различных уровней. По теме диссертации опубликовано 25 научных работ.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов и приложений. Объем ее составляет 337 с, в том числе 293 с. текста, 71 иллюстрация и 8 таблиц. Список использованной литературы содержит 231 наименование.
Считаю своим приятным долгом выразить глубокую признательность к.г.н. Т.В. Банцекиной, оказавшей большую и разностороннюю практическую помощь при проведении полевых и камеральных работ, и сердечно поблагодарить работников Колымской воднобалансовой станции за бескорыстное содействие при проведении полевых исследований. Я также признателен сотрудникам Института мерзлотоведения и других организаций, докторам и кандидатам наук В.Р. Алексееву, Н.П. Анисимовой, С.К. Аржаковой, В.Т. Балобаеву, М.Н. Железняку, СИ. Заболотнику, СМ. Фотиеву, Р.С Чалову, М.М. Шацу, В.В. Шепелеву за ряд ценных замечаний и советов, способствовавших улучшению содержания работы. Особую благодарность я испытываю к д.г.-м.н. Г.З. Перлынтейну, под руководством которого была выполнена кандидатская диссертация, включавшая начальные этапы данной работы. Впоследствии наши многочисленные дискуссии во многом помогли уточнить направления и методы дальнейших исследований. Не всегда разделяя высказываемые взгляды и мнения и будучи моим непосредственным начальником, Г.З. Перльштейн тем не менее проявлял незаурядную научную терпимость и не препятствовал свободному творческому поиску, приведшему в конечном счете к завершению достаточно цельного исследования.
Основные сокращения и обозначения
ВЭЗ - вертикальное электрическое зондирование; ГГИ - Государственный гидрологический институт;
ГГЭ СВТГУ - Гидрогеологическая экспедиция Северо-Восточного территориального геологического управления; ГМП - гидрометрический пост; ГМС - гидрометеорологическая станция; ГП - гидрологический пост (без измерений расходов воды); КВБС - Колымская воднобалансовая станция; КУГМС - Колымское территориальное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды; ММП - многолетнемерзлые породы;
СЭГГП - Северо-Эвенское горно-геологическое предприятие; CMC - сезонномерзлый слой; СТС - сезонноталый слой.
символы:
А - альбедо водной поверхности;
AQ, АТ, АН, Ах - амплитуды колебаний уровней воды и температур (пояснения в тексте); aF - отношение водосборных площадей потоков смежных порядков (по системе Хортона - Штралера);
В, В - ширина водотока и ее среднее значение по рассматриваемому участку, м;
С = 4,19-106 Дж/(м3,К) - объемная теплоемкость воды; еа - упругость водяного пара на высоте 2 м, мб;
es -насыщающая упругость водяного пара при температуре водной поверхности, мб; Flf F, - средние площади водосборов элементарных звеньев речной сети, имеющих соответственно порядки 1 и j по системе Хортона - Штралера, км2;
FXj - средняя площадь водосбора водотоков I порядка, впадающих в потоки порядка j, км; g =9,81 м/с - ускорение свободного падения;
grad Т , grad Т - градиент температуры, его среднее по вертикали значение, К/м;
Н,Н - средняя глубина водотока в поперечном сечении и ее среднее значение по рассматриваемому участку, м;
h - абсолютная отметка высоты зеркала грунтовых вод над водоупорным основанием водоносного горизонта, м; / - уклон ложа реки, градиент гидравлического напора; 1а - длинноволновое излучение атмосферы, Вт/м ;
Is - то же, водной поверхности, Вт/м ;
Iv - уклон речной долины;
і, j - порядки водотоков по системе Хортона-Штралера;
К - интегральный коэффициент теплообмена дневной поверхности с атмо сферой, Вт/(м -К);
Keff - эффективная проницаемость горных пород, м/ч;
Kf - коэффициент фильтрации, м/ч;
к,,, ktr- коэффициент пропускания коротковолновой радиации, его среднесуточное значение; L - длина, расстояние, м;
Lx - средняя длина внешних элементарных звеньев речной сети (водотоков I порядка), км;
