ЧТО ТАКОЕ СЕЛЬ? Текст научной статьи по специальности «Физика»

НАУЧНЫЕ СТАТЬИ

Гидрометеорология и экология № 3 2015

УДК 551.311(574)

Доктор геогр. наук Б.С. Степанов * Доктор техн. наук Р.К. Яфязова

ЧТО ТАКОЕ СЕЛЬ?

СЕЛЬ, ВОДНЫЙ ПОТОК, НАНОСЫ, ОПОЛЗЕНЬ, КОНЦЕНТРАЦИЯ, ПЛОТНОСТЬ, ВЯЗКОСТЬ, ПЛАСТИЧНОСТЬ

Катастрофический сель - сложный многофакторный процесс. Главными причинами селеформирования являются: климатическая, гидрометеорологическая, гляциологическая, геоморфологическая, почвенно-растительная, антропогенная и другие. Взаимодействие факторов в определенных ситуациях может приводить к тому, что главную роль играет фактор, который в других условиях является второстепенным.

Полстолетия оказалось достаточным для того чтобы катастрофическое природное явление из приданий старины далекой трансформировалось в науку о селях. Но этого срока не хватило для формулировки определения, что есть сель.

Многообразие эндогенных и экзогенных процессов, протекающих в различных климатических, геологических, геоморфологических и иных природных условиях, а также деятельность человека становятся причиной катастрофических явлений, угрожающих жизни и здоровью, а также хозяйственной деятельности человека. К таким явлениям относятся и сели.

Сель, силь (арабск. - бурный поток) по определению Большой советской энциклопедии, - внезапно возникающий на горных реках бурный паводок, несущий очень большое количество наносов как в виде мелких частиц (грязевые сели), так и в виде гальки, валунов и глыб (грязекаменные сели) [1]. Существуют и другие определения селя (селевого потока) [6, 7, 9].

Слово «сель» (от сайль - «бурный поток») - арабского происхождения. Сель в Австрии - мур, в Швейцарии - руфф, в Германии - вильд-бах, во Франции - торрент, в Индонезии - банджир, в Японии - ямацуна-ми, в Перу - уайко и так далее [6].

* Казгидромет, г. Алматы

69

По определению, данному в терминологическом словаре «Селевые явления» «сель (селевой поток) - стремительный русловой поток, состоящий из смеси воды и обломков горных пород, внезапно возникающий в бассейнах небольших горных рек. Сель характеризуется резким подъемом уровня, пульсационным (волновым) движением, кратковременностью действия (преимущественно в пределах 1...4 часов, значительным эрози-онно-аккумулятивным эффектом ...» [6].

Такое «современное» определение селя страдает очевидными недостатками.

При проведении экспериментов по искусственному воспроизведению селей начало зарождения селя происходит согласно плану работ. Время образования селя дождевого генезиса в очагах рассредоточенного селеобразования можно предсказать, имея информацию о продолжительности и интенсивности дождя.

Далеко не обязательно, что сель - бурный паводок. Так, во время селя 1975 г. на р. Улкен Алматы (Большая Алматинка) (Иле Алатау (Заилийский Алатау)) поток представлял собой относительно медленное движение плотной грязекаменной массы (0,64 м/с при уклоне 0,077; глубина потока 5,0.5,2 м; плотность селевой массы 2400.2500 кг/м3;), оставлявшей на берегах четкие границы наивысшего уровня. Движение же селя 1973 г. на р. Киши Алматы (Малая Алматинка) было настолько бурным, что его поверхность скрывалась под облаком, состоявшим из мелких частиц грязи.

Сели образуются не только в горной местности, но и в равнинных пустынях. Продолжительность селей может изменяться от долей часа до (с перерывами) нескольких суток. Столь же различной (в зависимости от генезиса) может быть их повторяемость.

Катастрофическим селям при движении в горных долинах, как правило, недостаточно не только русла, но и поймы реки. Их руслом становится дно и борта долины. При выходе на конус выноса мощного грязе-каменного селя, русло заполняется селевой массой и его влиянием на дальнейший характер отложения селевой массы можно пренебречь. Как правило, заново русло на конусе выноса формируется постселевым потоком (представленным разжиженной селевой массой) на новом месте.

Поведение селя определяется плотностью и реологическими свойствами селевой массы (упругостью, вязкостью, пластичностью), расходом и объемом селя, морфометрическими характеристиками пути его движения.

70

Продолжительность селевых процессов варьирует от нескольких минут до нескольких (с перерывами) суток. Расход селей изменяется от долей до нескольких десятков тысяч кубометров в секунду. Максимальный расход селевого потока 15 июля 1973 г. в бассейне р. Киши Алматы, по разным оценкам, составлял 5-10 тыс. м3/с [1, 2]. Плотность селевой массы, даже в течение одного процесса, колеблется в широком диапазоне - от 950 до 2400 кг/м3 и более (плотность массы лахара, в случае большой концентрации пемзы, может быть значительно меньше 950 кг/м3).

