CC BY
28
5. Ваганов М.К., Полынцев С.А. Крейсерские парусные яхты Байкала: доклад. Иркутск, 2007.
6. Стандарт 1ЕС б2з7б(2010). Морская навигация и радиокоммуникационное оборудование и системы. Системы элек-
тронных карт. Требования к эксплуатационным характеристикам, методы испытания и требуемые результаты испытания.
УДК 551.435.126
СТОК РЕЧНЫХ НАНОСОВ ХРЕБТА ХАМАР-ДАБАН: НАБЛЮДЕНИЯ И МОДЕЛЬ
1 л 4
В.Л. Потемкин1, Т.Г. Потемкина2, Е.А. Гусева3
12
, Лимнологический институт СО РАН, 664033 Иркутск, а/я 278, ул. Улан-Баторская, 3.
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
В динамике годового стока наносов на притоках малого бассейна оз. Байкал за весь период инструментальных наблюдений определяющими являются гидроклиматические факторы. На реках Утулик и Хара-Мурин в последние десятилетия наблюдается относительное снижение объёмов взвешенных наносов при неизменной водности рек. Скопившийся за это время в их бассейнах денудационный материал при определенных гидрометеорологических ситуациях способен сформировать сели, что приведет к увеличению годовых объемов речных наносов. Ряд длительных наблюдений за паводками может быть представлен как ряд редких, случайных событий, распределенных по закону Пуассона со средним интервалом 6 лет. Ил. 3. Библиогр. 12 назв.
Ключевые слова: модель; сели; годовой ход воды; годовой сток наносов; оз. Байкал; хр. Хамар-Дабан.
RIVER DRIFT RUNOFF FROM THE KHAMAR-DABAN: OBSERVATIONS AND A MODEL V.L. Potemkin, T.G. Potemkina, E.A. Guseva
Limnological Institute SB RAS, 3 Ulan-Batorskaya St., p/box 278, Irkutsk, 664033. National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664043.
Hydroclimatic factors are determinant in the dynamics of the annual runoff of drifts in the tributaries of the lake Baikal small basin over the entire period of instrumental observations. Previous decades are characterized with a relative decline in the volume of suspended sediments under constant water content in the Utulik and Khara-Murin rivers. The denudation material that has accumulated in their basins during this time is able to form mud flows under certain meteorological situations. It would result in the increase of the annual volumes of river drifts. A number of long-term observations of floods can be represented as a series of rare, random events, distributed by the Poisson's law with a mean interval of 6 years.
3 figures. 12 sources.
Key words: model; mud flows; annual variation of water; annual runoff of drifts; lake Baikal; mountain ridge the Khamar-Daban.
Сильные дожди часто вызывают на горных реках паводки. При этом из-за больших уклонов русел происходит быстрый сброс воды, и паводки бывают внезапными, иной раз принимающими катастрофический характер, что приводит к образованию селей. Сели -стремительные потоки большой разрушительной силы, состоящие из смеси воды, камней, щебня и грунта в самых разных пропорциях, к сожалению, постоянно повторяющееся в горах стихийное явление. В зависи-
мости от преобладания каменного или почвенного материала различают водокаменные, грязекаменные и грязевые селевые потоки. Чаще всего сели возникают в гольцовой зоне, где постоянно накапливающийся в результате процессов естественного разрушения каменный материал смывается внезапно выпадающими дождями. В высокогорье с характерными ледниковыми карами каменным материалом селей часто служат размываемые водными потоками старые
1Потемкин Владимир Львович, кандидат географических наук, старший научный сотрудник, тел.: (3952) 426502, 89148836467, e-mail: klimat@lin.irk.ru
Potemkin Vladimir, Candidate of Geography, Senior Research Worker, tel.: (3952) 426502, 89148836467, e-mail: klimat@lin.irk.ru
2Потемкина Татьяна Гавриловна, кандидат географических наук, старший научный сотрудник, тел.: (3952) 426502, e-mail: klimat@lin.irk.ru
Potemkina Tatyana, Candidate of Geography, Senior Research Worker, tel.: (3952) 426502, e-mail: klimat@lin.irk.ru
3Гусева Елена Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроительных технологий и материалов,
тел.: (3952) 405147, 89500616247, e-mail: el.guseva@rambler.ru
Guseva Elena,Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Engineering Technologies and Materials, tel.: (3952) 405147, 89500616247, e-mail: el.guseva@rambler.ru
морены (примером этого является северный макросклон хребта Хамар-Дабан).
