CC BY
38
УДК 551.49:551.345
ДИНАМИКА ФОРМИРОВАНИЯ ГИГАНТСКИХ НАЛЕДЕЙ В БАССЕЙНЕ РЕКИ ВЕРХНЯЯ НЕРЮНГРА В УСЛОВИЯХ РАБОТЫ КРУПНОГО ВОДОЗАБОРА
© Ф.Р. Завадский1, М.Н. Железняк2
Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН,
677010, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Мерзлотная, 36.
Детально проанализирована многолетняя динамика формирования гигантских наледей, расположенных в пределах Верхне-Нерюнгринского месторождения пресных подземных вод. Выявлены основные закономерности изменения объёмов формирующихся наледей в многолетнем разрезе. Оценено влияние работы крупнейшего на территории Южной Якутии Верхне-Нерюнгринского водозабора на объёмы формирующихся наледей. Выявлено отсутствие чёткой корреляционной связи между количеством атмосферных осадков предшествующего года, суммой отрицательных температур воздуха в зимний период и объёмом формирующихся наледей. Ил. 6. Табл. 1. Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: объём наледи; расход наледеобразования; температура воздуха; подмерзлотные подземные воды; таликовые зоны; подрусловый сток.
GIGANTIC ICING FORMATION DYNAMICS IN UPPER NERYUNGRA RIVER BASIN UNDER LARGE WATER INTAKE FACILITY OPERATION F.R. Zavadsky, M.N. Zheleznyak
P.I. Melnikov Permafrost Study Institute SB RAS,
36 Merzlotnaya St., Yakutsk, Republic of Sakha (Yakutia), 677010, Russia.
The long-term dynamics of gigantic icing formation in the Upper Neryungra freshwater aquifer is subjected to thorough analysis. The article reveals the main patterns in long-term variability of icing growth. The influence of the Upper Neryungra water intake, the largest in southern Yakutia, on icing volume is assessed. The study shows that the volume of icing formed has no distinct correlation with the amount of previous year precipitation and the sum of negative air temperatures.
6 figures. 1 table. 2 sources.
Key words: icing volume; icing discharge; air temperature; subpermafrost ground waters; talik zones; stream underflow.
Введение. Начиная с середины 70-х годов XX столетия на территории Южной Якутии в процессе проведения работ по разведке месторождений подземных вод были начаты стационарные режимные наблюдения на участках наледеобразования в бассейнах рек Самокит, Верхняя Нерюнгра и др. Район исследований расположен в центральной части Южной Якутии в пределах Чульманского плато. В геологическом строении территории принимают участие кристаллические породы архея и терригенные породы мезозоя. Горные породы разбиты большим количеством тектонических нарушений различной направленности. Орография района довольно сложная. На юге территории расположен Становой хребет с отметками до 2000 м. В пределах Чульманского плато отметки водоразделов изменяются от 800 до 1200 м, в целом рельеф имеет пологоволнистый характер.
Климат района резко континентальный. Многолетняя средняя годовая температура воздуха отрицательная, а её значение зависит от высоты местности и степени расчленённости рельефа. По данным метеостанции Чульман она составляет -6,90С. В январе средняя месячная температура воздуха составляет -36,40С, в июле она достигает
+18,60С. Атмосферные осадки распределяются равномерно. В пос.Чульман средняя многолетняя сумма выпадающих осадков за год составляет 585 мм. Основная их масса (до 85%) приходится на летний период года. В зимний период выпадает от 40 до 75 мм осадков в виде снега. Продолжительность зимнего периода составляет 7 месяцев. Устойчивый снежный покров устанавливается в начале октября. Основная масса снега выпадает в октябре-декабре. В зимний период в долинах рек отмечаются «морозные туманы», что связано с температурной инверсией воздуха. Погода зимой чаще всего безветренная. Весна короткая, переход средней суточной температуры воздуха через 00С отмечается в первой декаде мая. Таяние снежного покрова интенсивно происходит во второй декаде мая и длится в течение 5-10 суток. Часто отмечаются сильные ночные заморозки. Лето сравнительно жаркое, дней без солнца очень мало. В июле-августе температура воздуха может достигать 300С и более. В конце лета в ночное время отмечаются заморозки на почве. Осень характеризуется тихой и безоблачной погодой. Средняя месячная температура воздуха в сентябре составляет 4.5°С. Переход к отрицательным
1Завадский Феликс Романович, научный сотрудник лаборатории геотермии криолитозоны, тел.: 89243629896, e-mail: [email protected]
Zavadsky Felix, Research Worker of the Permafrost Geothermics Laboratory, tel.: 89243629896, e-mail: [email protected]
2Железняк Михаил Николаевич, и.о. директора, доктор геолого-минералогических наук, тел.: 89142269347, e-mail:[email protected] Zheleznyak Mikhail, Acting Director, Doctor of Geological and Mineralogical sciences, tel.: 89142269347, e-mail:[email protected]
температурам воздуха отмечается в начале октября.
