Основные факторы, влияющие на формирование селей, и их использование в разработке методики расчета наибольших расходов воды и взвешенных наносов, а также их изменчивости (в пределах Большого Кавказа Азербайджанской Республики) Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Гидрология

УДК 551.311.8;624.131.543

Дж.Г. Мамедов

ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ФОРМИРОВАНИЕ СЕЛЕЙ, И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В РАЗРАБОТКЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА НАИБОЛЬШИХ РАСХОДОВ ВОДЫ И ВЗВЕШЕННЫХ НАНОСОВ, А ТАКЖЕ ИХ ИЗМЕНЧИВОСТИ (в пределах Большого Кавказа Азербайджанской Республики)

Статья посвящена методике расчета селевых расходов и их изменчивости. Выявлено, что между наибольшими расходами воды и комплексом параметров (площадь водосбора, средняя высота водосбора, суточные максимальные атмосферные осадки), а также между изменчивостью и количеством суточных максимальных атмосферных осадков существует тесная связь. Подобная связь также была выявлена для наибольших расходов взвешенных наносов и их изменчивости.

Ключевые слова: наибольший расход воды; наибольший расход взвешенных наносов; изменчивость наибольших расходов воды; изменчивость наибольших взвешенных наносов; суточный максимум осадков.

Введение

Целью работы является разработка методики расчета селевых расходов и их изменчивости. В связи с этим разработка методики расчета наибольших расходов воды и взвешенных наносов, а также их изменчивости позволяет получить надежные величины для селевых рек исследуемой территории. Подобные работы были выполнены рядом исследователей [1-4; 8-11] для отдельных регионов Азербайджана, Грузии, Центральной Азии, Северного Кавказа и др. Учитывая вышеизложенное, нами проанализирована связь между величинами наибольших расходов воды и взвешенных наносов, а также их изменчивости с различными параметрами, отражающими особенности природных условий речных водосборов.

В последние годы в связи с активным освоением горных территорий и глобальным потеплением климата происходит интенсивное разрушение горных пород. Это приводит к увеличению количества продуктов выветривания и способствует квеличению наибольших расходов взвешенных наносов рек и, в свою очередь, их изменчивости. Как известно, при выпадении ливневых дождей через реки проходят мощные, иногда катастрофические, селевые потоки.

Наряду с этим, в весенне-летний период наибольший расход воды ((^тах, м3/с) и взвешенных наносов (Ятах, кг/с) рек изменяется в большом диапазоне. Несомненно, эта особенность влияет на их

изменчивость ( ^УКтэх , С,

Ливневые осадки выпадают обычно вследствие развития термодинамических процессов. При недостаточной активности требуются дополнительные силы, чтобы поднять теплый увлажненный воздух до уровня конденсации. Большое значение имеет высота рельефа, так как воздух над приподнятыми участками оказывается днем значительно более нагретым, чем над участками, расположенными ниже. На смежных, более прогретых участках вертикальное понижение температуры будет больше, а следовательно создадутся лучшие условия для выпадения ливней [6]. В этом отношении на исследуемой территории суточный максимум осадков колеблется: Хтах=26.8Й93мм.

Следует отметить, что при разработке методики расчета наибольших расходов воды и взвешенных наносов, а также их изменчивости пользуются двумя методами - статическим и генетическим, которые дополняют друг друга.

Для применения статического метода определения наибольших расходов воды и взвешенных наносов, а также их изменчивости необходим достаточно продолжительный многолетний ряд стационарных наблюдений. При отсутствии этих данных или их недостаточности используют косвенные методы.

6* Мамедов Дж.Г., 2013

Мамедов Джума Газрат оглы, кандидат географических наук, ведущий научный сотрудник Института географии им. академика Г.А.Алиева Национальной академии наук Азербайджана (НАНА); Азербайджан 1143, г. Баку, пр-т Г. Джавида, 31; ¡итатсёоу ¿7 yahoo.com

Гидрология

Материалы, использованные в анализе

Материалом для исследования послужили данные стационарных наблюдений над наибольшими расходами воды и взвешенных наносов рек по 63 гидрологическим постам. Наблюдения были проведены Национальным департаментом гидрометеорологии Азербайджанской Республики с 1927 по 2007 г., кроме того, были использованы данные экспедиционных исследований, проведенных автором в 1992, 2003, 2004, 2009, 2010 г. Для вычисления изменчивости наибольших расходов воды и взвешенных наносов использован статистический метод.

