CC BY
12011.№3
Гляциология
УДК 551.32
ОЦЕНКА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕБОЛЬШИХ ВОДНЫХ ПОТОКОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ГОРНОГО ЛЕДНИКА
Г.Е. ГЛАЗЫРИН1, Н.Е. КАСАТКИН2, К.И. ВАЛИЕВ3
1Профессор кафедры Гидрологии Суши Национального университета Узбекистана, д.г.н.;
2ведущий инженер лаборатории гляциологии Институт географии Республики Казахстан;
3инженер Службы мониторинга опасных гидрометеорологических явлений Управления водного кадастра и метеорологических измерений Узгидромета
Арналардыц ец1стжтерте шоцзылдылызына жэне ирелецдтгте байланысты тау муздыцтарыныц беттдегг кепштк су агындары ушт су вт1м1н елшеудщ дэстурлi эдгстерг жарамсыз. Осы себепт1 арналардыц Kedip-будырлъщ керсеттштерт жэне аганныц езге де гидравликалъщ сипатамаларын багалау мумкт емес. Иондыц тасцын эдШн цолдану Орталыц Туйыцсу муздыгындагы жагын агындардагы су emiMm аныцталуга жэне кедiр-будырлыц керсеткiшi мен Шези коэффициенты есептеп шыгаруга мумктдж бередi. Бул мэлеметтер муздыцтыц келдердщ бузылу кезтде туындайтын тасцындардыц сипатамаларын есептеу ушт цажет.
Традиционные методы измерения расхода воды неприменимы для большинства водных потоков на поверхности горных ледников из-за больших уклонов, порожистости и извилистости русел. По этой причине невозможно оценить показатели шероховатости русел и другие гидравлические характеристики потоков. Использование метода ионного паводка позволило определить расходы воды в небольших потоках на леднике Центральный Туюксу и затем рассчитать показатель шероховатости и коэффициент Шези. Эти сведения необходимы для расчетов характеристик паводков, возникающих при прорыве ледниковых озер.
Standard technique of water discharge measurement can not be used at many water streams at surface of mountainous glaciers because of considerable inclination, high turbulence and convolution of their channels. So it is impossible to evaluate roughness parameters and other hydraulic characteristics of the streams. Application of "ion flood" permits to measure run-off of small streams at Centralny Tujuksu glacier tongue and then solve the problem. The result is necessary for calculation ofparameters offloods due to glacial lakes outburst.
Оценка расходов воды в ледниковых потоках по максимально ограниченной информации необходима и при расчетах стока с ледников, и при моделировании гидрографов прорывов ледниковых озер [2, 3], и при оценке грандиозных паводков, наблюдавшихся в прошлом при опорожнении огромных водоемов в горных котловинах, плотинами для которых служили ледники [9, 10].
Во многих случаях при этом используется хорошо известное в гидравлике уравнение Шези:
Q = F • C-4R1 ,(1)
где Q - расход воды, м3/с; F - площадь поперечного сечения потока, м2; R - гидравлический радиус (отношение площади сечения потока F к смоченному периметру, м); I- гидравлический уклон, м/м; C- коэффициент Шези, зависящий от коэффициента шероховатости ложа потока пи, как правило, от R[1, 6]. Размерность коэффициента Шези - м0,5/с. Значения коэффициента шероховатости n, определенные для каждого вида поверхности ложа в результате многочисленных измерений, содержатся в соответствующих таблицах. Имеется несколько эмпирических формул, связывающих C с n и R. Наиболее известные - формулы Маннинга, Гангилье-Куттера, Павловского [1, 6]. Таким образом, обычная последовательность расчета расхода этим методом такова: измеряются величины S, R (последняя для многих естественных русел близка к средней глубине потока) и I. Затем из таблиц находится значение n, вычисляется С по одной из эмпирических зависимостей C(n,R) и, наконец Q.
Проблема. Ключевой параметр - параметр шероховатости n - для ледниковых потоков неизвестен. Это связано с тем, что, во-первых, вероятно, он не требовался гидротехникам, имеющим дело с обычными руслами или каналами; во-вторых, для его оценки необходимо было предварительно измерять расходы или скорости течения воды, что очень трудно делать на сильно извилистых, крутых, порожистных ледниковых ручьях. Традиционный метод измерения скорости с помощью гидрометрической вертушки там практически непригоден.