Наиболее длительные ряды наблюдений за режимом формирования наледей подземных вод имеются для бассейна р. Верхняя Нерюнгра (левый приток р. Чульман). Протяжённость реки составляет 36 км, площадь водосбора 316 км2. В бассейне р. Верхняя Нерюнгра формируются две очень крупные наледи с объёмом льда до 4 млн м3. Их общая длина в момент наибольшего развития достигает 5-6 км, средняя ширина 300-500 м, а мощность льда в отдельных точках достигает 4-5 м.
Участок развития характеризуемых наледей представляет собой расширенный участок долины р. Верхняя Нерюнгра. Здесь преобладает западинно-бугристый или плоский рельеф, где господствуют низкорослые кустарники и мхи. Очень часто растительность полностью отсутствует и участки наледных полян представляют собой россыпи слабо окатанных камней. Места выходов наледеобразующих источников подземных вод очень чётко фиксируются по куртинам ельников или по наличию в зимний период постоянно действующих полыней в русле реки.
В геологическом строении территории бассейна р. Верхняя Нерюнгра принимают участие метаморфические породы архея (гнейсы и кристаллосланцы) и тер-ригенные породы юрского возраста (песчаники и алевролиты). Мощность осадочных отложений достигает 3000 м и более. Четвертичные отложения представлены валунно-галечниковыми с примесью песка осадками. Мощность этих отложений достигает 4-8 м. В тектоническом отношении бассейн р. Верхняя Нерюнгра относится к зоне Южно-Якутского надвига. Здесь выявлены крупные региональные разломы северо-западного и северо-восточного простирания. По положению сместителей они относятся к взбросам и надвигам с амплитудами смещения первые десятки метров. Мощность зон тектонических трещин горных пород у поверхности достигает 200 м.
Мерзлотно-гидрогеологические условия горных массивов в бассейне реки Верхняя Нерюнгра соответствуют зоне прерывистого развития многолетнемёрз-
лых пород и подчинены геолого-тектоническому строению района исследований. Согласно мерзлотно-гидрогеологическому районированию территории Восточной Сибири [2] район исследований расположен на контакте Чульманского адартезианского бассейна с Южно-Алданским гидрогеологическим массивом. Крутые склоны бортов долины вдоль р. Верхняя Нерюн-гра проморожены до глубины 60-100 м, а температура горных пород на подошве слоя годовых теплооборо-тов составляет -1,50С и ниже. На пологих склонах мощность многолетнемёрзлых пород сокращается до 20-40 м, а их температура не опускается ниже - 0,50С. На вершинах водоразделов развиты талые породы с температурой до + 2.00С на подошве слоя годовых теплооборотов. Непосредственно под руслом реки фиксируется сквозной водоносный талик.
Результаты исследований и их обсуждение. Основные морфометрические характеристики наледей (максимальный объём наледей, формируемых за зимний сезон), а также основные климатические условия их формирования приведены в таблице.
Наледь 3 находится в верхней части бассейна р.Верхняя Нерюнгра в 4,5 км выше по течению от участка расположения Верхне-Нерюнгринского водозабора (рис.1). Длина этой наледи достигает 1800 м, а ширина до 650 м. Мощность льда в конце периода наледеобразования достигает на отдельных участках 4-5 м. На верхнем створе р. Верхняя Нерюнгра перед участком формирования наледи существует устойчивый зимний сток, формируемый за счёт подземных вод, поступающих из верхней части бассейна. Величина зимнего меженного стока колеблется от 650-700 л/с (начало ноября) до 65-125 л/с (конец апреля). На створе ниже участка формирования наледи 3 также существует довольно устойчивый зимний сток за счёт транзита подземных вод. Величина зимнего меженного стока здесь колеблется от 520-700 л/с (начало ноября) до 80-120 л/с (конец апреля). Основные характеристики многолетнего режима формирования наледи приведены на рис. 2, 3, 4.
Рис.1. Карта-схема района исследований и расположения исследуемых наледей
Основные гидрологические и метеорологические характеристики района и параметров исследуемых _наледей за многолетний период (1977-2012 гг.)_
Годы наблюдений Сумма осадков, мм Сумма отрицательных температур, 0С Сезоны наблюдений Объём наледи 2, тыс.м3 Объём наледи 3, тыс.м3
1977 488,2 140,4 1977-1978 3316 не наблюд.
1978 567,8 137,1 1978-1979 3001 не наблюд.
