CC BY
10НАУЧНЫЕ СТАТЬИ
Гидрометеорология и экология № 4 2015
УДК 551.311
Доктор геогр. наук Б.С. Степанов * Доктор техн. наук Р.К. Яфязова
СЕЛЕВЕДЕНИЕ - КАК НОВОЕ НАУЧНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ
СЕЛЬ, ПАРАДИГМА, ВОДНЫЙ ПОТОК, НАНОСЫ, КОНЦЕНТРАЦИЯ, ПЛОТНОСТЬ, ВЯЗКОСТЬ, ПЛАСТИЧНОСТЬ
К концу 20 века сложилось устойчивое представление, что гидротехника и гидрология («наука, занимающаяся изучением природных вод, явлений и процессов, в них протекающих, а также определяюгцих распространение вод по земной поверхности и в толще почво-грунтов и закономерностей, по которым эти явления и процессы развиваются» [8]), должны быть строго разграничены друг от друга. Каждая наука, каждая отрасль знания имеет общеинженерную целеустремленность, но внутри себя, в своих методах исследования, она должна идти своим путем, развиваясь по своей логике. В настоящее время вышесказанное в полной мере относится к гидрологии и селеведению.
Сели во многом определяли жизнь и деятельность людей, живших в горных и предгорных районах. Однако на протяжении многих тысячелетий люди использовали накопленный опыт сосуществования с этим грозным природным явлением лишь при выборе места относительно безопасного проживания и хозяйственной деятельности.
По мерс увеличения риска, обусловленного урбанизацией и активным вовлечением в хозяйственную деятельность территорий, подверженных воздействию селей, развивалась отрасль инженерного искусства, связанная с защитой от селей и их предупреждением. Увеличение эффективности противо-селевых мероприятий требовало развития научных знаний о распространении селей, условиях их зарождения, трансформации характеристик селей и селевой массы, их взаимодействии с инженерными сооружениями, остановки в горных долинах, на конусах выноса и в сслехранилищах.
Многогранность селевых явлений, их влияние на условия жизни и здоровье людей обусловило тот интерес, который был проявлен к изучению селей представителями различных научных направлений. В ходе проведенных исследований были получены результаты, которые позволили к
* РГП «Казгидромет», г. Алматы 40
50...60-ым годам 20 века сформулировать селевую парадигму — совокупность фундаментальных научных установок, представлений и терминов, принимаемых и разделяемых научным сообществом и объединяющих большинство его членов и обеспечивающую преемственность развития науки и научного творчества.
В основе этой парадигмы лежали представления о том, что: объемный вес твердого компонента сслевой массы больше чем у воды; максимальная концентрация твердого компонента селевой массы не может превышать 40 %;
плотность селей, формирующихся в результате взаимодействия водного потока с горными породами, вмещающими русло, не превышает 1600 кг/м3;
плотность селевой массы, образующейся в результате сдвига и разжижения грунтовых массивов, может достигать 2400 кг/м ;
плотность селевой массы однозначно зависит от угла наклона пути движения селя и т.д.
Наибольший вклад в развитие науки о селях в СССР внесли институты АН СССР, Академий наук Азербайджана, Армении, Грузии, Казахстана, Украины, научно-исследовательские институты Министерств геологии, гидротехники и мелиорации СССР и союзных Республик, научно-исследовательские институты Государственного комитета по гидрометеорологии СССР. Об этом свидетельствует и тот факт, что председателями Селевой комиссии при АН СССР многие годы были член-корреспондент АН СССР М.А. Великанов, заведующий отделом института географии АН СССР д.т.н., профессор М.Ф. Срибный, д.т.н., профессор МГУ С.М. Флейшман, заместитель директора по научной работе, заведующий отделом селсй Казахского научно-исследовательского гидрометеорологического института д.т.н., профессор Ю.Б. Виноградов.