Lel - средняя длина внутренних элементарных звеньев речной сети, т.е. отрезков водотоков, заключенных между узлами слияния, км; Lt - средняя длина потоков порядка /, км;
Ц = LjLel - средняя приведенная длина внутренних элементарных звеньев речной сети;
LE - поток скрытого тепла испарения (конденсации), Вт/м2;
М - концентрация индикатора в воде, мг/л;
Мf - то же, фоновая (до его искусственного введения); Mfl - модуль стока, л/(с-км );
./V -облачность, по 10-балльной шкале; Nt - то же, нижнего яруса;
Nmu - то же, среднего и верхнего ярусов;
N, - количество потоков порядка / в речной системе;
О - наибольший порядок водотока (по системе Хортона - Штралера) в рассматриваемом ансамбле; р -вероятность;
pi - вероятность слияния водотока порядка j с потоком меньшего либо равного порядка / ;
Тепловые потоки, Вт/м :
Р - турбулентный, между дневной поверхностью и атмосферой; q0 - результирующий, из атмосферы к дневной поверхности с нулевой температурой; -вследствие питания водотока (пойменного талика) склоновым стоком;
qcond - кондуктивный, в ложе реки;
q, - результирующее значение конвективных тепловых потоков из реки в горные породы и обратно, за счет обмена порциями воды;
qs - то же, всех тепловых потоков, действующих на водной поверхности;
/tqt - то же, всех тепловых потоков, влияющих на температуру речных вод;
S - коротковолновая радиация у водной поверхности, Вт/м2; S0 - то же, на открытом месте;
Температуры, °С:
Т - речных вод;
Та - воздуха на высоте 2 м;
Тъ - средневзвешенная, бокового питания реки (талика) надмерзлотным склоновым стоком;
Tj. - средневзвешенная, грунтовых вод талика, высачивающихся в речное русло;
Те - равновесная (температура водной поверхности при тепловом равновесии с атмосферой);
Тр - потенциальная (температура речных вод при тепловом взаимодействии исключительно с атмосферой);
/- время, с(ч);
V - скорость течения реки, м/с;
Vj - скорость фильтрации, м/ч;
Vr - составляющая скорости фильтрации, нормальная по отношению к береговой линии реки, м/ч;
W2 - скорость ветра (на высоте 2 м), м/с;
Wfn - «ветровая функция», Вт/(м -К-мб);
w - удельный (отнесенный к единице площади водного зеркала) расход рассредоточенного бокового питания реки, м/с;
х, z - соответственно горизонтальная и вертикальная декартовы координаты є - излучательная способность воды («степень серости»); и. - коэффициент водоотдачи грунта;
П , П1 - строковые переменные, используемые для записи характеристик элементарных звеньев речной сети;
&red - приведенная температура речных вод;
р = 1000 кг/м - плотность воды;
рк - кажущееся удельное электрическое сопротивление горных пород, Ом-м;
с = 5.67 10"8Вт/(м2-К4) - постоянная Стефаыа-Больцманна;
т - период гармонических колебаний, с; Ф - фаза гармонических колебаний, рад;
Расходы воды, м /с Q - в русле реки;
Q.Im - то же, «кажущийся» (рассчитанный по методу смешения);
Qmax -то же, среднее максимальное значение за период наблюдений;
ю - удельный (отнесенный к единице площади водного зеркала) расход высачивания грунтовых вод в русло реки, м/с;
со" - то же, инфильтрации речных вод в горные породы;
со - равнодействующая удельных расходов инфильтрации и высачивания (приращение руслового расхода на единицу площади водного зеркала);
Общие индексы:
0 - начальный, относящийся к началу отсчета, входному створу;
а - относящийся к воздуху;
L - относящийся к координате L, к замыкающему створу;
s - относящийся к водной поверхности;
x,z- относящийся соответственно к координатам х и z.
Взаимосвязь поверхностных и подземных вод
В гидрогеологии и гидрологии взаимодействие поверхностных и подземных вод традиционно рассматривается либо как питание реки подземными водами, либо, наоборот, как потери воды из русла на инфильтрацию.