1979 458,5 143 1979-1980 3726 2092
1980 580,0 132,8 1980-1981 3400 не наблюд.
1981 578,7 137,9 1981-1982 3179 1902
1982 686,6 130,4 1982-1983 3750 2652
1983 662,9 136,4 1983-1984 2503 2599
1984 437,8 134,1 1984-1985 3974 1359
1985 549,6 149,9 1985-1986 3110 не наблюд.
1986 365,3 134 1986-1987 2991 не наблюд.
1987 516,1 144,5 1987-1988 3011 не наблюд.
1988 473,9 113,1 1988-1989 2000 не наблюд.
1989 597,4 128,5 1989-1990 2316 не наблюд.
1990 429,5 128,5 1990-1991 1416 не наблюд.
1991 542,3 129,7 1991-1992 1625 не наблюд.
1992 510,7 124,8 1992-1993 1471 1629
1993 584,0 146,7 1993-1994 1642 2481
1994 492,9 130,5 1994-1995 1812 1911
1995 464,6 128,3 1995-1996 1129 1181
1996 731,5 139 1996-1997 1810 1477
1997 735,5 133,2 1997-1998 1513 1342
1998 565,6 146,4 1998-1999 1033 1400
1999 592,5 134,4 1999-2000 1389 1530
2000 466,1 154,9 2000-2001 886 1355
2001 532,5 117,7 2001-2002 997 896
2002 546,9 139,4 2002-2003 1839 1173
2003 614,7 133 2003-2004 1768 2135
2004 660,8 130 2004-2005 1399 1623
2005 789,1 143,2 2005-2006 1418 1458
2006 711,1 126,7 2006-2007 1154 2077
2007 760,7 118 2007-2008 1563 1078
2008 581,0 140,9 2008-2009 1505 1328
2009 657,0 145,6 2009-2010 1511 1596
2010 668,0 124,1 2010-2011 1709 1315
2011 621,5 126,1 2011-2012 2131 2150
За весь период наблюдений объём формирующейся наледи 3 изменялся в весьма широких пределах от 896 тыс.м3 до 2652 тыс.м3. При этом отмечается определённая цикличность в формировании объёма наледи с периодом 2-4 года. В многолетнем разрезе существенного тренда в изменении объёма наледи не выявлено. Средний многолетний её объём составляет 1500 тыс.м . Можно отметить, что максимальных объёмов наледь достигла в сезон 1993-1994 гг., когда была отмечена очень суровая зима. Прове-
денный корреляционный анализ свидетельствует об отсутствии какой-либо устойчивой связи между количеством выпадающих атмосферных осадков, суммой отрицательных температур воздуха и объёмом формирующейся наледи. Анализ графика, представленного на рис. 2, указывает на то, что работа Верхне-Нерюнгринского водозабора не сказалась на динамике разгрузки подземных вод архейского водоносного комплекса в пределах участка формирования наледи 3.
0
92-93
94-95 96-97 98-99 00-01 02-03 04-05 06-07 08-09 10-11
Сезоны наблюдений
Рис.2. Изменение объёма наледи 3 в отдельные сезоны за период наблюдений (1992-2012 гг.)
200
180
О
я
о
§ 160
й
Г) й X
ЁД
Г)
я 140
£ 120
О
100
Наледь 31
К = 0,17
♦ ♦
♦ ♦
♦ ♦
♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦
♦ ♦
500
1000
1500
2000
2500
3000
Объём наледи, тыс.м
Рис.3. Зависимость объёма наледи 3 от суммы отрицательных температур воздуха за сезон
Наледь 2 находится в средней части бассейна р. Верхняя Нерюнгра в 0,5 км ниже по течению от участка расположения Верхне-Нерюнгринского водозабора. В длину она достигает 2700 м, а в ширину до 100-180 м. Мощность льда в конце периода наледеобразова-ния достигает на отдельных участках 3-4 м. На верхнем створе перед участком формирования наледи существует устойчивый зимний сток за счёт транзита подземных вод из верхней части бассейна р. Верхняя Нерюнгра. Величина зимнего меженного стока колеб-
лется от 520-700 л/с (начало ноября) до 80-120 л/с (конец апреля). На створе ниже участка формирования наледи 2 также существует довольно устойчивый зимний сток за счёт транзита подземных вод. Величина зимнего меженного стока здесь колеблется от 520700 л/с (начало ноября) до 40-80 (конец апреля). Основные характеристики многолетнего режима формирования наледи 2 приведены в таблице и на рис. 4,5,6.