Методика и результаты

Известно, что явление сели связано с географической средой. В гидрологическом аспекте изучение сели требует выявления роли параметров, влияющих на комплексные факторы. В этом отношении такие факторы, как климат, рельеф, геологическое строение, почвенно-растительный покров, гидрологический режим рек, взаимосвязаны между собой. Все эти факторы в их совокупности приводят к тому, что во время ливневых дождей на реках проходят мощные, иногда катастрофические, селевые потоки. В этом отношении расчеты наибольших расходов воды и взвешенных наносов, а также их изменчивости имеют большое значение. Без этих данных постройка гидротехнических сооружений, особенно мостов над реками, невозможна. Это требует разработки методики их расчета, а также сходимости расчетных величин с фактическими данными. Для разработки необходим анализ параметров влияющих факторов, к которым относятся геологические, геоморфологические, гидрометеорологические и антропогенные, а также особенности почвеннорастительного покрова. Совокупность геологических, геоморфологических, климатических факторов, а также почвенный покров служат образованию продуктов выветривания, а их транспортировка выполняется поверхностным стоком.

При формировании селей среди геологических факторов большое значение имеют продукты тектонических разломов и надвигов, а из геоморфологических - денудация продуктов выветривания, уклон, падение и амплитуда рельефа, определяющие энергию и мощность селей.

При образовании селей из гидрометеорологических факторов температура воздуха влияет на образование продуктов выветривания горных пород, а атмосферные осадки Н на формирование поверхностного стока, который, в свою очередь, транспортирует продукт выветривания и насыщает сели наносами.

Рыхлые отложения почвенного покрова насыщают селевой поток, и, наоборот, его пористость ослабляет сель. Подобные функции имеет и растительный покров. Он, с одной стороны, укрепляет на поверхности водосбора продукты выветривания, а корнями, усиливая фильтрацию, ослабляет селевой поток.

Антропогенные факторы, такие как вырубка лесов и распаханность почв, искусственно подготавливают продукты выветривания для образования селей. Например, на северо-восточном склоне Большого Кавказа за счет охраны лесных покровов отношение наибольших расходов взвешенных наносов к наименьшим составляло 8, т.е. в 1.6 раза меньше, чем на южном склоне.

Следует отметить, что при разработке методики расчета наибольших расходов воды прежде всего необходимо увязать их с отдельными параметрами влияющих факторов. Те параметры, которые способствуют возрастанию наибольших расходов воды, следует указать в числителе, а уменьшению -в знаменателе. Их совокупность усредняет влияние параметров. При этом в уравнениях единицы величин правой части должны соответствовать левой. Учитывая это, нами проанализирован ряд параметров, влияющих на селевой поток. Однако учесть все факторы практически невозможно вследствие многофакторности и сложности процесса. Поэтому в формулу включаются те параметры, которые комплексно отражают влияние важнейших природных факторов на сели. Таковыми при разработке методики расчета наибольших расходов воды рек Большого Кавказа оказались суточный максимум осадков (Х,мм), площадь водосбора (Б,км) и средняя высота водосбора (Н,м).

Для практического решения поставленной перед исследованием задачи нами проанализирована связь наибольшего расхода воды с приведенными выше параметрами. Анализ связи показывает, что величина наибольших расходов воды возрастает с увеличением суточного максимума осадков и площади водосбора, а при средней высоте водосбора уменьшается (рис. 1, 2). Аналитическое выражение указанной связи для различных групп речных водосборов в зависимости от средней высоты водосбора дифференцировано на пять групп. Общий вид уравнения представлен в формуле (1).

Гидрология

т VI

Уравнение для рек со средней высотой водосбора выше 2400 м:

ётах= 182,2 , м3/с

(1)

(2)

О м3/с

г-у тах

-4Ё

X4=-Н

Рис. 1. Связь между наибольшими расходами воды и комплексом параметров для стекающих рек северо- восточного склона Большого Кавказа: 1. выше 2400 м; 2. ниже 2400 м.