Под водообменом понимается чередование этих процессов во времени, обычно называемое береговым регулированием (например, Куделин, 1960). Таким образом считается, что на каждом участке речной долины фильтрационный поток в любой момент времени направлен либо исключительно в русло, либо только из него. Подобных взглядов придерживаются и почти все авторы многочисленных исследований последнего времени. При самых «многообещающих» названиях публикаций оказывается, что реально в них рассматривается именно такой «односторонний» водообмен (Constantz et al., 1994; Fernald et al., 2001 и ряд других источников). К редким исключениям относятся работы (Harvey and Bencala, 1993; Harvey et al., 1996). В первой из них авторы рассматривают водообмен реки только с донными отложениями: в верхних частях перекатов происходит инфильтрация русловых вод в аллювий; в нижних частях она сменяется поступлением грунтовых вод в русло. В результате направленность водообмена вниз по течению неоднократно меняется через промежутки менее 10 м (исследования проводились на небольшом горном водотоке). На участке протяженностью в десятки метров водообмен носит уже обоюдный, двусторонний характер. Во второй работе рассматривается аналогичный процесс, захватывающий пойму ручья, а протяженность путей фильтрации, по представлениям авторов, составляет от сантиметров до метров.
Количественно взаимодействие речных и подземных вод принято оценивать в расходах инфильтрации (или питания) на единицу длины водотока, что затрудняет сравнение интенсивности этих процессов в поймах рек различной водности. Согласно данным, приведенным Н.Т. Кузнецовым (1976), инфильтрация речных вод на малых реках (длиной менее 10 км) составляет в среднем 0,05 м /с на 1 км длины, на средних - от 0,05 до 0,015 м /с, а на крупных реках-0,15-0,50 м /с, в отдельных случаях достигая 1-2 м /с. Большое количество источников, содержащих примерно такие же сведения, перечисляется в работе (Соколов, Саркисян, 1981). У авторов работы (Harvey et al., 1996) составляющая водообмена, направленная в русло, была равна 0,015 м /с на 1 км (без учета притока грунтовых вод со склонов долины, измеряемого отдельно). Об интенсивности инфильтраци-онного потока не сообщается.
Считается, что наиболее интенсивное поглощение речных вод связано с широким развитием карстовых процессов. Однако при отсутствии в русле открытых карстовых воронок (явление мало распространенное) инфильтрация не превышает приведенных выше величин. Так, К.С. Литвин (1988) приводит подробные сведения по р. Б. Хатыми, русло которой «...находится в подвешенном состоянии по отношению к горизонту подземных карстовых вод» (с. 117), что означает большие величины гидравлического напора под речным руслом, близкие к единице. Тем не менее, в среднем на описанном участке этой довольно крупной реки инфильтрация не превышает 0,04 м /с на 1 км.
В то же время, имеются гидрологические данные, свидетельствующие о гораздо более интенсивном водообмене при отсутствии в долине карстую-щихся горных пород. В работе (Кузнецов, Насыбулин, 1970) приводятся результаты измерений расходов воды в руч. Контактовый на различных расстояниях от истока (в среднем около 7 км). Систематические изменения вниз по течению отсутствуют: приращения расхода меняют знак от одного небольшого участка к другому, следовательно, гидравлический напор мало отличается от уклона долины (0,02). Максимальная интенсивность инфильтрации из русла этого небольшого горного ручья, по приведенным данным, составляет (в пересчете на 1 км) 0,15 м3/с. Таким образом, уже с использованием только литературных сведений можно придти к выводу, что по крайней мере в некоторых случаях взаимосвязь поверхностных и подземных вод может быть намного теснее, чем это принято считать.
Связь интенсивности водообмена с фильтрационными свойствами грунта не вызывает сомнений. Сведения о проницаемости аллювия в различных условиях весьма многочисленны. Для целей исследования представляют интерес, во-первых, наибольшие величины коэффициента фильтрации (Kf), во-вторых, закономерности вариаций фильтрационных свойств в разрезе отложений. Согласно Г.З. Перльштейну (1979 б), максимальная про ницаемость гравийно-галечных грунтов с заполнителем из разнозернисто-го песка при рыхлой упаковке составляет до 20 м/ч, галечника с промытым песчано-гравийным заполнителем превышает 30 м/ч. В качестве наибольших величин для грунтов без заполнителя обычно приводятся цифры порядка нескольких сотен м/ч (например, Калабин, 1960; Webb and Anderson, 1996). На самом деле, они далеки от теоретически возможного верхнего предела. Расчет Kf однородного материала с размером зерен 30 мм и пористостью 0,35 по формулам, приведенным в монографии (Бэр и др., 1971) дает величину более 1300 м/ч. По Перльштейну (1979 б), коэффициент фильтрации техногенного грунта, состоящего из галечника с примесью крупного гравия, достигает 4000 м/ч. В целом же принято считать, что высокие фильтрационные свойства аллювиальных отложений в естественном залегании характеризуются значениями Kf около 10 м/ч.
