ДИСПЕРСНЫЙ СОСТАВ ПЕСКОВ И СКАЛЯРНЫЕ ОЦЕНКИ ВЕТРОВОГО ПЕРЕНОСА ИХ МАСС В СЕВЕРНОМ ПРИКАСПИИ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

НАУЧНЫЕ СТАТЬИ

Гидрометеорология и экология №2 2014

УДК 551.5.539

Канд. геогр. наук Н.У. Бултеков

Канд. геол.- мин. наук Е.Ж. Муртазин Канд. физ.- мат. наук О.Е. Семенов

А.П. Шапов *

ДИСПЕРСНЫЙ СОСТАВ ПЕСКОВ И СКАЛЯРНЫЕ ОЦЕНКИ ВЕТРОВОГО ПЕРЕНОСА ИХ МАСС В СЕВЕРНОМ ПРИКАСПИИ

ПОДВИЖНЫЕ ПЕСКИ, ДИСПЕРСНЫЙ СОСТАВ, ФУНКЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ, ВЕТРОВОЙ ПЕРЕНОС, СТАТИСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

Рассмотрен дисперсный состав частиц песка в Атырауской области. Подвижные и полузакрепленные пески здесь имеют логарифмически нормальную функцию распределения. Средний геометрический размер песков в пределах области изменяется в интервале от 110 до 201 мкм. Для шести метеостанций за период 1986...2008 гг. были получены скалярные оценки масс переносимого ветром песка за каждый месяц и год. Наибольший ветровой перенос масс песка наблюдается в районе М Атырау (3104 т-км'1 -год'1), наименьший - в районе М Махамбет (416,7 т-км'1 -год'1). Выявлено три типа годового хода переноса песка. Первый с двумя ярко выраженными максимумами: один - в марте - мае и второй - в сентябре (МНовый Уштоган). Второй тип характерен для М Атырау, где в течение года наблюдается три максимума, - в апреле, июне и сентябре. Для третьего типа (метеостанции Ганюшкино, Сагыз и Карабау) также характерны весенний и осенний максимум и менее выраженный летний минимум.

В августе 2011 г. авторами были выполнены маршрутные исследования песков в трех районах Северного Прикаспия, определению их мест расположения, площадей и описания дисперсного состава. Исследование включало три маршрута.

Первый маршрут: Атырау - пос. Доссор (Кызылкогинский район) - пос. Жамансор - разъезд Кенбай - пос. Жантерек - пос. Мукур - пос. Сагыз

* АО «Жасыл Даму» МОСВР РК, г. Алматы; Институт гидрогеологии и геоэкологии им. У.М. Ахмедсафина, г. Алматы

45

- пос. Миялы - пески Тайсоган - пос. Тайсоган - пос. Джангильдино - пос. Жаскайрат - пос. Тасшагыл - пос. Караколь - пос. Карабау - г. Атырау. Общая протяженность первого маршрута составила 940 км.

Второй маршрут: г. Атырау (Исатайский район) - пос. Ергалиев (Новобогатинское) - пос. Жаскайрат - пос. Кызылуй (песчаный массив Рын-пески) - пос. Жанбай - пос. Исатай - пос. Зинедин (Забурунье) -(Курмангазынский район) - ст. Афанасьево - пос. Алга - пос. Акколь -Гизат Алипов ауылы (Кызылоба) - пос. Курмангазы (Жыланды) - пос. Га-нюшкино. Протяженность второго маршрута составила 1230 км.

Третий маршрут: пос. Ганюшкино - пос. Кошалак - пос. Уштоган

- г. Атырау. Общая протяженность третьего маршрута - 670 км.

Для определения дисперсного состава на массивах подвижных песков и в характерных точках маршрутов были отобраны образцы песков, которые затем были подвергнуты лабораторному анализу, найдены их накопленные (интегральные) эмпирические функции и вычислены параметры функций распределения частиц по размерам [4]. В табл. 1 дана краткая характеристика мест отбора проб, с указанием населенных пунктов, состояния поверхности и наличия процессов выветривания песка, степени подверженности заносу территорий поселков.