В начале 21 века произошел сдвиг сслевой парадигмы, хотя некоторые ее положения возможно и не разделяются большинством сообщества, изучающего сели. Однако отсутствие публикаций с критикой положений новой парадигмы позволяет предполагать, что это «переходный период». Основу новой парадигмы составляют следующие утверждения: взаимодействие водного потока с расходом, превышающим критическое значение, на уклоне, превышающем критическое значение (в решающей мере определяемых гранулометрическим составом селеформи-рующих пород) с рыхлообломочными породами приводит (при достаточной длине пути движения) к образованию сслсвой массы, плотность которой ограничивается пределом ее текучести;
зависимость между плотностью селевой массы и уклоном пути движения селя неоднозначна;
динамика сслсй определяется плотностью и реологическими характеристиками сслсвой массы, уклоном пути движения селя, глубиной потока;
конусы выноса, примыкающие к выходу рек из гор (расположенных в средних широтах с континентальным климатом), несущих в настоящее время оледенение, образованы преимущественно отложениями сслсй;
в ледниковые эпохи селевая активность практически равна нулю, активизируется в межледниковые эпохи и многократно увеличивается (по сравнению со средним значением в голоцене) при увеличении температуры воздуха на2...3 °С и более, по сравнению с климатом 20-го столетия и т.д. [10],
В 70.. .90-х годах 20 века ученые и инженеры СССР занимали передовые позиции в изучении природы сслсй, проектировании и проведении противосслсвых мероприятий. В этот период времени были написаны и опубликованы статьи и монографии, обобщающие результаты научных исследований за период 1940... 1960 гг. формирования науки о селях [5, 6, 9].
В связи с тем, что в формировании селей вода играет важную роль, изучение сслсй в системе Госкомгидромста СССР происходило в рамках проблем, решение которых вменялось Управлению гидрологии. На первой стадии развития науки о селях это представлялось логичным, поскольку считалось, что механизм образования селей, формировавшихся в результате взаимодействия сосредоточенного водного потока с рыхлообломоч-ными породами, вмещающими русло, принципиально не отличается от транспорта наносов водным потоком, изучаемого гидрологией.
Гидрология, как учение о совокупности деятельности воды на поверхности Земли, появилась (отпочковавшись от гидротехники) в 20-х годах 20 века в Советском Союзе. Еще в начале прошлого века гидрология, как отдельная дисциплина, не преподавалась ни в одном из высших учебных заведений России и Европы, а сведения о гидрологии излагались в курсах ирригации, внутренних водных сообщений и т.д.
К середине 20 века сложилось устойчивое представление, что гидрология и «... гидротехника, как отрасль инженерного искусства, трактующего об использовании воды для культурных нужд человечества, должны быть строго разграничены друг от друга» |4|. Подчинение гидрологии гидротехнике или водному хозяйству представлялось М.А. Великанову «глубоко неверным». Каждая наука, каждая отрасль знания имеет общеинженерную целеустремленность, но внутри себя, в своих методах исследования, она должна идти своим путем, развиваясь по своей логике.
В настоящее время вышесказанное в полной мере относится к гидрологии и сслсвсдснию. Сслсвсдснис изучает весь комплекс природных процессов, совокупность которых приводит к зарождению селей, их развитию и деградации. Упомянутые природные процессы нельзя вырвать из того географического ландшафта, в котором они происходят в данный момент времени. Следовательно, селеведение находится в цикле географических наук. Отсюда вытекает его тесная связь с географией, метеорологией и климатологией, гидрологией, гидрогеологией, геологией, геоморфологией, гляциологией, вулканологией, геокриологией, реологией, почвоведением и ботаникой, геодезией и картографией. Органическими составляющими сслс-всдсния являются геодезия и картография, физическое и математическое моделирование, теоретический анализ как вытекающий из обработки данных полевых наблюдений и лабораторных экспериментов, так и строящийся на основе фундаментальных законов физики.
Процессы выветривания горных пород, вопросы выпадения осадков, их инфильтрация в грунт, формирование поверхностного и подземного стока, захват и перенос водой твердых частиц, их аккумуляция — точки соприкосновения климатологии, гидрологии, гидрогеологии и геоморфологии. Процессы, связанные с питанием ледников, их движением и деградацией, переносом рыхлообломочных пород водными и воздушными потоками, образование поверхностных и подземных водоемов, их прорывом, формированием паводков и селей — результаты процессов, изучаемые климатологией, метеорологией, гидрологией, гляциологией, геокриологией, геологией и геоморфологией. Возникновение лахаров обусловлено проявлением геологических, геоморфологических, климатических, гидрологических, гляциологических факторов. Возможность образования водо-снсжных и водоледяных селей определяется геоморфологическими, климатическими, метеорологическими и гидрологическими факторами.
Исследования в области сслевсдсния, проведенные за последние десятилетия в Казахстане, странах ближнего и дальнего зарубежья за последние 40 лет, коренным образом изменили существовавшие ранее представления об условиях зарождения, развития и деградации селей.