Уравнение для рек со средней высотой водосбора ниже 2400 м:

О = 99,42 1,01 , Л

к' тах { н «

Связи между наибольшими расходами воды и комплексными параметрами для рек южного склона Большого Кавказа представлены на рис.2.

Уравнение для рек со средней высотой водосбора до 1000 м:

О =27,7 ¡хЩип

V тах \ Н *

Уравнение для рек со средней высотой водосбора между 1000-1860 м:

(3)

3

м /с

3

м /с.

0 тах = 60,8

Уравнение для рек со средней высотой водосбора выше 1860 м:

А_ 1р\

= 60,8

(4)

Гидрология

— !— +

О = 149 !.45

^ тах ™ { н *

3

м/с.

(6)

<2

Рис. 2. Связь для стекающих рек южного склона Большого Кавказа между наибольшими расходами воды и комплексными параметрами: 1. до 1000 м; 2. между 1000-1860 м; 3. выше 1860 м.

При разработке методики расчета нами использованы фактические данные наибольших расходов воды, которые составили 5,92Н92,7 м3/с, а их расчетные 6,68Н79,5 м3/с.

Как следует из таблицы, отклонение вычисленных величин наибольших расходов воды от фактических данных по предлагаемой формуле не превышает ± 20%.

В заключение отметим, что предлагаемая методика расчета наиболее полно отражает условия формирования наибольших расходов воды.

Следующей разработкой является методика расчета изменчивости наибольших расходов воды. Среди проанализированных параметров наиболее подходящим к методике расчета С,., „,ж. оказался суточный максимум осадков (Х,тах.мм). Анализ связи показывает, что с увеличением суточного

возрастает (рис. 3, 4). Указанная связь выражена довольно четко и

максимума осадков Су представлена уравнением

Су т кхп

К шах

Таблица

Фактические и расчетные наибольшие расходы воды рек Большого Кавказа_______________________________________

Река п пункт Норма наибольшего расхода воды, м3/с Площадь водосбора, км2 4Ё Средняя высота водосбора, Н, м Суточный максимум осадков, X , м Комплекс. параметры ХЖ Норма расчетного наибольшего расхода воды, (2 тах ,м^/с Отклонение расчетных расходов от фактических, %

