24Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН № 1 (45) 2012
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 551.311.21
О ВОЗМОЖНОМ МЕХАНИЗМЕ ФОРМИРОВАНИЯ СЕЛЕВЫХ ПОТОКОВ
Е.В. КЮЛЬ1, Д.Р. ДЖАППУЕВ2
:Цешр географических исследований Кабардино-Балкарского научного центра РАН 360000, КБР, г. Нальчик, ул. Балкарова, 2 E-mail: kbncran@mail.ru
2Федеральное государственное учреждение «Национальный парк «Приэльбрусье» 361603, КБР, пос. Эльбрус, ул. Лесная, 2 E-mail: elbruspark@land.ru
В статье рассматривается механизм формирования селевых потоков. Выделяются основные селеформирующие факторы образования эрозийно-селевого процесса. Авторами сформулирована гипотеза об условиях перерастания водно-транспортного потока в селевой. Выделены типы потоков в зависимости от угла залегания ПСМ и расхода воды. Определены зависимости: 1) предельной весовой насыщенности потока твердым материалом от уклона русла; 2) между величиной плотности селевой массы и уклоном селевого русла.
Ключевые слова: селевой поток, селеформирующие факторы, эрозионно-сдвиговый селевой процесс, критический расход водного потока, критический уклон селевого русла, высокая насыщенность селевого потока, плотность селевых масс.
Формирование селевых потоков высокой плотности в результате взаимодействия водных потоков с рыхлообломочными горными породами - сложный и многогранный процесс. До настоящего времени не существует установившихся представлений о физике данного процесса, что приводит к появлению работ, в которых одно и то же явление трактуется различным образом [1, 4, 6, 9]. Следует остановиться на рассмотрении наиболее важных селеформирующих факторов формирования эрозионно-сдвигового селевого процесса.
Понятие «критический расход водного потока» широко используется при качественном и количественном описании селевых процессов. Ю.В. Виноградовым и Н.А. Осипо-вой [2] рассматривается схема расчета величин критических расходов водных потоков для очагов локального селеформирования. В основу способа расчета критического расхода положена концепция вовлечения в селевой процесс рыхлообломочного материала блоками, размеры которых определяются максимальными размерами наиболее крупных частиц и высотой водного потока.
В исследованиях И.В. Елизарова [3], посвященных вопросам формирования селей в результате эрозионно-транспортных процессов, под критическим расходом понимается такой расход водного потока, при котором происходит срыв самоотмостки русла. Однако срыв самоотмостки является необходимым, но недостаточным условием образования селевой массы высокой плотности. Для ее формирования необходимо, чтобы поток обладал вполне определенными характеристиками движения, в частности, требуемыми величинами вертикальных составляющих скоростей по всему сечению потока. Именно это обстоятельство не учитывается ни в работах И.В. Елизарова [3], ни в расчетной схеме Ю.В. Виноградова [2], в которой недостаток уклона может компенсироваться величиной уровня водного потока, что не находит подтверждения на практике.
Наблюдения Б.С. Степанова [8] за условиями формирования селевых потоков на Чел-моганском полигоне и мощного наносонесущего паводка, возникшего при прорыве озера на леднике Медвежьем (1973 г.), позволили предложить следующее определение критического расхода водного потока: под критическим расходом следует понимать такой расход водного потока, при котором не происходит самоотмостка русла на уклоне, превышающем критическое значение.
Критические значения уклона русла (очага) и расхода водного потока взаимозависимы, и при селевом процессе их роль заключается:
— в недопущении образования самоотмостки русла;
- в обеспечении определенной структуры поля скорости потока, необходимой для формирования селевой массы высокой плотности.
Диаграмма типов потоков в зависимости от угла залегания потенциального селевого массива (ПСМ) и расхода водного потока представлена на рис. 1.
Рис. 1. Диаграмма типов потоков в зависимости от угла залегания ПСМ и расхода воды:
1 - селевой поток высокой плотности; 2 - наносоводный поток; 3 - водный поток
Вследствие того, что характер зависимости величины критического уклона от значений расходов воды до конца неясен, граница между наносоводными и селевыми потоками проведена пунктиром. Следует отметить, что положение линий, разграничивающих на диаграмме типы потоков, в огромной мере определяется гранулометрическим составом и углом залегания.