Формирование стока речных наносов определяется взаимодействием ряда природных факторов: рельефа, расчленённости поверхности, состава горных пород, характера почв и растительности, климатических условий и др. Весьма существенным фактором разнонаправленных изменений объёмов наносов выступает различная по характеру и интенсивности деятельность человека. В последние десятилетия в условиях глобального изменения климата, усиливающегося антропогенного прессинга на ландшафты бассейна оз. Байкал возрастает научный интерес к изучению происходящих изменений в режиме стока наносов рек, впадающих в озеро. Речной сток является важнейшим источником поступления обломочного материала в водоём, способствует качественному и количественному изменению озерной взвеси [1-3] и, кроме того, он достаточно точно и объективно отражает природно-антропогенные изменения во всем бассейне озера.
В представленной работе определялись тенденции, выяснялась роль природных и антропогенных факторов и их взаимосвязь в формировании стока воды и наносов малых рек, стекающих в Байкал с хребта Хамар-Дабан за период наблюдений. Предлагается модель, описывающая межгодовую динамику стока наносов и возможное наступление паводков катастрофического типа.
Методы и материалы исследования. В основу исследований положены данные наблюдений Росгидромета за расходами воды (РВ) и взвешенных наносов (РВН) малых рек Утулик и Хара-Мурин, впадающих в оз. Байкал, за весь имеющийся инструментальный период [4-7]. Отсутствующие для реки Утулик по техническим причинам значения РВН за 1952 и 1971 гг. (годы катастрофических селей на реках Южного Прибайкалья) дополнены по литературным данным. Построены и проанализированы графики динамики годового хода воды и взвешенных наносов, установлены тренды, определены коэффициенты корреляции между РВ и РВН для всего ряда наблюдений и за его отдельные интервалы.
Более 500 рек впадают в оз. Байкал. Однако лишь на некоторых из них проводятся наблюдения за стоком наносов. Бассейн оз. Байкал - горная страна, в пределах которой равнинные участки имеют подчинённое значение. Водосборный бассейн озера охватывает территорию площадью 541 тыс. км2 (без площади акватории Байкала - 31500 км2). 240,5 тыс. км2 поверхности бассейна находится на территории России, остальная часть (300,5 тыс. км2) - в пределах Монголии [8]. Соотношение площади акватории озера к площади его водосбора составляет 1:17. Основные крупные реки, впадающие в Байкал на восточном побережье (Селенга, Верхняя Ангара, Баргузин) и имеющие большую протяжённость, значительные стоки воды и наносов, входят в состав так называемой большой питающей провинции Байкала, которая связана с водоёмом только через устья этих рек. Малая питающая провинция озера представляет узкую полосу прилежащего побережья и обращённую к Байкалу
поверхность окружающих хребтов. Общим для большей части рек малой питающей провинции Байкала является то, что они имеют горный характер, крутые уклоны и берут начало на склонах хребтов. Климатические условия малой питающей провинции своеобразны и определяются значительным влиянием водного тела Байкала. Реки Утулик и Хара-Мурин, стекающие с северного макросклона хребта Хамар-Дабан, входят в состав малой питающей провинции озера. Анализировались многолетние изменения стоков воды и наносов на этих реках, имеющих ряды относительно продолжительных наблюдений. Среднемноголетние стоки воды и наносов р. Утулик и Хара-Мурин составляют 0,50 и 0,79 км3/год и 