Известно, что в поймах реках, вышедших из стадии глубинной эрозии, часто перестилаемые и хорошо проницаемые отложения русловой фации вниз по разрезу сменяются неподвижным плотиковым аллювием, нижние слои которого сильно заилены и отличаются резко пониженной водопроницаемостью. (Билибин, 1955; Карташов, 1972). Согласно второму автору, именно формирование такого слоя (вследствие постепенного уменьшения уклона ложа реки) служит причиной прекращения ее врезания в коренные породы.
Река Колыма в верхнем и среднем течении
Колыма - крупнейшая река Северо-Востока, имеющая протяженность 2129 км (2513 км от истока р. Кулу). Площадь бассейна составляет более 600 тыс. км , годовой сток более 100 км3. В верховьях и в начале среднего течения она дренирует густую речную сеть (до 1,2 км/км2). Наиболее водообильна верхняя часть бассейна; ниже пос. Усть-Среднекан (водосборная площадь 99400 км2, го-довой сток 23,2 км ) р. Колыма протекает по низкогорной местности, и ее водность нарастает преимущественно за счет крупных притоков. В среднем и нижнем течении (от пос. Зырянка) она приблизительно разграничивает III (по правому берегу) и V мерзлотный районы. Верхняя горная часть бассейна принадлежит преимущественно третьему районам, частично второму и четвертому. Дальнейшее описание ограничено в основном верховьями и началом среднего течения (до устья р. Балыгычан).
Геолого-геоморфологическая характеристика. Большая часть бассейна Верхней Колымы занята среднегорьем, во многих местах переходящим в высокогорье, которое занимает наиболее обширные территории в хребтах системы Черского и Сунтар-Хаята. Рельеф в основном сильно расчленен, платообразные участки редки. Относительная доля низкогорья возрастает вниз по течению, а ниже устья р. Буюнда оно преобладает. Межгорные и внутригорные впадины многочисленны, но суммарная их площадь невелика.
Преимущественным распространением пользуются терригенные породы верхоянского комплекса. Большинство крупных правобережных притоков р. Колыма берут начало в пределах Охотско-Чукотского вулканогенного пояса; отдельные участки, сложенные эффузивами встречаются и на остальной территории. Многочисленны гранитные и гранитоидные интрузии, особенно в хребтах системы Черского. Наименее распространены карбонатные породы, встречающиеся преимущественно в левобережной части бассейна (верховья р. Таскан и восточнее); в правобережной части они приурочены к западной окраине Юкагирского плоскогорья.
Начиная от истоков своих составляющих, рек Аян-Юрях и Кулу, Колыма имеет преимущественно разветвленное русло вплоть до выхода из Оротукской впадины. Таков же характер крупного притока Аян-Юряха р. Берелех, которую некоторые авторы считают третьей составляющей Колымы. Исключение составляют отдельные небольшие участки глубинной эрозии и ряд водотоков в верховьях р. Кулу, имеющих меандрирующие русла. Ниже по течению Оротукской впадины р. Колыма ранее (до создания Колымского водохранилища) прорезала ряд хребтов системы Черского и имела горный характер, местами образуя каньоны.
Ниже устья р. Бахапча, где скальные породы представлены главным образом глинистыми сланцами, долина постепенно расширяется, в русле появляются отдельные острова, преимущественно цокольные (рис. 2.5). Слаборазветвленное русло уступает место типичному ветвлению только на участке впадения р. Таскан, выносящей повышенное количество влекомых наносов. В целом же характер речной долины здесь практически тот же, что и на вышерасположенном участке. Наблюдаются частые выходы в русло коренных пород, обрывистые, зачастую скалистые берега. Пойма представлена в основном отдельными узкими сегментами, и ее ширина в среднем ненамного превышает меженную ширину русла.