Твердый компонент селевой массы может состоять из частиц горных пород различного размера: от долей микрона до 10 м и более. Их плотность может изменяться в пределах от нескольких сотен (пемза) до 4000 кг/м3, плотность льда при 0 °С близка к 0,917 кг/м3.

Попытки классификации селей по вещественному составу селевой массы по составу субстрата («грязевой», «грязекаменный», «водокамен-ный», «наносоводный», не говоря уже о более «экзотических»: «льдо-водо-грязевой», «водо-древесно-каменный», «водно-пылеватый» и т.д.) и режиму движения («структурный», «турбулентный», «квазиламинарный» и т.п.) оказались неплодотворными. Реальное представление о вещественном составе селевой массы, ее реологических характеристиках и режиме движения потока может быть получено по данным о минералогическом и гранулометрическом составах (и других химических и физико-механических характеристиках) твердых частиц, их объемном (весовом) содержании в селевой массе, расходе селя и морфометрических характеристиках пути движения селя.

Широко распространенное представление о том, что глыбы (весом в несколько десятков тонн) транспортируются селем в большинстве ситуаций неверно. Перемещение крупных фракций твердого компонента в плотной селевой массе, обладающей пластичностью, даже на малых уклонах происходит за счет их потенциальной энергии.

Сель - поток, состоящий из трех компонент: твердой, жидкой и газообразной. Их объемное соотношение, а также гранулометрический и химический составы твердого компонента определяют плотность селевой массы и ее реологические свойства. Роль газообразного компонента становится значимой лишь при интенсивной деформации селевой массы, имеющей место при ее движении на больших уклонах. Количественные данные о его влиянии на реологические характеристики селевой массы (из-за сложности их экспериментального определения и малой практической значимости)

71

практически отсутствуют. Основное внимание при изучении свойств селевой массы уделяется твердому и жидкому компонентам.

В зависимости от размеров частиц, их минерального состава и соотношения твердого и жидкого вещества сели подразделяются на грязека-менные, грязевые, водокаменные, водоснежные, водоледяные и т.д. Еще относительно недавно к селям относили только грязекаменные потоки [4], о водоснежных и водоледяных селях не упоминается даже в научно-популярной книге Ю. Б. Виноградова «Этюды о селевых потоках» - книге, прочитав которую человек, любящий горы, уже навсегда при слове сель не останется равнодушным.

Сель настолько многообразное понятие, что охарактеризовать его только с помощью определений невозможно. Как минимум, для этого необходимы численные характеристики. Так, приблизительно 5000 лет назад на склонах вулкана Рейнир (США) в результате прорыва ледниковых вод сформировался сель с объемом, достигавшим 4 млрд. м3, прошедший по долине р. Уайт приблизительно 65 км [3].

Сель, начало которому, в результате землетрясения, положил обвал льда и скальных пород на склоне вершины Уаскаран (Перу), продвигался на 14-километровом участке со средней скоростью 110 м/с (396 км/ч) [3].

Плотность селевой массы (при плотности горных пород 2650 кг/м3) может превышать 2500 кг/м3. При этом вес породы в селевой массе в 24 раза превышает вес воды. Вязкость селевой массы может в миллионы раз превышать вязкость воды, совместное действие архимедовой силы и предельного напряжения сдвига (характеризующего пластичность селевой массы) приводить к тому, что глыбы горных пород не будут тонуть в окружающей их среде.

И как противоположность: плотность селевой массы может быть меньше плотности воды, вязкость - практически равной таковой воды, пластичность отсутствовать, скорость движения - менее 0,36 км/ч, объема селя - доли кубометра.

Сель, как природное явление, граничит с двумя природными явлениями: оползнями и водными потоками, транспортирующими твердый компонент. И если граница между оползнями и селями уверенно определяется визуально (движение оползней сопровождается разрывом их сплошности), то для того, чтобы отличить сель от водного потока, транспортирующего наносы, необходимо, как минимум, обладать критериями.

72

Если твердый компонент двухфазной смеси имеет плотность, значительно превышающую плотность воды, в качестве критерия, позволяющего отличить сель от водного потока, транспортирующего наносы, могут выступать пластичность, вязкость и плотность.

Пластичность двухфазной смеси в решающей мере определяется содержанием глинистых фракций в гранулометрическом составе твердого компонента и их химическим составом. В подавляющем числе селефор-мирующих грунтов содержание глинистых фракций мало, поэтому (если объемная концентрация твердого компонента в селевой массе меньше 0,5), пластичность селевой массы практически не влияет на сопротивление движению потока и на энергию, затрачиваемую на поддержание твердого компонента во взвешенном состоянии (под взвешенным состоянием понимается отсутствие кулоновского трения частицы с поверхностью, по которой движется селевая масса), и, следовательно, пластичность не может быть использована в качестве критерия, позволяющего отличить сель от водного потока, несущего наносы.