80 -
0
Прежде чем перейти к характеристике многолетнего режима формирования наледи, приведём краткую характеристику Верхне-Нерюнгринского водозабора. Этот водозабор является крупнейшим по производительности на территории Южной Якутии. Его максимальная производительность в отдельные периоды года достигает 36,8 тыс.м3/сут. Он обеспечивает до 50% объёма питьевого водоснабжения г. Нерюнгри с населением 76 тыс.человек. Сам водозабор состоит из линейного ряда эксплуатационных скважин, расположенных вдоль русла р. Верхняя Нерюнгра. В настоящее время в эксплуатации находятся 6 скважин, средний суммарный годовой водоотбор из которых составляет 27,5 тыс.м3/сут.
За весь период наблюдений объём формирующейся наледи 2 изменяется в весьма широких пределах: от 886 до 3974 тыс.м3. При этом отмечаются циклические колебания в значениях объёма формирующейся наледи с периодом 1-3 года. В многолетнем разрезе выявлен существенный отрицательный тренд в изменении объёма формирующейся наледи, который обусловлен влиянием работы Верхне-Нерюнгринского водозабора. Максимальные объёмы наледи 2 отмечались в сезон 1984-1985 гг. Проведенный корреляционный анализ показал на отсутствие какой-либо устойчивой связи между количеством выпадающих атмосферных осадков, суммой отрицательных температур воздуха и объёмом формирующейся наледи.
Наледь 21
Б . = 0,7 7
1
У
Тренд - 730 тыс. м3/10 лет
4000
2500
к 2000
1000
0
77-78 79-80 81-82 83-84 85-86 87-88 89-90 91-92 93-94 95-96 97-98 99-00 01-02 03-04 05-06 07-08 09-10 11-12
Сезоны наблюдений
Рис.4. Динамика объёма наледи 2 за период наблюдений (1977-2012 гг.)
900
8 700
600
¿у 500
Н аледь 2|
А А А Ь А
Б = 0,25
А к А А А А
А А ! г--- А А А А к
А А А А А А А
300
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Объём наледи, тыс.м 3
Рис.5. Зависимость изменения объёма наледи 2 от суммы выпадающих атмосферных осадков за год
4500
3500
3000
500
500
800
400
Далее приведём оценку степени влияния эксплуатации Верхне-Нерюнгринского водозабора на условия формирования наледи. За период с 1977 по 1988 гг. объём формирующейся наледи изменялся в пределах от 2503 до 3974 тыс.м3. За период 1988-1991 гг. объём формирующейся наледи начал постепенно уменьшаться от 3010 до 1415 тыс.м3. В этот период эксплуатационный водоотбор по скважинам Верхне-
Нерюнгринского водозабора повысился с 13,0 до 27,0 тыс.м3/сут. За период 1991-2002 гг. объём формирующейся наледи менялся в пределах от 1625 до 886 тыс.м3. Отмечается незначительный циклический спад объёмов формирующейся наледи за период 20022012 гг. (от 886 до 2131 тыс.м3). Наблюдается очень пологий циклический спад объёмов формирующейся наледи.
160
150
оо я
140
&
а &
и Я
>>
О
130
▲ Наледь 21
А N А А
__А > *-2 . А ___ ^ А -' А А А
▲ А А А А А А Я = 0,1< '1
А
100
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Объём наледи, тыс.м3
Рис. 6. Зависимость изменения объёма наледи 2 от суммы отрицательных температур воздуха за сезон
Заключение. На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Решающая роль в формировании наледей в бассейне р. Верхняя Нерюнгра принадлежит подмерз-лотным напорным трещинным и трещинно-жильным водам, функционирующим в подрусловых таликах водотоков района исследований. На формирование наледей используется в среднем от 50 до 80% величины подземного стока, остальная часть уходит транзитом подрусловым и русловым стоками вниз по течению реки.
2. В многолетнем периоде установлены циклические колебания объёма формирующихся наледей с
периодом 1-4 года.
3. Чётких корреляционных связей между количеством выпадающих атмосферных осадков, суммой отрицательных температур воздуха и объёмом льда формирующихся наледей не наблюдается.
4. Ввод в эксплуатацию Верхне-Нерюнгринского водозабора оказал весьма существенное влияние на процесс формирования наледи 2 в бассейне р. Верхняя Нерюнгра. Максимальный средний многолетний объём этой наледи уменьшился в 3,2 раза по сравнению с периодом, когда водозабор не эксплуатировался.
Библиографический список
1. Завадский Ф.Р., Железняк М.Н. Влияние изменчивости
климата на температуру пород в Южной Якутии // Материалы конференции «Итоги геокриологических исследований в
Якутии в XX веке и перспективы их дальнейшего развития».
Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 2003. С.97-103. 2. Шепелев В.В., Толстихин О.Н., Пигузова В.Н. и др. Мерз-лотно-гидрогеологические условия Восточной Сибири / под ред. П.И. Мельникова. Новосибирск: Наука, 1984. 192 с.
20