Ниже пос. Усть-Среднекан, в Сеймчано-Буюндинской впадине, река вновь начинает интенсивно ветвиться на рукава (см. рис. 2.5). Дальше она на большом протяжении течет в разработанной долине, выполненной широкой полосой аллювиальных отложений, имеет хорошо выраженную пойму и практически не соприкасается с коренными берегами. В высокие паводки русло сильно перемывается. Такой характер реки сохраняется вплоть до выхода на равнину несколько ниже пос. Зырянка (где ветвление сменяется меандрированием). Общие черты геологического строения долины на участке ветвления также остаются неизменными. Верхнечетвертичные аллювиальные отложения распространены очень широко и представлены галечниками с песчано-суглинистым заполнителем, песками, супесями, суглинками. Ими сложены II, IIIIV надпойменные террасы, которые встречаются в долине на значительном протяжении и часто образуют широкие площадки. Мощность отложений варьирует в пределах от 4-5 до 10-20 м.
Наибольший интерес для целей настоящей работы представляют современные аллювиальные отложения, слагающие пойму и русло реки. Их литологический состав характеризуется одночленным (низкие поймы и га-лечниковые косы), либо двучленным строением (пойма среднего и особенно высокого уровней. Отложения русловой фации содержат 40-60 % и более крупнообломочных фракций (валуны, галька) и до 25-35 % гравия. Эти частицы составляют «скелет» отложений, в которых более мелкие фракции (преимущественно крупно-, реже среднезернистые пески), играют роль заполнителя. На средней и высокой пойме песчано-гравийно-галечные грун ты, как правило, перекрыты отложениями пойменной фации мощностью до 3,0-3,5 м, местами более. Состав последних довольно однообразен. Они представляют собой переслаивание пылеватых песков, различающихся крупностью песчаных и содержанием более мелких фракций, которое выше на участках высокой поймы (до 50 % и более). Отложения здесь с поверхности гумусированы и густо пронизаны корнями трав, кустарников и деревьев на глубину 0,3-0,4 м. В ложбинах пески более тонкозернистые и обогащены пылеватыми частицами, местами переходят в супеси.
Гидрологическая характеристика приведена для участка между ГМС Синегорье и Балыгычан по справочнику «Многолетние данные...», 1985. Питание р. Колыма здесь смешанное. Вклад грунтовой составляющей незначителен, а относительные доли снеговой и дождевой в среднем примерно равны, сильно варьируя от года к году. Характер питания определяет внутригодовое распределение стока. В Усть-Среднекане сток холодного периода (октябрь - апрель) составляет всего 5 % суммарного, доля весеннего (май - июнь) несколько меньше 50 %, т.е. практически половина годового стока проходит в период весеннего половодья.
Оценки конвективного теплообмена в поймах малых водотоков
Основные сложности связаны с необходимостью оценить составляющую qb, которая определяется формулой (1.9) приведенной в разделе 1.4. В долинах водотоков с пойменными таликами невозможно измерить ни одігу из величин Ть и w. О первой из них в литературе имеются противоречивые суждения (скорее, предположения), выглядящие сомнительными (см. раздел 1.4). Вторая при интенсивном водообмене реки с пойменным таликом становится второстепенной составляющей этого процесса. В дополнение к сведениям, приведенным в разделе 1.5, можно привести еще один яркий пример подобного рода: 30.09.92 г. в замыкающем створе КВБС «Контактовый Нижний» русловой расход составлял почти 100 л/с (20 % средней июльской величины), тогда как в 200 м выше и ниже по течению русло ручья было абсолютно сухим.