Вязкость селевой массы неоднозначно зависит от ее плотности и определяется объемной концентрацией твердого компонента, а также его минералогическим и гранулометрическим составами. Поскольку роль вязкости в динамике потока определяется соотношением сил инерции и вязкости, использовать значение вязкости двухфазной смеси с целью идентификации потока (сель или водный поток, транспортирующий наносы) затруднительно.

Привлекательным (для этой цели) кажется энергетический критерий. Движение жидкого и твердого компонентов селевой массы определяется изменением их потенциальной энергии за единицу времени.

Если

тВgvB sin a > mTgvT sin a, где тВ - масса жидкого компонента (воды), тТ - масса твердого компонента, ПВ - средняя поступательная скорость жидкого компонента, ПТ -средняя поступательная скорость твердого компонента, a - угол наклона пути движения селевой массы, g - ускорение свободного падения, то это водный поток, транспортирующий наносы, в противном случае - сель.

Твердый компонент в составе двухфазной смеси может перемещаться (вследствие ее перемешивания и отсутствии свойства пластичности) во взвешенном состоянии, сальтацией, качением и скольжением. Од-

73

нако только при перемещении твердого компонента во взвешенном состоянии его скорость может приближаться к скорости движения жидкого компонента, так как перемещение твердого компонента путем сальтации, качения и скольжения (на уклонах менее 0,17) происходит, когда скорость движения жидкого компонента превышает скорость твердого компонента.

Если скорости движения твердого и жидкого компонентов равны, а это (при относительно малой концентрации твердого компонента в смеси) имеет место, когда твердые частицы перемещаются во взвешенном состоянии, то равенство изменения их потенциальных энергий наступает при равенстве масс компонентов.

Для единичного объема смеси жидкого и твердого компонентов

тт = Срт,

тв =(1 - С )рв,

С = рв

Рт +РВ

где рТ - плотность твердого компонента, рВ - плотность жидкого компонента, С - объемная концентрация твердого компонента в двухфазной смеси.

При рТ = 2650 кг / М и pB = 1000 кг / м3, С = 0,274, а плотность селевой массы рсм = pTC + pO (1 - С) = 1452 кг / м3.

Следовательно, при принятых значениях рТ и рВ плотность двухфазной смеси (рсм), равная 1452 кг/м3, является максимально возможной,

при которой энергия водной составляющей равна или превышает энергию, затрачиваемую твердым компонентом на движение потока.

Однако эта гипотеза обладает существенными недостатком. При полидисперсном составе твердого компонента перемещение частиц может происходить и путем скольжения, качения, сальтации. В такой ситуации доля энергии, затрачиваемой на перемещение упомянутых частиц (за счет изменения их потенциальной энергии в единицу времени), AWn = g sin a(mckvck + mkvk + mclvcl),

где mck и vck - масса и скорость частиц, перемещающихся скольжением,

mk и vk - масса и скорость частиц, перемещающихся качением, mcl и vcl

- масса и скорость частиц, перемещающихся сальтацией.

К сожалению, осуществить измерение масс и скоростей движения этих частиц при проведении производственных работ невозможно. Следо-74

вательно, равенство энергий твердого и жидкого компонентов не может быть принято в качестве критерия, позволяющего отличить водный поток, транспортирующий наносы, от селя.

Не менее сложной является проблема идентификации двухфазных потоков, когда твердый компонент представлен льдом, плотность которого меньше плотности воды. В гидрологии такие потоки (с плотностью менее 1000 кг/м3) получили названия шугоход и ледоход. Их определения даны в Гидрологическом словаре [8]. Природа шугоходов и ледоходов изучена в степени, позволяющей с достаточной предупрежденностью и оправдываемостью их прогнозировать.

В последние десятилетия наблюдаются и изучаются водоснежные и водоледяные сели. Их определения даются в Гляциологическом словаре [5] и терминологическом словаре «Селевые явления» [6]. Механизмы их образования просты, возможно, поэтому им не нашлось «места» в Гидрологическом словаре.

В 2006 г. был описан механизм формирования водоледяного селя, который связан с лавинообразным разрушением водоледяных образований, формирующихся при резком понижении температуры воздуха (-10 °С и ниже) в отсутствии ледяного покрова на горных реках, продольный уклон русла которых составляет 2.7°, т.е. на уклонах, на которых расположены населенные пункты с сотнями тысяч человек.