1 2 3 4 5 6 1 8 9

Самур - Мишлеш 92,7 563 23,7 2800 51,7 0,44 79,5 -14

Кара Самур -Лучек 39,6 481 21,9 2560 28,8 0,25 44,9 +14

Ахтычай Н Ахты 75,7 952 30,9 2600 26,8 0,34 61,3 -19

Усухчай Н Усухчай 27,1 272 16,5 2640 28,8 0,13 23,2 -15

Гудийалчай Н Хыналыг 23,4 104 10,2 2960 39,9 0,14 25 +7

Гудийалчай Н Гьфыз 51,7 426 20,6 2590 35,6 0,28 50,4 -3

Агчай Н Сек 27,7 124 11,1 2590 41,8 0,18 32,8 +18

Гуийалчай Н Кюпчал 48,7 517 22,7 2400 36,7 0,35 63 +19

Агчай Н Сухтанала 15,1 12,5 3,5 1480 47,8 0,12 11,6 -22

Гарачай Н Рюк 18,7 137 11,7 2600 49,9 0,22 21,5 +15

Чагаджукчай Н Рустов 21,7 71,5 8,5 1450 42,1 0,25 24,5 +13

Велвеличай Н Нохурдузи 31,7 210 14,5 2020 47,7 0,34 33,4 +5

Велвеличай Н Тенгиалты 62,3 454 21,3 1870 47,7 0,54 53,4 -14

Деркчай Н Дерк 5,92 15,3 3,9 2050 36 0,068 6,58 +11

Шабранчай Н Зейва 15,7 29,8 5,5 1150 36 0,17 16,6 +6

Атачай Н Алтыагадж 15 22,4 4,7 1360 39,1 0,14 13,6 -9

Пирсаат Н Шамахы 68,7 407 20,2 1350 38 0,57 56,4 -18

Пирсаат Н Поладлы 28,9 995 31,5 1000 38 1,20 33,9 +17

Балакенчай Н Балакен 24,2 146 12,1 1560 66 0,51 28,8 +19

Гатехчай Н Габиздара 55,3 236 15,4 1860 98,7 0,82 48,8 -12

Талачай Н Загатала 36,5 136 11,7 1710 93 0,64 37 +1

Курмукчай Н Сарыбаш 15,2 67,5 8,2 2440 60 0,20 14,5 -5

Курмукчай Н Илису 32,5 166 12,9 2270 58,8 0,33 29,9 -8

Кунахайсу Н Сарыбаш 11,6 21 4,6 2370 75 0,15 9,54 -8

Гидрология

С уо

Рис. 3. Связь между изменчивостью наибольших расходов воды и суточных максимумов осадков для рек Большого Кавказа: 1) междуречье Гусарчай Н Агчай; 2) междуречье Гарачай Н Деркчай; 3) Деркчай Й

Сумгайытчай.

Рис. 4. Связь между изменчивостью наибольших расходов воды и суточных максимумов осадков для рек

южного склона Большого Кавказа

Гидрология

Эта связь для северо-восточного склона Большого Кавказа состоит из трех кривых семейства, а южного склона Н из одной.

По методике расчета полученные формулы приводятся ниже:

Для междуречья Гусарчай Н Агчай:

С, \ 0*0001 \4ЖШ: бш ах (8)

для междуречья Гарачай Н Деркчай;

Су \ 0,000326Х3’51 • ‘ щ»т ’ (9)

для междуречье Деркчай Н Сумгайытчай

Су 1 0,000342Х3’51 • ^бшах 5 (10)

для междуречье Балакенчай Н Пирссат

Г . ! 0.1222Л':' • ^бшах 5 (П)

Для разработки методики расчета фактические данные по изменчивости наибольших расходов воды составляют 0.19-3.07, а расчетные -0.25-3.93. Отклонение вычисленных величин от

фактических данных по предлагаемым формулам не превышает ± 20 %(из-за сходимости с фактическими).

Основной отличительной чертой селей от паводков является содержание большого количества стока наносов. Причина нарастания наибольших расходов взвешенных наносов связана с глобальным изменением климата [5; 7]. По этой причине необходима разработка методики расчета наибольших расходов взвешенных наносов. Для этой цели также проанализирована зависимость наибольших расходов взвешенных наносов (Ктах, кг/с) от ряда параметров, отражающих особенности природных условий речных водосборов. По нашему мнению, подобными параметрами служат наибольший расход воды (0Шах, м3/с), площадь водосбора (Б, км2) и лесистость (Рл, км2). Исследование показывает, что наибольший расход взвешенных наносов с наибольшими расходами воды и площадью водосбора возрастает, а с повышением уровня лесистости водосбора Н уменьшается (рис.5). Указанная связь представляется следующим уравнением:

=К(атах^)П, (12)

здесь К,,, Н многолетние нормы наибольших расходов взвешенных наносов в кг/с; Щ™« п многолетние нормы наибольших расходов воды, в м3/с; Р,„ Н лесистость водосбора в км2; п Н степень состоящих комплексных параметров; К Н коэффициент равномерности.

Однако из-за различной интенсивности выпадения ливневых дождей на отдельных водосборах, сложности геологического строения рельефа, а также различной степени податливости выветривания горных пород при одинаковом процессе создано семейство кривых.

Следует отметить, что для методики расчета, использованные фактические данные наибольших расходов взвешенных наносов изменяются в пределах 3,2 Н 12000 кг/с, а их расчетные величины Н в пределах 3,2-8700 кг/с.

По разработанной методике расчета полученные формулы нижеследующие:

для р. Самур:

^2 2 I’

5 ? кг/с; (13)

I

для междуречя Гудийалчай - Велвеличай:

к !-------

Дпах =1,765 +От —* , кг/с. (14)

I V Рт X

Из-за выпадения большого количества ливневых осадков на поверхность водосбора наибольшие расходы взвешенных наносов на межуречье АгричайНГайнар южного склона Большого Кавказа сильно отличаются от таковых северо-восточного склона.

К »ах кг/с - многолетние нормы наибольших расходов взвешенных наносов в кг/с.