Для климатической оценки развития дефляции песков Северного Прикаспия привлечены результаты наблюдений за бурями и ветром шести метеорологических станций (М) региона за 23-х летний ряд с 1986 по 2008 гг.: Атырау, Ганюшкино, Карабау, Махамбет, Новый Уштоган и Са-гыз. В процессе изучения переноса масс песка, на конкретном массиве подвижного песка, привлекались метеорологические наблюдения ближайшей к нему метеорологической станции и средний геометрический размер частиц песка х0 по методике, описанной во [2].

Для каждой станции, за указанный выше период, по модели [1, 3] были получены скалярные оценки масс переносимого ветром песка за каждый месяц и год. Рассчитывалась массаМ (кг) переносимого ветром песка через фронт переноса в один метр в единицу времени за каждую пыльную (песчаную) бурю, отмеченную наблюдателями метеостанций. Далее проводилось суммирование масс песка за все бури каждого месяца года в кгм'1 мес'1, что позволило увидеть внутригодовой ход переноса песка. Затем определялась масса перемещенного ветром песка за год в кгм'год'1 или, что более удобно, в т км'1 год'1. Эти две единицы измерения в количественном отношении эквивалентны друг другу: кгм~1год~1 = ткм'1 год'1.

46

Таблица 1

Параметры распределения частиц песка по размерам, отобранных с поверхности подвижных песков Атырауской области

Координаты места Параметр

Место отбора проб и характеристика песков отбора распределения

долгота широта х0, МКМ

Кызылкогинский район

Восточная окраина пос. Жамансор. Пески полузакрепленные с видимыми процессами дефляции. 47°47'35" 53°48'07" 110 0,34

2 км восточнее разъезда Кенбай. С обеих сторон железнодорожного полотна наносы песка. 47°52'41" 54°03'21" 140 0,24

Северо-восточная окраина пос. Мукур. Наблюдаются участки с нарушенной поверхностью. 48°03'42" 54°30'15" 143 0,26

2 км севернее поселка Сагыз. Пески незакрепленные, бугристые. 48°15'06" 54°53'17" 201 0,20

1 км восточнее поселка Сагыз. Пески полузакрепленные 48°14'41" 54°53'57" 166 0,19

Пески Тайсоган. Зимовка. Вокруг зимовок наблюдаются участки с выбитой

поверхностью незакрепленные пески. 48°46'39" 53°43'48" 124 0,15

Восточная окраина пос. Тайсоган (пески Тайсоган). Пески наступают на поселок с ЮЮВ. 48°33'49" 53°27'02" 168 0,09

Северная окраина пос. Миялы. Полузакрепленные пески, бугристые. 48°54'03" 53°48'06" 184 0,18

Северная окраина пос. Жаскайрат. Незакрепленные пески. 48°57'17" 53°32'50" 137 0,15

пос. Тасшагыл. Поселок задувает песками с северной и восточной стороны. 48°52'10" 52°57'57" 104 0,13

Восточная окраина пос. Караколь. Пески расположены с восточной стороны и наступают на поселок. 48°47'06" 52°53'13" 135 0,14

2 км севернее пос. Карабау. Пески подвижные незакрепленные наступают на поселок с северной стороны. 48°28'32" 52°55'40" 144 0,14

Юго-восточная окраина пос. Караколь. 48°47'11" 52°53'12" 143 0,11

Место отбора проб и характеристика песков Координаты места отбора Параметр распределения

долгота широта Х0, мкм

Исатайский район

пос. Жаскайрат. Пески с северной и восточной стороны наступают на поселок. 47°41'39" 51°00'51" 104 0,10

пос. Кызылуй. Северная окраина поселка (Рын-пески). С северной стороны поселка на расстоянии 600 м располагается песчаный массив. Пески грядово-бугристые. 47°22'59" 50°42'36" 80 0,10

