15Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН № 1 (57) 2014
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 911.2+551.3
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ИЗУЧЕНИЯ ТИПОВ СЕЛЕВЫХ ПРОЦЕССОВ
Е.В. КЮЛЬ, Д.Р. ДЖАППУЕВ
ФГБУН Кабардино-Балкарский научный центр Российской академии наук Центр географических исследований 360000, КБР, г. Нальчик, ул. Балкарова, 2 E-mail: kbncran@mail.ru
Работа посвящена вопросам системного изучения возникновения и трансформации селевых потоков. Авторами детально рассмотрены типы селевых процессов (сдвиговый, эрози-онно-сдвиговый и транспортный), что позволяет в дальнейшем при помощи математического моделирования создать более точные методы расчета селевых характеристик.
Ключевые слова: селевые процессы, селевой поток, сдвиговый селевой процесс, эрози-онно-сдвиговый селевой процесс, транспортно-сдвиговый селевой процесс, селевой очаг, потенциальный селевой массив (ПСМ), объём селевого потока, гранулометрический и минералогический состав ПСМ, селевая масса, плотность селевой массы, расход селевого потока.
Интенсивность освоения предгорных и горных зон - прокладка шоссейных и железных дорог, линий электропередачи, строительство жилых и народнохозяйственных объектов и т.д. - требует научно обоснованных методов расчета и прогноза ряда других важнейших характеристик селевых явлений (возможных максимальных расходов и объемов селевых потоков, дальности выбросов, плотности селевой массы и гранулометрического состава ее твердой составляющей, скорости движения и т.д.). Некоторые аспекты по данной проблеме исследований рассмотрены в ряде работ [1-7]. Сложность и многогранность физических явлений, приводящих к образованию селевых потоков, не позволяет в настоящее время разработать универсальную теорию селевых процессов. Наиболее удачные попытки классификации и математического моделирования селевых явлений были предприняты Ю.Б. Виноградовым [8, 9]. Предложенные им совместно с соавторами [1] концептуальные модели селевых процессов позволили оценить в первом приближении масштабы селевых явлений при различных условиях их возникновения. Создание более точных методов расчета характеристик селевых явлений, требуемое для оптимального проектирования гражданского и промышленного строительства, невозможно без углубленного и всестороннего изучения физических явлений, обусловливающих возникновение и трансформацию селевых потоков.
Для системного изучения селевых явлений представляется целесообразным деление процессов, приводящих к образованию селей, на сдвиговый, эрозионно-сдвиговый и транспортный.
Сдвиговый селевой процесс, считающийся в период господства паводковой концепции происхождения селевых потоков единственным, формирующим селевую массу высокой плотности, достаточно широко распространен в горных странах. Наиболее типичные места его возникновения - селевые очаги (скальные, рытвины, очаги рассредоточенного селе-образования), морены (древние и современные), задернованные и залесённые ложбины. Данный процесс обладает рядом особенностей, которые можно считать необходимыми и достаточными для схода селя при наличии рыхлообломочных пород, увлажненных до состояния, обеспечивающего превышение сдвигающих сил над удерживающими.
Возможность возникновения сдвигового процесса определяется в первую очередь наличием потенциальных селевых массивов (ПСМ). Подготовка его к процессу селеформи-рования происходит в течение различного времени, зависящего от интенсивности накопления, а также от водного и температурного режима. В межселевой период, колеблющийся от нескольких суток до нескольких десятилетий, в слое ПСМ, названном деятельным, под влиянием сезонных и внутрисезонных колебаний температуры, осадков и фильтрационных вод происходит изменение гранулометрического состава (обогащение мелкоземи-стой составляющей), его вертикальное перераспределение (крупные фракции вытесняются вверх, мелкие перемещаются вниз).
В процессе накопления и трансформации ПСМ происходит также перераспределение влияния сил сцепления и трения и как результат - формирование «контактного» слоя, резко меняющего физико-механические и водно-физические свойства ПСМ. При наличии вечной мерзлоты или выходов коренных пород контактный слой формируется на последних (при максимальном развитии процессов трансформации в деятельном слое). Возникновение сдвигового процесса может произойти в результате выпадения осадков или при длительном фильтрационном обводнении ПСМ (например, при таянии льда и снега, за счет вышележащих водоемов и т.д.).