Мы поставили себе задачу сделать предварительную оценку этого параметра, используя другой способ измерения расходов воды.
Методика. Для расчета параметра С из уравнения (1), а затем параметра шероховатости п необходимо измерить расход воды, поперечный профиль потока и его уклон. Средний уклон потока определяется традиционным способом: либо с помощью теодолита или нивелира, либо даже обычным горным компасом.
Сложнее делать промеры в ледниковом потоке, но без этих данных не обойтись.
Методика измерения расхода воды, которую мы использовали, исключительно проста. Это -так называемый метод ионного паводка. Он почему-то не нашел широкого практического применения. По нашему же мнению, лишь он пригоден для измерения расходов воды в экстремальных условиях, подобных тем, которые имеют место на ледниковых потоках. Мы и ранее неоднократно с успехом применяли его для выполнения различных исследований на горных реках и ручьях [4, 5].
Последовательность работы такова. В обычном ведре разводится поваренная соль из расчета, как показал наш опыт, приблизительно 100 г на 1 м3/с расхода воды. Объем воды в ведре не имеет значения; важно только, чтобы соль растворилась полностью. Затем этот раствор выливается в поток.
Ниже по течению, на достаточном расстоянии, чтобы раствор хорошо перемешался с водой потока, через равные небольшие интервалы времени измеряется и автоматически запоминается удельная электропроводность с момента прихода переднего фронта облака раствора до момента, когда удельная электропроводность возвращается к исходному, естественному значению. Процедура измерения занимает обычно несколько минут. Мы использовали для этой цели портативный электрокондуктометр СМ-21Р японской фирмы «БКК-ТОАСогрогайоп». Типичный график изменения электропроводности показан на рис.
0 20 40 60 80 100 120
Время, с
Пример изменения удельной электропроводности воды в потоке при измерении расхода воды методом ионного паводка.
Расчет расхода воды Q выполняется по формуле:
о =_М_
1
где М - масса растворенной соли, кг; а - коэффициент, связывающий удельную электропроводность с концентрацией соли в воде. Этот коэффициент должен быть определен заранее; у нас он оказался равным 0.00495.. ^ - интервал времени между отсчетами, принятый нами за 5 с; = Бг -Бо; - удельная электропроводность при >м измерении, ш8/ш; Бо - начальная удельная электропроводность воды в потоке.
Необходимо отметить, что участок, на котором производятся измерения, может быть как угодно извилист и порожист, завален камнями и иметь переменный уклон. Это практически не влияет на результат, что, наряду с быстротой измерений, выгодно отличает метод от традиционного вер-тушечного. Конечно, имеются важные ограничения - он неприменим на больших реках из-за непомерно большого количества требуемой соли и реках с медленным течением, где трудно добиться хорошего перемешивания раствора.
Место проведения исследований и результаты. Измерения были выполнены на леднике Центральный Туюксу. Этот ледник хорошо известен,
2011. №3 Гляциология
на нем в течение многих лет хорошо известен, на нем в течение многих лет велись и сейчас ведутся исследования по довольно обширной программе [7, 8], поэтому он не требует подробного описания. На языке ледника в августе 2011 г. имелось два ручья с крутыми, извилистыми и порожистыми руслами. На одном из них был выбран один участок, на другом - два, длиной 20-25 м. На каждом участке были измерены два расхода воды описанным выше способом, средний уклон и промерены 3 поперечных профиля. Затем вычислялся средний их них, который и использовался в расчетах. Результаты представлены в табл. 1. Коэффициенты Шези С рассчитаны из уравнения (1) по измеренным 0, Я и I.
Существует несколько формул, позволяющих вычислять С по параметру шероховатости п [1, 6]. Мы воспользовались лишь двумя из них, широко применяемыми:
- формула Маннинга:
С = ^ Я п
- упрощенный вариант (для больших уклонов) формулы Гангилье-Куттера:
23 +1
С =-
Ч ^ П '
1 + 23 ■
/Я
Но нас интересовала обратная задача: зная С и Я, были рассчитаны значения п. В табл. 1. они также приведены (п1 - рассчитанные из формулы Маннинга; п2 - из формулы Гангилье-Куттера.