Южная окраина пос. Исатай. Незакрепленный участок с южной стороны, песок мелкий с примесью ракушек. 46°47'42" 50°04'49" 118 0,11

Юго-восток пос. Зинедин (Забурунье). С юго-востока пески вплотную подходят к поселку. 46°44'48" 50°09'39" 114 0,08

Курмангазынский район

Северо-восток ст. Афанасьево. Полузакрепленные пески, бугристые. 46°42'15" 49°32'59" 127 0,09

Север пос. Акколь. 46°39'53" 49°03'51" 123 0,11

Западная окраина пос. Курмангазы (Жыланды). Незакрепленный участок песчаного массива с западной стороны. Пески огибают поселок с запада и северо-запада. 46°37'26" 48°38'25" 137 0,09

Северная окраина пос. Уштоган. Пески незакрепленные, барханно-грядовые со следами дефляции в виде ряби. 47°54'38" 48°47'54" 132 0,10

Процедуры расчета выполнены для всего ряда наблюдений всех станций и различных значений средних геометрических размеров частиц песка х0 на массивах подвижных песков. По полученным многолетним рядам масс песка определены средние многолетние величины и их основные статистические параметры, представленные в табл. 2.

Таблица 2

Основные статистические параметры рядов переноса песка по станциям Северного Прикаспия: х0 - средний геометрический размер частиц песка,

М - средняя многолетняя масса песка, переносимая за год, У - среднее квадратическое отклонение, Су - коэффициент вариации

Статистические параметры Метеорологическая станция

Атырау Ганюшкино Карабау Махамбет Н. Уштоган Сагыз

х0, мкм 100 130 130 100 130 150

М (т-км-1-год-1) 3103,5 2166,9 1041,4 416,7 1457,8 2242,5

У (т-км-1-год-1) 3332,9 3625,1 1213,3 994,8 781,2 2457,8

1,07 1,67 1,16 2,39 0,54 1,1

Данные табл. 2 показывают, что наибольший ветровой перенос масс песка должен происходить в районе М Атырау (3104 т-км"1-год"1), в 1,4 раза меньше вблизи М Сагыз (2242 т-км"1-год"1) и М Ганюшкино (2167 т-км"1-год"1), в 2,1 раза меньше - в районе М Новый Уштоган, в 3 раза - возле М Карабау и почти в 7,5 раза меньше у М Махамбет. Изменчивость полученных статистических рядов наименьшая на М Новый Уштоган (= 0,54), в два раза больше она на станциях Атырау, Карабау, Сагыз и в три раза на М Ганюшкино. Особенно большая межгодовая изменчивость ряда на М Махамбет, где С

достигает 2,39, т.е. более чем в пять раз превышает С станции Новый Ушто-ган. Анализ полученных рядов позволяет считать, что наблюдения за пыльными бурями на М Махамбет, расположенной в пойме р. Жайык (Урал), не отражают реальных процессов дефляции песков на окружающих её территориях. Поэтому в дальнейшем полученные расчетные значения масс песка по наблюдениям этой метеостанции не использовались при определении дефляционной опасности выявленных массивов подвижных песков.

49

Полученные скалярные характеристики ветрового переноса масс песка позволили рассмотреть развитие процессов дефляции песков в течение года. В табл. 3 приведены значения средних многолетних переносимых ветром масс песка для массивов подвижного песка, расположенных в районах исследуемых метеостанций.

На рис. 1 представлен годовой ход месячных расходов массы песка по данным метеостанции Новый Уштоган. Здесь наблюдается классический тип годового хода, характерного для большинства песчаных районов Казахстана, с двумя ярко выраженными максимумами. Наибольшие объемы переноса происходят в первый, приходящийся на весенние месяцы март - май. Летом перенос песка ослабляется в 3.. .7 раз. Второй максимум приходится на сентябрь, когда месячный расход песка увеличивается по сравнению с летним расходом примерно в 3 раза.