Удельный расход рассредоточенного бокового питания можно приближенно оценить по модулю стока и крупномасштабным картам. Температура надмерзлотного склонового стока лежит в пределах от 0 С до значений, измеренных в ручьях I порядка - по данным наблюдений на КВБС, в июле в среднем за сутки они редко превышают 2 С. Погрешность, вносимую неопределенностью при задании этих величин, можно свести к минимуму, если проводить теплобалансовые наблюдения в меженный период, когда модуль стока в долинах III и более высоких порядков (в низкопорядковых пойменные талики не формируются) измеряется первыми единицами л/(с-км2). При этом заведомо завышенная оценка qb (при Ть= 0С) немногим превышает 10 Вт/м , и даже грубые ошибки при задании интенсивности бокового питания мало сказываются на конечном результате. Участки с убывающими вниз по течению расходами обладают тем дополнительным преимуществом, что на общем фоне потерь воды из русла поступление склонового стока в периферийные части талика вряд ли может заметно влиять на термический режим реки, и величина qb здесь на самом деле мало отличается от нуля. Это обстоятельство в принятой расчетной схеме ведет к занижению оценок конвективного теплообмена.
Большое значение имеет точность определения температуры воды. Так, если разность температур в начале и в конце участка длиной 100 м определена с погрешностью 0,1 С, то при В =14 ми Q0= 1 м3/с ошибка при расчете q f составит 300Вт/м2. С применением современной аппаратуры погрешность можно уменьшить на порядок. Очевидно, что для повышения точности расчетов следует по возможности увеличивать длину участка. Необходимо также избегать ситуаций, когда приращение температуры между створами оказывается настолько большим, что чрезмерно повышаются требования к точности измерения расхода воды; критическая величина зависит от значений характеристик Q.0,B,L. Все эти соображения учитывались при производстве наблюдений. В основном измерения осуществлялись по стандартным методикам, принятым в подразделениях Гидрометеослужбы. Температура воды определялась при помощи малоинерционных термисторных датчиков и цифровых измерительных приборов в 3-5 точках поперечных профилей (в зависимости от ширины русла). Местоположение точек выбиралось по результатам измерений расходов воды детальным способом (Наставление..., 1978) с тем, чтобы результаты характеризовали равные расходы. Измерения прово дались в двух повторностях, чтобы определить слагаемое СН в формуле (3.4). Хотя многочисленные термометрические съемки показали, что термическая стратификация в малых водотоках наблюдается чрезвычайно редко, ее отсутствие в обоих створах контролировалось как при выборе участка, так и периодически в течение производства измерений. Поперечные термические неоднородности также как правило, невелики, и даже при действии сосредоточенных источников вниз по течению быстро нивелируются (рис. 3.2).
Особенностью малых водотоков является существенное ослабление коротковолновой радиации, поступающей к водной поверхности, береговой растительностью. При экспедиционных исследованиях величина S измерялась непосредственно, в каждый из сроков наблюдений, в ряде точек поперечных профилей, расположенных через одинаковые интервалы от 10 до 20 м, количество точек измерений варьировало от 3 до 6, в зависимости от ширины русла. На постоянных экспериментальных участках для уменьшения объема работ периодически в течение теплого сезона проводились параллельные измерения величин S и S0 при различных условиях освещенности, что позволило определить сезонные вариации средних по участкам значений коэффициента пропускания ktr отдельно для прямой и рассеянной солнечной радиации.
В начальный период исследований на базовом участке руч. Контактовый (Михайлов, Банцекина, 1992) измерения температуры воды производились на 23 профилях, размеченных с интервалом 20 м. Наблюдения на метеоплощадке дополнялись измерениями температуры и влажности воздуха и скорости ветра на градиентных стойках, установленных непосредственно в русле (см. рис. 2.9). Теплобалансовые расчеты с использованием дополнительных данных показали избыточность последних. По результатам этих предварительных оценок и водобалансовых расчетов, описанных в Главе 4, для дальнейших наблюдений был выбран центральный отрезок экспериментального участка, расположенный между термометрическими профилями 6 и 15 (см. рис. 2.9, 3.2). Все приведенные ниже сведения об интенсивности конвективного теплообмена относятся к этому отрезку (далее «средний участок»); на остальных двух, верхнем и нижнем, проводились только водобалансо-вые наблюдения.
Продолжительные исследования с целью оценки изменчивости величины qf при различных погодных условиях в течение теплого сезона были осуществлены на базовых участках в поймах руч. Контактовый и р. Дукча (см. рис. 2.9 и 2.12). Еще на восьми водотоках, сведения о которых приводятся ниже, проводились экспедиционные исследования в течение 1-1,5 сут. Они, в целях лучшей сравнимости результатов, были приурочены к середине июля (10-25.07) и дням с примерно одинаковыми погодными условиями. Основным критерием служила небольшая облачность (подавляющую часть дневного времени солнечный диск оставался полностью открытым) в течение как периода производства измерений, так и нескольких предшествующих суток. При этом относительно мало различались также значения температуры и влажности воздуха; расходы воды соответствовали средней либо низкой летней межени.