Термин «критический расход» водного потока широко используется среди исследователей, занимающихся селями, а термин «критический уклон» применяется крайне редко. Это связано с тем, что практически во всем диапазоне уклонов селевых очагов и долин, встречающихся в горной местности, могут возникать катастрофические по масштабам, в той или иной мере насыщенные твердой составляющей, двухфазные потоки, известные под общим названием «селевые».
Многими исследователями на основании теории транспортировки отрицается возможность формирования селевых потоков высокой плотности в результате взаимодействия водного потока с рыхлообломочными породами. Это обусловлено тем, что существует предельная концентрация твердой составляющей, выше которой насыщение потока из-за ограниченной транспортирующей способности водной составляющей невозможно.
I нр
М.А. Мостковым [5] получены уравнения, в которых предельное насыщение потока взвешенными наносами связано непосредственно с гидравлическим уклоном. При этом плотность потока может достигать значений, близких к таковой твердой составляющей.
Имеющиеся в настоящее время данные о процессах селеформирования, движения и распада селевой массы позволяют усомниться в правильности выводов, полученных упомянутыми выше авторами, и сформулировать гипотезу об условиях перерастания транспортного процесса в селевой, который приводит к образованию селевой массы высокой плотности. Транспортные и селевые явления относятся к процессам, характер которых определяется наличием обратных связей. При помощи обратных связей осуществляется то самоуправление, в результате которого система приводится в состояние устойчивого или неустойчивого равновесия. Увеличение концентрации твердых частиц в потоке может лавинообразно нарастать лишь в случае, если процесс характеризуется преобладанием положительных обратных связей. Первая же фаза эрозионно-сдвигового процесса - типично эрозионно-транспортный процесс, с присущим ему преобладанием отрицательных обратных связей. Последние проявляются в том, что вовлечение твердой составляющей сопровождается уменьшением турбулентности потока за счет возрастания его кажущейся вязкости и уменьшения градиента скорости потока в пограничном слое.
Поскольку энергия, отдаваемая потоком частицам, вовлекаемым в движение, превышает энергию, отдаваемую частицами потоку, то скорость движения потока уменьшается. Все это отрицательно сказывается на способности потока к взвешиванию и транспортировке частиц.
Положительные обратные связи, выражающиеся в увеличении движущей силы, периода полураспада, взвешивающей способности (вследствие роста кажущейся плотности и вязкости потока), проявляются при транспортном процессе слабо.
С увеличением концентрации твердой составляющей в потоке (при величине ее, близкой к 50%, и полидисперсном составе твердой составляющей) происходит качественное изменение течения процесса - положительные обратные связи становятся преобладающими. Транспортный процесс трансформируется в селевой - вовлечение твердой составляющей приобретает лавинообразный характер. При этом интегральная энергия, отдаваемая частицами потоку, превышает энергию, затраченную потоком на вовлечение их в движение. Описываемый процесс будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто динамическое равновесие в фазовом составе массы потока вследствие увеличения вязкости последней.
На рис. 2 приводятся зависимости предельной весовой насыщенности потока твердым материалом от уклона русла, вытекающие из изложенной гипотезы формирования селевой массы высокой плотности.
Рис. 2. Зависимость предельной весовой насыщенности потока твердым материалом от уклона русла: 1 - по Штини [10]; 2 - по Мосткову [5]; 3 - гипотетическая
Согласно этой гипотезе зависимость между величиной селевой массы и минимальным значением уклона селевого очага (русла), при котором еще не происходят распад или остановка селевой массы, должна иметь вид, изображенный на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость между величиной плотности селевой массы и минимальным значением уклона селевого очага (русла), при котором еще не происходят распад или остановка селевой массы.
Реальность существования такой зависимости подтверждается следующими факторами:
— прямой зависимостью между концентрацией твердой фазы в потоке и уклоном русла при небольших его значениях (0-5°);
— невозможностью формирования селей высокой плотности на малых (3-5°) уклонах ПСМ;
— возможностью движения селевой массы высокой плотности без распада на малых уклонах (2-3°);
— высокими значениями угла внутреннего трения селевой массы на пределе ее текучести.