Рис. 1. Годовой ход месячных расходов массы песка по данным МНовый Уштоган для массивов песков со средним геометрическим размером

частиц 130 мкм

Второй тип годового хода переноса песка был обнаружен на материалах наблюдений М Атырау, где в течение года наблюдается три максимума (рис. 2). Первый, как и везде, отмечен весной в марте месяце и достигает 354 т-км-1-мес-1. В апреле расход массы песка также весьма значителен -880 т-км-1-мес-1 , в мае он снижается до 266 т-км-1-мес-1. Второй максимум приходится на июнь - 448 т-км-1-мес-1и он вдвое меньше первого. Минимальный расход массы песка наблюдается в июле, когда его значение падает до 150 т-км-1-мес-1. В августе начинается усиление ветровой активности и в сентябре наступает третий в году максимум в переносе песка ветром, месячный расход массы песка увеличивается до 395 т-км-1-мес-1, достигая почти половины значения первого весеннего максимума. 50

Таблица 3

Средний многолетний внутригодовой ход переносимых ветром масс песка (т км"1 мес"1) в Северном Прикаспии

(1986...2008 гг.)

Станция х0, мкм Месяц

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Атырау 100 0 6 354 882 266 448 150 269 395 164 18 151

Ганюшкино 120 0 0 158 780 410 359 254 104 332 114 32 0

130 0 0 88 475 244 232 114 56 182 64 23 0

Махамбет 100 0 113 0 190 0 1 19 23 43 27 0 0

Н. Уштоган 130 7 24 234 377 290 126 57 72 167 80 6 15

Карабау 130 0 0 37 312 101 93 23 45 225 157 37 11

150 0 0 28 234 76 70 17 34 169 117 28 8

175 0 0 21 172 56 51 13 25 124 86 21 6

Сагыз 150 16 7 65 826 313 255 105 182 251 145 31 47

200 9 4 37 464 176 144 59 102 141 82 18 26

Рис. 2. Годовой ход месячных расходов массы песка по данным М Атырау для массивов песков со средним геометрическим размером частиц 100 мкм.

Третий тип годового хода ветрового переноса массы песка отмечен на трех метеостанциях: Ганюшкино, Сагыз и Карабау. Для него, так же как для первого типа, характерно наличие двух максимумов - весеннее"летнего и осеннего. Он отличается от первого значительным снижением переноса песка в мае до 0,3...0,5 от максимального в апреле. Примерно такое же значение расхода массы песка как в мае сохраняется и в июне (рис. 3"5).

Второй осенний максимум в годовом ходе развития процессов дефляции песков на этих метеостанциях приходится на сентябрь и октябрь. На М Ганюшкино и М Сагыз с большими значениями весенних максимумов (около 800 т-км-1-мес-1) осенний максимум составил 0,42 весеннего значения на М Ганюшкино и 0,3 - на М Сагыз. На М Карабау, где весенний максимум был значительно меньше (всего 312 т-км-1-мес-1) осенний достиг 0,72 его значения.

IV! т км -ГОЛ

I 2 Д 4 Л 7 К 9 10 II 12

месн ■ и>1

Рис. 3. Годовой ход месячных расходов массы песка по данным МГанюшкино для массивов песков со средним геометрическим размером

частиц 100 мкм.

52

IV! г-км" - год 400 —

() _гУ __1_I_I_I_I_I_I_I_I_ " Я

I 2 3 Л 5 Сг 7 К У 1 О II 12

м еся цы

Рис. 4. Годовой ход месячных расходов массы песка по данным МКарабау для массивов песков со средним геометрическим размером частиц 130 мкм.

М т км ' год'1

месяцы

Рис. 5. Годовой ход месячных расходов массы песка по данным М Сагыз для массивов песков со средним геометрическим размером частиц 130 мкм.

Исследования, как и ожидалось, обнаружили большую изменчивость расходов массы песка в изучаемой географической области, как по площади, так и во времени. На рис. 6 - 10 показан многолетний ход годовых расходов массы песка (годовые суммы перемещенных за год масс песка).