Гидрология

а

Рис. 5. Связь для р.Айричай Н Гайнар между наибольшими расходами взвешенных наносов и комплексными параметрами: 1. оценка комплекса выше 15; 2. оценка комплекса ниже 15

Наряду с этим в одном регионе по индивидуальной характеристике реки также отличаются (рис. 5). Вышеуказанное хорошо согласуется с разработанной методикой расчета наибольших расходов взвешенных наносов некоторых рек. Примерами могут служить следующие реки: для р. Балакенчай:

- +

Я = 34 54 Ю ------------*

шах X

V V Рт Ж

2,21

кг/с;

X. I ^ ’

Дпах = 305,65 1бтах. М ’ КГ/С’

у V Рт Ж для междуречья Дамирапаранчай Н Вандамчай:

Дпах = 0,316 |бтахл|^5

I V Рт X

для междуречья ГейчайНАгсу:

.1,173

кг/с;

Дпах = 9,813 Ютах И

V V Рт Ж

кг/с;

(15)

(16)

(17)

(18)

Гидрология

для рек Пирсаат:

к I---------+1’91

Щпт = °’85 Л ~ 5 ■ кг/с- С19)

т V Рт X

Проведенные нами расчеты показывают, что между фактическими величинами и расчетными данными наибольших расходов взвешенных наносов имеется близкое сходство.

Результаты расчетов по формулам (13-19) показывают, что вычисленные значения наибольших расходов взвешенных наносов вполне сходятся с фактическими наблюдениями. Ошибка расчета из рассмотренных 35 водомерных пунктов рек в 14 пунктах равна нулю, в 14 пунктах составила до 20%, а в семи пунктах не превышает ±28%.

Следующей является методика расчета изменчивости наибольших расходов взвешенных наносов

(С^тах)- ^ ЭТ°й целью нами проанализирован ряд параметров. Из них подходящим оказался

суточный максимум осадков. Связь между и суточным максимумом атмосферных осадков

(Хтах мм) дана в виде семейства кривых. Значительная контрастность физико-географических условий

территории (высотная поясность, экспозиция склонов гор, а также глобальное изменение климата и др.) позволила представить пять следующих уравнений:

Связь имеет вид параболы (рис. 6; 7). Общий вид уравнения представлен в виде

1 ахН"’где <2°)

X - норма суточного максимума атмосферных осадков в мм; Ц&. Н изменчивость наибольших

расходов взвешенных наносов; п Н степень уравнения; а - коэффициент размерности Для рек северо-восточного склона Большого Кавказа: со средней высотой водосбора 1380-2400 м:

С Т 0,0892Х'у’т • (21)

уХтах ? 4 7

со средней высотой водосбора 2400-2590 м:

СГ т 0.05 12Л ' 444 (22)

Лшах V /

10

Сур

0,1

I

10

100

Рис. 6.Связь для рек северо-восточного склона Большого Кавказа между изменчивостью иболыних расходов взвешенных наносов и суточных максимумов осадков: 1. Средная высота водосбора выше 1380№400 м.; 2. средная высота водосбора между 2400Н2590 м.; 3. средная высота водосбора до 2930 м.

Гидрология

Рис. 7. Связь для рек южного склона Большого Кавказа между изменчивостью наибольших расходов взвешенных наносов и суточным максимумом атмосферных осадков: 4. междуречье БалакенчайНАгричай;

5. междуречье Агричай-Пирсаатчай.

Здесь X Н суточный максимум атмосферных осадков, мм; Н изменчивость наибольших расходов взвешенных наносов; п Н степень уравнения: а - коэффициент равномерности.

со средней высотой до 2930 м:

CF Т 0.1707.V чч<; (23)

yRm ах ? 47

для рек южного склона Большого Кавказа:

междуречье Балакенчай Н Агричай

Cr t 0.079.V Я; (24)

yRm ах 7 ? v 7

междуречье Айричай Н Пирсаат

Су t 0.0063,\' ! ®. (25)

yRm ах 47

Для разработки методики расчета использованы фактические данные изменчивости наибольших расходов взвешенных наносов, изменяющиеся в пределах 0,32Н4,31, а его расчетные данные Н в пределах 0,ЗЗН4,15.