32 тыс. т и 15 тыс. т/год соответственно [4, 8]. В сравнении с реками большой питающей провинции это немного (например, средне-многолетний сток воды р. Селенга составляет 8,3 км3/год, а нанос - 1732 тыс. т/год). Однако по режиму питания Утулик и Хара-Мурин относятся к рекам с преобладанием дождевого стока (60-65 % годового объёма) [7]. Для сравнения использованы данные по сумме летних осадков на ст. Хамар-Дабан (1440 м над уровнем моря), описывающие режим увлажнённости в гольцовой зоне хребта (рис. 1,А), и ст. Бабушкин на восточном побережье озера Байкал, соответствующие условиям района р. Хара-Мурин (рис. 2,А). Сильные ливневые дожди способствуют возникновению селей, которые во много раз увеличивают среднегодовые расходы взвешенных наносов, и, следовательно, вынос обломочного материала в Байкал. Так, в 1962 г. среднегодовой РВН на р. Утулик равнялся 14 кг/с (при среднемноголетнем 1,2 кг/с) из-за того, что в июле наблюдался сель с РВН 170 кг/с [9].
Исследования процессов эрозии и факторов, её обусловливающих, показали, что для равнинных рек в многолетних рядах наблюдений за стоком взвешенных наносов можно выделить, как правило, два периода, различающихся средними значениями и размахом колебаний возле них [10]. В частности, для р. Селенга было установлено, что за период 1979-1994 гг. сток наносов был почти втрое ниже, чем за 1945-1975 гг., водность же за этот период повышалась. Однако отсутствие официальной информации регионального уровня не позволило ранее [10] выявить решающий фактор (климатический или антропогенный) данной тенденции. Позже, в работе [11] было установлено, что антропогенное ослабление эрозии и уменьшение стока наносов - наиболее характерное явление для умеренных широт северного полушария. Утулик и Ха-ра-Мурин - горные реки, территории их бассейнов слабо подвержены антропогенному влиянию, и поэтому изменения РВ и РВН на этих реках являются следствием естественных климатических факторов. Преобладающим источником питания рек Утулик и Хара-Мурин является дождевой сток, способствующий возникновению селей различной интенсивности и, следовательно, увеличению значений годовых объёмов речных наносов. Очевидно, для этих водотоков велико влияние случайных катастрофических явлений (ливней, селей) на межгодовую динамику наносов.
1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400
30 25 20 15 10 5 0
Рис. 1. Изменчивость годовых расходов воды (О, м /с) и взвешенных наносов (Я, кг/с) реки Утулик: А - сумма летних осадков по ст. Хамар-Дабан (мм); Б - среднегодовые значения расходов воды (1) и взвешенных наносов (2)
16
10
40 35 30 25 20 15 10
5
0 4
Q, м3/с
R, кг/с
Г 3.5 3
2.5 2
1.5 1
0.5 ^ 0
1 -------- 2 -
Рис. 2. Изменчивость годовых расходов воды (О, м3/с) и взвешенных наносов (Я, кг/с) реки Хара-Мурин: А - сумма летних осадков по ст. Бабушкин (мм); Б - среднегодовые значения расходов воды (1) и взвешенных наносов (2)
Результаты и обсуждение. Анализ динамики среднегодовых расходов воды и взвешенных наносов на исследуемых реках выявил следующие тенденции (рис. 1 и 2). Изменение водности на р. Утулик имеет положительный тренд, на р. Хара-Мурин - незначительный отрицательный тренд. Среднегодовые РВН на этих реках имеют значительные межгодовые колебания (до 10 раз), что связано со скоростью подготовки обломочного материала на склонах речных долин, устойчивостью на склонах продуктов выветривания и