Анализ рисунков позволил выделить временной интервал с подобным развитием процессов дефляции в районах метеостанций Атырау, Сагыз, Ка-рабау и Новый Уштоган, который начался в 1995... 1996 гг. и продолжился до конца рассматриваемого нами отрезка лет. В этом интервале времени по результатам наблюдений происходили синхронные значительные усиления ветрового переноса песка в 1995.1996, 1998.1999 и 2001 гг. В эти годы наблюдались и максимальные годовые расходы массы песка. На М Атырау -в 2001 г., М Новый Уштоган - в 1995 г., на М Сагыз и М Карабау - в 1996 г.

53

Рис. 6. Многолетний ход переносимой за год массы песка при бурях.

М Атырау.

Рис. 7. Многолетний ход переносимой массы песка за год при бурях.

М Сагыз.

Рис. 8. Многолетний ход переносимой за год массы песка при бурях.

М Карабау.

54

IV! т-км -год" -4000 |—

О......................

1986 198Х 1990 1992 1994 1996 199К 2000 2002 2004 2006 2008

ГОД

Рис. 9. Многолетний ход переносимой массы песка за год при бурях.

МНовый Уштоган.

М т-км '-год ' 1ОООО - ус?

8000 -I \

бооо

1986 1988 I ')<>(> 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008

год

Рис. 10. Многолетний ход переносимой за год массы песка при бурях.

М Ганюшкино.

Многолетний ход ветрового переноса песка на М Ганюшкино значительно отличается от хода на названных выше метеостанциях. Здесь максимальное значение годового расхода масс песка пришлось на 1987 г., а с 1994 г. по 1999 г. перенос песка прекратился. Новая, значительно более слабая дефляционная активность, была отмечена в 2000...2002 гг., затем до 2008 г. наблюдалось практически полное отсутствие дефляции песков в районе этой метеостанции.

Как видно по рис. 6 - 10, временные ряды переносимых масс песка очень изменчивы, коэффициенты их вариации Су изменяются от 0,54 до

1,67. Коэффициенты асимметрии свидетельствуют, что временные ряды годовых расходов масс песка при бурях отличны от нормального распределения и описываются распределением случайных величин с положительной асимметрией и значительным эксцессом. Поэтому для получения масс песка различной обеспеченности был применен графический способ спрямления

55

функции распределения масс, на клетчатке вероятностей для кривых с умеренной и со значительной асимметрией. В табл. 4 приведены полученные оценки значений переноса песчаных масс различной вероятности, которые дают представление о годовых расходах редкой повторяемости.

Важно отметить, что большая изменчивость и асимметрия распределений ведет к значительному возрастанию годовых переносов масс песка малой обеспеченности, как это видно на их значениях по М Ганюшкино и М Карабау. По результатам расчетов хорошо видно влияние размеров частиц на значение годовых расходов песка (табл. 4).

Таблица 4

Вероятностная оценка переноса массы песка за год при песчаных бурях в Северном Прикаспии, т-км^-год"1

Размер частиц Обеспеченность, %

1 5 10 50 75

Атырау

хо = 100 мкм 20500 10500 7400 2100 1100

Ганюшкино

х0 = 120 мкм 24000 12000 8300 400 40

х0 = 130 мкм 20500 10200 7800 340 35

Новый Уштоган

х0 = 130 мкм 4800 3300 2600 1200 830

Карабау

х0 = 130 мкм 7900 3700 2500 630 300

х0 = 150 мкм 6000 2800 2000 480 220

х0 = 175 мкм 4600 2200 1500 375 170

Сагыз

х0 = 150 мкм 17500 8400 5600 1350 650

х0 = 200 мкм 10000 4800 3200 740 350

В заключении можно сказать, что новые количественные характеристики процессов дефляции позволяют объективно оценивать интенсивность их проявления. Совместное рассмотрение параметров распределения масс переносимого ветром песка, числа суток с пыльными (песчаными) бурями и их продолжительностью позволяют полнее раскрыть влияние этого опасного явления природы на экологическую ситуацию региона. Оценивая в целом дефляционную опасность рассматриваемого региона можно сказать, что частицы песка на большинстве массивов имеют средний геометрический размер от 80 до 140 мкм. Частицы этого размера наи-