Результаты измерения и расчета параметров потоков на леднике Центральный Туюксу
Участок Б, м2 Я, м I, м/м 0, м3/с V, м/с С п1 п2
1 0,030 0,051 0,201 0,0223 0,74 7,36 0,083 0,048
0,0206 0,69 6,83 0,089 0,051
2 0,059 0,082 0,185 0,0672 1,14 9,29 0,071 0,047
0,0608 1,03 8,39 0,078 0,051
3 0,074 0,091 0,118 0,0343 0,47 4,55 0,147 0.086
0,0327 0,44 4,26 0,151 0,091
Анализ и обсуждение. Какие же выводы можно сделать из полученных данных:
- достаточно высокая близость измеренных расходов воды в каждой паре свидетельствует о применимости и надежности измерения расходов, описанным выше способом.
- расходы ручьев малы - в пределах от 20 до 70 литров в секунду. К сожалению, более многоводных потоков на леднике не было;
- уклоны ручьев велики. Этим вызван порожистый характер и большие для таких ручьев скорости течения воды в них.
- значения коэффициента Шези малы (в пределах от 4 до 10) несмотря на большие скорости течения.
- параметр шероховатости меняется в довольно широких пределах от объекта к объекту. Мало того, его значения, рассчитанные по формулам Маннинга и Гангилье-Куттера, также сильно разнятся. Это можно объяснить тем, что эмпирические формулы расчета С были получены для гораздо более крупных водотоков. Возможно, этим же можно объяснить необычно большие значения п: в таблицах, приведенных в курсах гидравлики, таких значений нет вообще.
- малое количество данных не позволяет уверенно говорить о зависимости параметра шероховатости от каких-то характеристик потока (скорости, расхода воды, гидравлического радиуса, уклона).
Итак, нами определены гидравлические параметры ледниковых потоков. Безусловно, результаты следует принимать, как сугубо предварительные. Но даже сейчас для грубого расчета расхода воды в малых ледниковых порожистых потоках можно использовать найденный средний коэффициент Шези, равный примерно 6-7.
В дальнейшем необходимо, во-первых, набрать большее количество данных для надежного статистического описания этих характеристик, во-вторых, обязательно нужно выполнить такие измерения на более крупных потоках. Это позволит проследить, как изменяются параметры в зависимости от расхода и скорости течения воды, уклона потока и его гидравлического радиуса. Однако мы уверены, что сделан первый и полезный шаг в изучении гидравлики ледниковых ручьев и рек.
В заключение, мы считаем себя обязанными поблагодарить В.П. Благовещенского и В.В. Скибу за большую помощь при подготовке и производстве измерений на леднике.
ЛИТЕРАТУРА
1. Богомолов А.И., Михайлов К.А. Гидравлика. - М.: Стройиздат, 1972. - 648 с.
2. Виноградов Ю.Б. Гляциальные прорывные паводки и селевые потоки. - Л.: Гидрометеоиздат, 1977. -156 с.
4. Глазырин Г.Е., Карташов Д.А., Муракаев Р.Р. и др. Результаты исследования прорывоопасных ледниковых озер в бассейне р. Пскем летом 2003 г. - Труды НИГМИ, вып. 5(250), 2005, с. 43-55.
5. Глазырин Г.Е., Муравьев Я.Д., Калачева Е.Г. Оценка рассредоточенного выноса термальных вод в русло реки Уксичан (Эссо, Камчатка). - Вестник КРАУНЦ, Серия науки о Земле, 2005, No. 2, вып. 6, 96-98.
6. Евреинов В.Н., Гидравлика. - Л.: Ленгострансиздат, 1933. - 357 с.
7. Ледники Туюксу (Северный Тянь-Шань). - Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 171 с.
8. Пальгов Н.Н. Жизнь одного ледника. - Алма-Ата: Наука, 1970. -123 с.
9. Рудой А.Н. Гигантская рябь течения. - Томск: Изд. ТГУ, 2005. - 224 с.
10. Herget J. Reconstruction of Pleistocene Ice-Dammed Lake Outburst Floods in the Altai Mountains, Siberia. -The Geological Society of America, Special Paper 386, 2005. - 118 p.