Анализ имеющихся данных позволяет сделать следующие выводы:
1. Точка А соответствует значению критического уклона. Если угол залегания ПСМ меньше критического, то при поступлении воды в очаг будет иметь место лишь процесс транспортировки (участок ОА). Если же уклон превышает критическое значение, в этом случае возможен селевой процесс (участок АВВ).
2. Точка В соответствует минимальному уклону русла, на котором селевая масса будет двигаться без остановки и распада. Участок АВ, имеющий отрицательный наклон, -следствие проявления положительных обратных связей, благодаря которым плотность селевой массы лавинообразно возрастает от значения, соответствующего точке А, до значения в точке С при практически неизменном уклоне русла (очага).
3. Участок СБ характеризуется превышением отрицательных обратных связей над положительными. Наличие его, по-видимому, обусловлено проявлением «сухого» трения между частицами, возникающего при очень высоких концентрациях твердой составляющей.
Можно сделать основной вывод, что получение аналитического выражения, описывающего рассмотренную кривую, - одна из важнейших задач селеведения. Трудность ее решения заключается в том, что это выражение является сложной функцией гранулометрического состава и плотности твердой составляющей, морфометрии очага (русла) и геометрических характеристик потока.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андреев Ю.Б., Светлосанов В.А., Сейнова И.Б. Краткосрочный прогноз высокогорных ливневых селей (математические модели) // Опасные природные явления и человек. М.: МГУ, 1990. Деп. ВИНИТИ 29.01.90. № 532-В90. С. 84-88.
2. Виноградов Ю.Б., Осипова Н.А. Транспортно-сдвиговый селевой процесс. Модель с сосредоточенными параметрами // Селевые потоки. № 5. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. С. 70-74.
3. Егиазаров И.В. Селевые паводки и возможности их расчета и моделирования // Известия АН АрмССР. Сер. «Науки о Земле», 1968. № 4. С. 79-90.
4. Мальнева И.В., Сейнова И.Б., Кононова Н.К. Основные изменяющиеся факторы формирования селей центральной части Главного Кавказского хребта и их прогнозирование // Исследование механизма развития экзогенных геологических процессов и факторов, их обусловливающих. Тр. ВСЕГИНГЕО. М., 1985. С. 99-105.
5. Мостков М.А., Мечитов И.И., Херхеулидзе И.И. Исследование селеносности и прогноз селевых явлений // Сборник аннотаций научно-исследовательских работ по строительству. Работы, выполненные в 1954 г. М.: Госстройиздат, 1956. 282 с.
6. Перов В. Ф. Водоснежные потоки // МГИ. Вып. 79. 1995. С. 42-44.
7. Руководство по прогнозу селеопасности на территории СССР. М., 1980. 124 с.
8. Степанов Б.С. К вопросу о модели эрозионно-сдвигового процесса // Селевые потоки. Вып. 4. М.: Гидрометеоиздат, 1980. С. 31-36.
9. Шеко А.И. Закономерности формирования и прогноз селей. М.: Недра, 1980. 184 с.
10. Штини И., Мушкетов Д. Техническая геология. М.: Государственное издательство, 1925. 304 с.
ABOUT THE POSSIBLE MECHANISM OF FORMATION OF SILL (MUDSTREAM) FLOWS
E.V. KYUL1, D.R. DZHAPPUEV2
1 Kabardin-Balkar Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, Center of geographical researches 360002, КБР, Nalchik, 2, Balkarova street E-mail: kbncran@mail.ru
2
Elbrus foothills National park 361603, ^R, settlement Elbrus, 4, Lesnaya street E-mail: elbruspark@land.ru
In the article the mechanism of formation of sill flows is considered. The sill formation factors of erosion - sill process are allocated. Authors formulated a hypothesis about conditions of development of a water-transport stream into sill torrent. Types of streams depending on a angle of bedding of possible sill materials (PSM) and the water expense are allocated. Dependences are defined: 1) a limiting weight saturation by a stream of a firm material from a channel bias; 2) between the value of density of sill mass and a bias of sell channels.
Key words: sill flow, sill forming factors, erosion-shift sill process, critical expense of a water stream, critical bias of sill channels, high saturation of an earth flow, density of sill weights.
Работа поступила 13. 10. 2011 г.