Отклонение вычисленных величин изменчивости наибольших расходов взвешенных наносов от фактических данных не превышает ± 20%.

Поэтому считаем, что все рекомендуемые расчетные формулы отвечают современным требованиям и могут быть использованы для расчета наибольших расходов воды и взвешенных наносове их изменчивости при оценке селей неизученных рек исследуемой территории.

Выводы

1. Разработанные методики расчета наибольших расходов воды и наносов, а также их изменчивости отражают специфику исследуемой территории и позволяют с меньшей затратой времени и при отсутствии натурных наблюдений получить с достаточной точностью вышеуказанные характеристики, которые можно рекомендовать для методики расчета величины стока селей.

2. Установленные величины наибольшего расхода воды и наносов, а также их изменчивости позволяют учесть их при составлении проектов и строительстве гидротехнических сооружений.

Гидрология

Библиографический список

1. Асланов Г. К. Изменчивость годового стока горных рек Азербайджана // Тр. Ун-та. Сев.Каолины. 1996. № 4, СЮ (на англ.яз.).

2. Бахшалиев Г.Б., Мамедов Дж.Г. Расчет изменчивости годового стока взвешенных наносов рек Малого Кавказа (в пределах Азербайджанской и Армянской ССР) // Изв. АН Азерб. ССР, Серия наук о Земле. 1986. №3. С. 87Н91.

3. Волчек Ан.А. Колебание максимальных расходов воды весеннего половодья рек Беларусии // Изв. РАН, серия географическая. 2008. № 2. С. 93Н104.

4. Горецкая З.А. Закономерности распределения параметров изменчивости годового стока взвешенных наносов рек по территории Украины // Тр. Науч. исслед. ин-та гидрометеорологии Украины. 1980. №175. С. 65Н76.

5. Груза Г.В. Климатическая изменчивость и прогноз изменений климата // Природа. 1992. №8. С.328-339.

6. Гулина В.Р. Возможности прогнозирования селеопасности // Материалы V всесоюзного совещания по изучению селевых потоков и мерам борьбы с ними. Баку: Изд-во АН Азерб. ССР. 1962. С.149Н153.

7. Дегтрянко Т.И. Климатические и антропогенные изменения стока рек Кавказа // Тр. внииг МИ, М. 1988. Вып. 15 Д. С. 58Н59.

8. Крицкий С.Н., Менкелъ М. Ф. Об основных положениях методики расчета максимального стока //Тр.ГГИ. 1968. Вып. 102. С. ЗН17.

9. Мамедов Дж.Г. Районирование территории Большого Кавказа по изменчивости наибольших расходов взвешенных наносов рек // Изв.РГО. 2011. Т. 143. Вып. 4. С. 60Н67.

10. Мамедов М.А. Расчеты максимальных расходов воды горных рек. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 184 с.

11. Хмаладзе Г.Н. Выносы наносов реками Черноморского побережья Кавказа. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 167 с.

J.H. Mamedov

THE MAIN FACTORS INFLUENCING TO THE FORMATION OF MUDSTREAMS AND THEIR USE IN DEVELOPMENT METHODS OF CALCULATION

GREATEST EXPENDITURE OF WATER AND RAISE OF ALLUVIUM AND ALSO THEIR VARIABILITY (in borders OF Great Caucasus of Azerbaijan Republic)

This article is devoted to the methods of calculation of mudstream raise of alluvium and their variability. It was determined that between the greatest expenditure of water and complex parameters (the square of basins,the middle height of basins,subsistent allowance maximum variability precipitations) there is a close link between the variability and the guantity of maxsimum subsistent allowance atmospheric precipitations.

Similarly, the very kind of link was determined for greatest raise of alluvium and its vatiability.

Key words: the greatest expenditure of water; the greatest expenditure raise of alluvium; variability greatest expenditure raise of alluvium; subsistent allowance maximum precipitations.

Juma H. Mamedov, Candidate of Geography, Senior Research Fellow of Institute of Geography named after acad. H. Azerbaijan National Academy of Sciences (ANAS); 31 H.Javid ave. Azerbaijan Republic 1143; [email protected].