В соответствии с вышеизложенной гипотезой объем селевого потока, сформировавшегося в результате сдвигового процесса, в первом приближении определяется объемом деятельного слоя. Объем ПСМ, способного прийти в движение, зависит от его гранулометрического и минералогического состава, его вертикального распределения, фильтрационных свойств, температуры (степени размороженности) и времени протекания вышеназванных процессов.
В общем виде объем селевого потока, сформировавшегося в результате сдвигового процесса, может быть записан в виде
= f (Г, М, е, в, р, Ро, Т, х, у, 2, а, (), (1)
где Г - гранулометрический состав ПСМ; М - минералогический состав ПСМ; е - пористость;
р, и ро, - плотность породы и воды; Т и в - соответственно температура и влажность ПСМ; х, у, 2 - текущие координаты; I - время; а - уклон ПСМ.
Создание эффективных моделей сдвигового селевого процесса требует как минимум решения следующего комплекса задач:
1. Изучение процессов трансформации гранулометрического состава в деятельном слое ПСМ под воздействием температурных и водных факторов, приводящих к образованию зон с аномальными сдвиговыми характеристиками.
2. Выявление роли сцепления в процессе сдвига и изменения величины сцепления во времени.
3. Изучение скоростей вертикальной и горизонтальной фильтрации для ПСМ различного состава.
4. Выявление закономерностей процесса накопления ПСМ.
5. Изучение роли корневой системы деревьев в распределении удерживающих и сдвигающих сил в процессе размораживания и обводнения ПСМ.
Эрозионно-сдвиговый селевой процесс имеет место при взаимодействии сосредоточенного водного потока с рыхлообломочными породами ПСМ при значениях уклона селевого
очага и расхода водного потока, превышающих критические для определенной морфо-метрии очага, гранулометрического состава и плотности горных пород. Важнейшей особенностью эрозионно-сдвигового процесса является формирование селевой массы высокой плотности (2200 - 2500 кг/м3).
Селевые явления относятся к процессам, характер течения которых определяется действием обратных связей. Первая фаза эрозионно-сдвигового процесса - типично эрозион-но-транспортный процесс с присущим ему преобладанием отрицательных обратных связей. Последние проявляются в том, что вовлечение твердой составляющей сопровождается уменьшением турбулентности за счет возрастания его кажущейся вязкости и уменьшения градиента скорости потока на границе русло - поток. При этом энергия, отдаваемая потоком частицам, вовлекаемым в движение, превышает энергию, отдаваемую частицами потоку. Этот фактор отрицательно сказывается на способности потока к взвешиванию и транспорту частиц.
В общем случае расход селевого потока в створе может быть найден из выражения
Qc(n) = + Р(0,с(п-1) , ФГ п-1 , С п Мп , ^ , (2)
где Qc(n-1) -расход селевого потока в створе п-1;
ФГ п-1 - фазово-гранулометрическая характеристика селевой массы;
ФГ = ФГ[рс(т),Г(т)];
рс - плотность селевой массы;
Г - гранулометрический состав твердой составляющей селевой массы; ^ - координата времени;
Сп - величина, характеризующая способность грунта ПСМ противостоять эродирующему воздействию потока:
Сп = С[Гп(т)£п(т),вп(г)], (3)
где е и в - пористость и влажность пород ПСМ соответственно;
Мп = М (]) - морфометрические характеристики участка русла в интервале (п-1) ^ п.
Транспортно-сдвиговый селевой процесс может иметь место в следующих ситуациях [6]:
1. При интенсивном поверхностном обводнении ПСМ, характеризующимся не очень большими длиной и уклоном и высокой степенью устойчивости грунта к эрозии.
2. При поступлении в русла горных рек расходов воды (паводки формируются ливнями, прорывом озер и водохранилищ и т.д.), превышающих бытовые или переформировывающих самоотмостку.
3. Вследствие распада селевой массы высокой плотности при движении ее в руслах с малыми уклонами.
4. В результате распада селевой массы высокой плотности, вызванного слиянием селей с водными потоками в руслах с малыми уклонами.
Расход селевого потока, формирующийся на эродированном водосборе, в общем виде может быть определен по следующей схеме.