разной степенью интенсивности летних осадков. Поэтому для рек малой питающей провинции Утулик и Хара-Мурин отмечается слабая корреляция между стоками воды и наносов. Например, для р. Хара-Мурин коэффициент корреляции между среднегодовыми РВ и РВН равен 0,15+0,1 и отсутствует для осреднённых по пятилетиям; для р. Утулик - 0,3+0,16 и 0,22+0,15 соответственно. Это позволяет рассматривать ряды среднегодовых данных по стоку наносов
на реках малой питающей провинции оз. Байкал как последовательность случайных, редких и независимых событий. Этот ряд является ординарным (т.е. появление двух событий одновременно невозможно), стационарным (частота появления событий Л постоянна, т.е. условия подготовки обломочного материала и разгрузки его водотоком не меняются во времени) и без последействия (вероятность наступления события не зависит от предыдущих событий этого ряда). Частота Л рассчитывается как отношение числа событий N свершившихся за время наблюдений Т, к периоду наблюдений Т (например, для р. Утулик за 65 лет, с 1941 по 2005 гг., произошло 11 паводков, поэтому это число равно 0,1693 (рис. 1,Б)). Такой ряд называется пуассоновским и описывается законом Пуассона с параметром Л [12]:
( М)акг-м
Pk =-
k!
(1)
даемое событие произойдёт обязательно:
Р, = 1 - ем. (3)
График такой функции монотонно возрастает. Для возможного повторения паводка на р. Утулик в таблице приводятся вероятности следующего события через определённое число лет.
Данный ряд наблюдений за стоком наносов представлен как пуассоновский поток без последействия, поэтому среднее (или математическое ожидание) и среднеквадратичное отклонение равны между собой и составляют 1/Л , т.е. т = а = 5,9. Так как дисперсия такого ряда велика, то время появления следующего события (время последействия) плохо предсказуемо и находится в интервале:
т1- а < ^ < + а . Моделирование таких потоков позволяет рассчитать интервал между двумя событиями (в данном случае паводками), преобразуя формулу (3):
где Рк - вероятность того, что за время £ произойдет к событий.
Из этой формулы можно получить несколько следствий. Например, вероятность отсутствия события (к=0) за время £ равна:
Р = е-Л . (2)
Очевидно, что с увеличением времени наблюдения вероятность отсутствия события в данном ряду будет уменьшаться. Кроме того, чем больше само значение Л, тем быстрее будет убывать эта вероятность. Соответственно интересно и обратное следствие - вероятность появления хотя бы одного события растёт со временем и асимптотически стремится к 1, т.е. при достаточно длительном наблюдении ожи-
At = -1 * ln( r
),
(4)
где At - промежуток между соседними событиями; гслуч - равномерно распределённое в интервале от 0 до 1 случайное число, получаемое из подпрограммы «генератор случайных чисел», имеющейся в любой статистической компьютерной программе (простой «генератор» есть и в Excel).
Одна из реализаций такой последовательности событий приведена на рис. 3 (модельный ряд). Этот ряд сравним с селевым, который построен по данным реально происходивших паводков на р. Утулик (исходный ряд). Например, в реальности был длительный период отсутствия селей с 1978 по 1993 гг., 15 лет. В
модельном также есть перерывы в 11-12 лет: с 1948
по 1960 и с 1985 по 1996 гг.
Для р. Хара-Мурин ряд наблюдений короче - 34 года (рис. 2,Б). На ней было 5 событий паводкового типа. Это даёт значения Л = 0,1471 и =6,8, соответствующие выводам по р. Утулик, учитывая непродолжительный период наблюдений. Таким образом, появляется возможность для прогноза геоморфологических процессов в регионе.