Природа селей многообразна, однако если сели формируются на склонах вулканов, селеведы всех континентов называют их лахарами. Одним из «продуктов» извержения вулканов является пемза - пористое вулканическое стекло, образующееся в результате выделения газов при быстром застывании кислых и среднекислых лав. Плотность пемзы 2000.2500 кг/м3, но из-за замкнутости большинства пор объемная плотность пемзы может изменяться в пределах 300.900 кг/м3. При большой концентрации пемзы в смеси с водой, ее плотность может быть значительно меньше плотности смеси воды и льда. Однако вряд ли потоку такой смеси будет отказано называться лахаром, т.е. селем. Следовательно, плотность смеси жидкого и твердого компонентов не является критерием отличия селя от водного потока, транспортирующего наносы.

В научно-популярной книге «Этюды о селевых потоках» Ю.Б. Виноградов в разделе «Селевики и селеведение, терминологические дебри, классификационная эпидемия» пишет «В 1947 г. по инициативе президента Академии наук СССР С.И. Вавилова была организована селе-

75

вая комиссия. ... На ежегодных пленарных заседаниях комиссии рассматривались разного рода организационные и методические вопросы, селеви-ки советовались друг с другом, а время от времени вспыхивали безнадежные дискуссии по вопросам терминологии и классификаций. Только одно обсуждение животрепещущего вопроса «что такое сель» неоднократно приводило селевую комиссию почти к гибели». Возвращаясь к этой проблеме, в разделе «Шутят не только физики» Ю.Б. Виноградов пишет: «Рассказывают, что первый председатель Селевой комиссии член-корреспондент АН СССР Михаил Андреевич Великанов на одном из совещаний сказал:

- А главную задачу - дать определение «что такое сель»,- Академия наук берет на себя» [3].

За прошедшее полустолетие эта задача так и не решена, что приводит к трагическим последствиям из-за того, что водоледяные сели не прогнозировались. Так, в 2004 г. в центре г. Каскелен в водоледяной сель попал мальчик. В 2006 г. во время прохождения водоледяного селя по территории населенного пункта Фабричный (при температуре воздуха около -20 °С) погибли люди.

Угрозу здоровью и жизни людей, большой материальный ущерб наносят как водные потоки, так и сели. Принципиальным отличием селей от катастрофических водных потоков является относительно большое содержание в них твердого компонента. Но, как мы уже убедились, зависимость физических характеристик селевой массы от концентрации твердого компонента носит непрерывный характер и, поэтому, они не могут быть использованы в качестве критерия, позволяющего отличить сель от водного потока, транспортирующего наносы.

Так, может быть, в качестве такого критерия использовать социально-экономический критерий: если основной ущерб нанесен твердым компонентом, то это - сель, а если водой - паводок, несущий наносы? Недостатки этого критерия очевидны . .

Так что же такое сель?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Большая советская энциклопедия. - М.: Большая советская энциклопедия, 1955. - Т. 38. - 668 с.

2. Боровинский Б.А. Электроразведочные работы на морене Малоалма-тинских ледников // Гляциологические исследования в период МГГ:

76

Заилийский и Джунгарский Алатау. - Алма-Ата: АН КазССР, 1961. -Вып. 1. - С. 113-135.

3. Виноградов Ю.Б. Этюды о селевых потоках. - Л.: Гидрометеоиздат, 1980. - 144 с.

4. Гагошидзе М.С. Селевые явления и борьба с ними. - Тбилиси: Сабчота Сакартвело, 1970. - 386 с.

5. Гляциологический словарь / Под ред. В.М. Котлякова. - Л.: Гидроме-теоиздат, 1984. - 528 с.

6. Перов В.Ф. Селевые явления. Терминологический словарь. - М.: МГУ, 1996. - 45 с.

7. Флейшман С.М. Сели. - Л.: Гидрометеоиздат, 1978. - 312 с.

8. Чеботарев А.И. Гидрологический словарь. - Л.: Гидрометеоиздат, 1970. - 308 с.

9. Шеко А.И. Закономерности формирования и прогноз селей. - М.: Недра, 1980. - 296 с.

Поступила 27.08.2015

Геогр. гылымд. докторы Б. С. Степанов Техн. гылымд. докторы Р.К. Яфязова

СЕЛ ДЕГЕН1М1З НЕ?

Апаттъщ сел - курдел1 квпфакторлы процесс. Селдщ щалыптасуыныц нег1зг1 себептер1: климаттыщ, геоморфологиялыщ, топыращ-вамдщ антропогенд1к жэне басщалар. Белгш1 жагдайларда факторлардыц взара эрекеттесу1 б1р фактордыц нег1зг1 рол1, басща жагдайда квмекш1 болуы мумюн.

Алыс ескШц еншгсгнен сел туралы гылымга апаттыщ табиги щубылыстардыц ауысуына жарты жузжылдыщ жеткткт1 болды. Б1ращ осы уащыттыц вз1, сел бар екемне аныщтама щурастыруга жетпед1.

77