56

более подвижны под воздействием ветра и могут активно участвовать в ветровом переносе не только в приповерхностном слое ветропесчаного потока, но и переноситься сильными ветрами во всем приземном слое атмосферы на значительные расстояния. При конкретном проектировании нужен учет переноса песка во время очень сильных песчаных бурях, когда могут переноситься очень большие массы песка при направлениях переноса, отличных от среднего многолетнего результирующего вектора.

Статья написана по результатам работы «Изучение процессов пылевых заносов населенных пунктов Атырауской области с разработкой комплексной схемы по снижению негативного воздействия песчаных заносов на населенные пункты», выполненной в Казахстанском агентстве прикладной экологии в 2011 г. по заказу Управления природных ресурсов и регулирования природопользования Атырауской области.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Актуальные проблемы гидрометеорологии оз. Балхаш и Прибалхашья / Под ред. И.И. Скоцеляса - СПб.: Гидрометеоиздат, 1995. - 269 с.

2. Бултеков Н.У., Семенов О.Е., Шапов А.П. Оценка состава песков песчаных массивов Актюбинской области // Гидрометеорология и экология. - 2009. - №3. - С. 100-109.

3. Семенов О.Е. Введение в экспериментальную метеорологию и климатологию песчаных бурь - Алматы: ИП «Волкова Н.А.», 2011. - 580 с.

4. Семенов О.Е. О распределении почвенных частиц по размерам на юге Казахстана вследствие эоловых процессов // Труды КазНИГМИ. -1970. - Вып. 36. - С. 153-165.

Поступила 11.03.2014

Геогр. гылымд. канд. Н.У. Бултеков

Геол.-мин. гылымд. канд. Е.Ж. Муртазин Физ.- мат. гылымд. канд. О.Е. Семенов

А.П. Шапов

СОЛТYСТIК КАСПИЙ МАЦЫНДАГЫ Ц¥МДАРДЫЦ ДИСПЕРСИЯЛЬЩ Ц¥РАМЫ ЖЭНЕ ОЛАРДЬЩ ЖЕЛМЕН ТАСЫМАЛДАНУЫН СКАЛЯРЛЬЩ БАГАЛАУ

Атырау облысындагы щум белшектертщ дисперсиялъщ щурамы щарастырылды. Мундагы квшпелг жэне жартылай бетнген щумдардыц таралуы логарифмдт щарапайым функция бойынша си-патталады. Облыс аумагында кездесет1н щумдардыц орташа геометриялыщ влшем1 110... 201 мкм аралыгында взгеред1. Жел

57

арцылы тасымалданатын цум массаларыныц скалярлъщ багасы ал-ты метеостанция бойынша 1986 жылдан 2008 жылга дешнг! эрб1р айда жэне жыл сайын алынып отырды. Цум массаларыныц желмен ец квп тасымалдануы Атырау МС-да (3104 т-км-1 -жыл-1), ал ец аз тасымалдануы - Махамбет МС-да (416,7 т-км-1 -жыл-1) тгркелген. Жылдыц тербел^анде цумдардыц тас^гмалдануыныц уш тур1 байцалган. Б1ртш1 туртде аныц байцалатын ею максимумы бар: бгргншг - наурыз - мамыр айларында жэне екгншг - цыркуйекте (Жаца Yштоган МС). Екгншг тур1 жылына максимумы уш рет байцалатын Атырау МС-на тиесм (сэу1р, маусыгм жэне цыркуйек айларында). Yшiншi тур1не Ганюшкино, Сагыз жэне Царабау ме-теостанцияларында байцалатын квктемгi жэне кyзгi максимум мен азырац ушырасатын жазгы минимум тэн.

58