Крупные реки: скорости фильтрации (движения) грунтовых вод и эффективная проницаемость аллювия
Скоростные характеристики фильтрационного потока. В исследованиях применялись два стандартных метода. 1) Определение динамики концентрации индикатора после его внесения в скважину путем измерения электропроводности засоленной воды. В ре зультате получается известная во многих научных дисциплинах «кривая ис тощения». Скорость фильтрации определяется через концентрации индика тора в любые два момента времени t{ и /2, соответственно М, и М2, сле дующим образом (Матвеев, 1963): где D - диаметр скважины. Безразмерный коэффициент кь зависит от степени искажения фильтрационного потока в непосредственной близости от скважины (при достаточно частой перфорации она «концентрирует» линии тока) и при отсутствии внешнего грунтового фильтра обычно принимается равным 2. Как отмечает автор, къ зависит также от конструкции фильтра самой скважины и в общем случае может принимать значения от 4 практически до нуля. В описанных ниже экспериментах, проводившихся в скважинах с очень редкой перфорацией обсадных трубок (по два отверстия диаметром 4 мм через 200 мм), было принято кь = \. Размерность результата по формуле (4.8) зависит оттого, в каких единицах измерены величины D и t. 2) Мгновенное внесение индикатора в «пусковую» скважину с отслежи ванием изменений электропроводности воды в наблюдательной скважине, находящейся дальше по направлению фильтрационного потока.
В итоге оп ределяется время переноса индикатора на известное расстояние между сква жинами (по моменту наступления максимальной концеїгграции во второй из них). Частное от деления расстояния на время служит оценкой скорости движения грунтовых вод (Vm), связанной со скоростью фильтрации общеизвестным соотношением: Vm = VfJn, где п - пористость грунта. На точность измерений отрицательно влияет продольная дисперсия индикатора, затрудняющая определение момента его максимальной концентрации. Преимущество данного метода состоит в том, что полученные результаты характеризуют фильтрационные свойства грунта не в окрестностях отдельной скважины, а на сравнительно большом расстоянии. Второй метод применялся только в пойме руч. Контактовый. Запуск индикатора производился в специально вырытые «закопушки» на низкой правобережной пойме ручья возле пос. Стоковое (см. Приложение 3), измерения его концентрации - в ключах, действовавших в 8 - 15 м ниже по долине. Всего было проведено 8 экспериментов, в пяти из них динамика электропроводности воды в ключах была маловыразительной, без отчетливых «пиков», либо вообще практически отсутствовала. По-видимому, индикатор из «закопушек» переносился в обход ключей. При проведении экспериментов по первому способу потребовалась некоторая корректировка традиционной методики, по которой внесение индикатора (поваренной соли) производится путем многократного опускания в воду мешочка с солью. Оказалось, что при таком способе концентрация индикатора в скважине вначале испытывает резкие колебания, а спустя 10-15 мин после начала измерений снижается практически до фоновых значений.
По-видимому, данное явление связано с высокой проницаемостью отложений. При этом мешочек в обсадной трубке небольшого диаметра (48 мм) действовал подобно поршню, попеременно вытесняя воду в поры аллювия и подсасывая ее обратно. В результате вокруг скважины образовывался ореол неравномерно засоленных грунтовых вод, что и вызывало резкие изменения концентрации соли при последующем их поступлении в скважину. Во избежание такого явления применялась равномерная подача в скважину концентрированного рассола через трубку с калиброванным наконечником со ско » ростью 1-1,5 мл/с в течение 15-20 мин и началом замеров через 5 мин после прекращения подачи. Результаты опытов представлены на рис. 4.7 и в табл. 4.2. При обработке данных, полученных по первому способу, по измеренным значениям М вначале строились гладкие кривые методом сплайнирования (см. рис. 4.7 а), с которых затем снимались данные для расчетов по формуле (4.8).