Уравнение для вычисления расхода, учитывающее процессы формирования селевой массы в целом на водосборе ручейка 1 -го порядка, запишем в виде
QAг = Ша,ц,ш,1), (4)
где £ - площадь водосбора ручейка 1 -го порядка; а - средний уклон водосбора; q - интенсивность стокообразования;
m - коэффициент, характеризующий устойчивость грунта эрозии и зависящий от минералогического, гранулометрического и фазового состава грунта ПСМ;
t - координата времени.
Расход в замыкающем створе В2 ручейка 2-го порядка можно рассчитать по формуле
QBi = f2 [(QA1 +QA2 +Q6n), ФГ, Св1 85, Mbi_82,t], (5)
где QA1 и QA2 - соответственно селевые расходы в микроручьях 1 -го порядка;
Q6n - селевой расход с бесприточного участка ПСМ, прилегающего к руслу ручейка 2-го порядка.
Расход в замыкающем створе ручейка 3-го порядка запишем в следующем виде:
QC2 = f3 [(QB2 + QB5 + Q6n), ФГ,Сс1 С2, Mci C2,t\ (6)
где Qb2 и Qb5 - соответственно селевые расходы в микроручьях 1 -го порядка;
Q6n - селевой расход с бесприточного участка ПСМ, прилегающего к руслу ручейка 2-го порядка.
Таким образом, можно сделать вывод, что для создания модели сдвигового процесса нам необходимо детально изучить механизм формирования селевого потока, в том числе типы селевых процессов (сдвиговый, эрозионно-сдвиговый и транспортный), что позволит в дальнейшем при помощи математического моделирования создать более точные методы расчета селевых характеристик.
ЛИТЕРАТУРА
1. Виноградов Ю.Б., Голубое Р.С. Гидрометеорологические условия образования селей // Методическое руководство по комплексному изучению селей. М.: Недра. 1971. С. 36-39.
2. Кюль Е.В., Джаппуев Д.Р. Ландшафтная оценка селеопасности территории // Известия КБНЦ РАН. Нальчик, 2011. № 6. С. 90-96.
3. Кюль Е.В., Джаппуев Д.Р. О возможном механизме формирования селевых потоков // Известия КБНЦ РАН. Нальчик, 2012. № 1. С. 43-47.
4. Марченко П.Е. Геоинформационные основы определения интегральных синергети-ческих показателей природно-техногенной опасности территориальных систем // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН, 2010. № 3. С. 149-158.
5. Марченко П.Е. Анализ подверженности территориальных систем воздействию опасных природно-техногенных процессов на основе геоинформационных моделей и методов (на примере Кабардино-Балкарской Республики) // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН, 2010. № 3. С. 159-168.
6. Марченко П.Е. Оценка степени подверженности опасным природным процессам территориальных систем Кабардино-Балкарской Республики на основе геоинформационных технологий // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН, 2013. № 6. С. 105-112.
7. Кюль Е.В., Джаппуев Д.Р. О моделировании процесса трансформации селевого потока // Известия Северо-Кавказских вузов. Серия "География". Ростов-на-Дону, 2012. № 2. С. 86-88.
8. Виноградов Ю.Б. Классификация селевых явлений // Селевые потоки. Вып. 4. М.: Гидрометеоиздат, 1980. С. 46-51.
9. Виноградов Ю.Б., Осипова Н.А. Транспортно-сдвиговый селевой процесс. Модель с сосредоточенными параметрами. В сб.: Селевые потоки. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. № 5.
SOME ASPECTS OF STUDYING THE TYPES OF TORRENTIAL PROCESSES
E.V. KYUL, D.R. DZHAPPUYEV
Science federal state budgetary institution Kabardin-Balkar Scientific Center of the Russian Academy of Sciences Center of geographical researches 360000, KBR, Nalchik, 2, Balkarov street E-mail: kbncran@mail.ru
Work is devoted to questions of system studying of emergence and transformation of mud streams. Authors considered types of torrential processes in details (shift, erosive and shift and transport, torrent origin, potential torrential massif (PTM), volume of the sill torrent, granulometric and mineralogical composition, density of torrential weight, expense of a mud stream that allow to create more exact methods of calculation of torrential characteristics by means of mathematical modeling.
Key words: torrential processes, mud stream, shift torrential process, erosive and shift torrential process, transport and shift torrential process, torrential center, potential torrential massif (PTM), volume of a mud stream, granulometric and mineralogical structure of PSM, torrential weight, density of torrential weight, expense of a mud stream.
Работа поступила 24. 12. 2013 г.