В последние десятилетия на р. Утулик (1976-2005 гг.) и Хара-Мурин (1983-2005 гг.) объём наносов уменьшился на 80 и 70% соответственно. Несмотря на то что антропогенный прессинг в бассейнах этих рек набирает силу, ландшафты на большей части территории близки к естественным (высокая залесенность, низкая распаханность) и слабо изменены человеком. К тому же основная часть водосбора этих рек приходится на гольцовую зону хр. Хамар-Дабан. Решающее значение в изменении стока наносов на этих реках принадлежит природным факторам. Возможно, что наблюдающееся в последнюю четверть XX века потепление привело к снижению морозного выветривания, преобладающего в гольцовой зоне. Это снизило подготовку скального материала, транспортируемого селевыми потоками. В пределах Юго-Восточного Прибайкалья, где расположены бассейны этих рек, катастрофических селей не наблюдается уже 30 лет [9]. Эта «передышка» послужила причиной снижения объёмов наносов на р. Утулик и Хара-Мурин. Скопившийся за это время в их бассейнах денудационный материал при определённых гидрометеорологических си-
туациях способен сформировать катастрофические сели, что приведёт к увеличению годовых объёмов речных наносов. Таким образом, на Утулике и Хара-Мурине наблюдается относительное снижение объёмов взвешенных наносов при неизменной водности рек, а ведущая роль в сложившейся ситуации принадлежит природным условиям и процессам.
В заключение можно сделать следующие выводы.
В динамике годового стока наносов на реках малой питающей провинции оз. Байкал за весь период инструментальных наблюдений определяющими являются гидроклиматические факторы. На реках Утулик и Хара-Мурин в последние десятилетия наблюдается относительное снижение объёмов взвешенных наносов при неизменной водности рек.
Скопившийся в бассейнах этих рек денудационный материал при определённых гидрометеорологических ситуациях способен сформировать сели, что приведёт к увеличению годовых объёмов речных наносов.
Ряд длительных наблюдений за стоком наносов может быть представлен как ряд редких, случайных событий, распределённых по закону Пуассона со средним интервалом 6 лет.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 11-05-00140-а, а также частичной поддержке проекта № 2.1.1/10862 аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2011год)» Министерства образования и науки Российской Федерации.
Библиографический список
1. Potyomkina T.G., Grachev A.M., Potyomkin V.L., Baryshev V.B. Chemical composition of suspension in water body of Lake Baikal // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 1998. Vol. 405. № 2-3. P. 543-545.
2. Potyomkina T.G., Potyomkin V.L. Study of the chemical composition suspended particles in lake Baikal // Lakes & Reservoirs: Research and Management. 2000. Vol. 5. № 3. P. 133136.
3. Потемкина Т.Г., Потемкин В.Л. Сравнительная характеристика речного стока в озера Байкал и Хубсугул // География и природные ресурсы. 2002. № 3. С. 39-43.
4. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. Т. 1. Вып. 14. 364 с.
5. Основные гидрологические характеристики. Л.: Гидрометеоиздат, 1967. Т. 16. Вып. 3. 180 с.
6. Основные гидрологические характеристики. Л.: Гидроме-теоиздат, 1976. Т. 16. Вып. 3. 204 с.
7. Ресурсы поверхностных вод СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. Т. 16. Вып. 3. 400 с.
8. О состоянии озера Байкал и мерах по его охране в 2007 году: госуд. доклад. Иркутск: Сибирский филиал ФГУНПП «Росгеолфонд», 2008. 443 с.
9. Лапердин В.К. Факторы формирования селей на юге Восточной Сибири // Селевые потоки: катастрофы, риск, прогноз, защита. Пятигорск: Изд-во ин-та «Севкавгипроводхоз», 2008. С. 162-165.
10. Гусаров А.В. Тенденции эрозии и стока взвешенных наносов в Азии во второй половине XX столетия // Геоморфология. 2002. № 4. С. 70-87.
11. Гусаров А.В. Тенденции изменения эрозии и стока взвешенных наносов на Земле во второй половине XX столетия // Геоморфология. 2004. № 2. С. 11-22.
12. Исаев А.А. Статистика в метеорологии и климатологии. М.: Изд-во МГУ, 1988. 246 с.