Выдающимся событием в истории селеведения явились результаты проведения искусственного воспроизведения сслсй в натуральном масштабе на Шамалганском полигоне Казахского научно-исследовательского гидрометеорологического института в 1972... 1978 гг. «Искусственным» при воспроизведении сслсй было лишь рукотворное открытие затворов, приведшее к излиянию воды в естественный селевой очаг, образовавшийся в результате опорожнения водоема, возникшего при заполнении пони-
жения на морене вюрмского возраста, талыми водами. Судя по состоянию очага до проведения экспериментов по искусственному воспроизведению селей, его возраст не превышал 150...200 лет.
Впервые было доказано, что при взаимодействии сосредоточенного водного потока и углах наклона пути движения составляющих 13... 18° формируется грязекаменный поток с максимальной плотностью около 2400 кг/м3. Во время экспериментов 1975 г. при максимальном расходе водного попуска 28 м3/с (первый попуск) максимальный расход селевой массы составил 430 м3/с.
Во время второго попуска, при максимальном расходе водного потока равном 15 м'/с, расход селя составил 320 м'/с |7).
Для проведения измерений характеристик сслсй была разработана и изготовлена бесконтактная аппаратура:
двухчастотный допплсровский измеритель уровня и скорости селя; квантовый магнитный градиентометр для измерения плотности селевой массы;
сейсмические измерители расхода селей.
На вес приборы получены авторские свидетельства на изобретения СССР [1,2, 3].
Результаты проведения экспериментов по искусственному воспроизведению селей, анализ прохождения селей в природных условиях, данные лабораторного моделирования позволили сделать вывод о неоднозначной зависимости плотности селевой массы от уклона пути движения селя (с учетом плотности и гранулометрического состава рыхлообломочных пород, принимающих участие в селеформировании, а также глубины потока) сделавшее возможным разработку методов расчета характеристик сслсй в различных геоморфологических условиях, а теоретический анализ неоднозначности — открыть явление скачкообразного изменения плотности селевой массы при движении сслсй на уклонах, превышающих критическое значение.
На результатах изучения геологических разрезов конусов выноса рек северного склона Иле Алатау (Заилийского Алатау) разработан геолого-геоморфологический метод определения генезиса конусов выноса, основы оценки селевого риска, позволяющий оценить относительную опасность селевых бассейнов с близкими факторами сслсформирования. Разработана методология оценки селевого риска.
К настоящему времени определились три основных направления практического применения сслеведсния:
1. Выявление и описание пространственного положения территорий, подверженных воздействию селей, оценка селевой опасности на них в
условиях современного климата; разработка методологии оценки селевого риска и методов картирования селевого риска в условиях современного климата; оценка селевой опасности в условиях потепления климата и оценка риска на территориях, подлежащих освоению в ближайшее столетие;
2. Расчет характеристик селей, дающий представление об особенностях зарождения и формирования селей, а так же характерных значениях их параметров (объем и расход селей, реологические характеристики селевой массы и их зависимость от плотности селевой массы и гранулометрического состава твердого компонента; дальность прохождения селей); разработка методов управления движением и отложением селей;
3. Прогноз селей, предупреждающий население о селевой опасности и являющийся базовым элементом эффективного проектирования, строительства и эксплуатации противоселевых сооружений, поскольку представляет собой научное предвидение изменения селевой активности во времени и в пространстве.
Результаты исследований, выполненных в последние десятилетия, привели к выводу о том, что селевая масса обладает ярко выраженными вязко-пластическими свойствами, характеристики которых зависят от концентрации, плотности, гранулометрического и минералогического состава, а также формы се твердого компонента. Это практически полностью исключает возможность использования математических моделей, используемых при гидравлических расчетах и прогнозе селевых явлений. Сказанное относится и к проектированию, строительству и эксплуатации противоселевых сооружений, использованию при проектировании и проведении превентивных мероприятий по предотвращению селей, уменьшению ущерба, наносимого ими.
Вес возрастающие требования органов государственного управления, обусловленные осложнением и возрастанием запросов, связанных с обеспечением устойчивого развития страны в условиях потепления климата, могут быть удовлетворены лишь при полнокровном развитии сслсвсдсния как науки, с разработкой всех ее проблем, даже тех, которые, казалось бы, в настоящий момент еще не имеют практического значения, но составляют необходимое звено в разрешении других, настоятельно важных вопросов. Сслс-ведение перестало быть одним из разделов гидрологии и должно получить надлежащее место в системе точных естественных наук.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А.с. 539220 СССР, М. Кл.2 С 01 Р 1/66. Способ измерения расхода водных, водных наносонесущих и селевых потоков в необорудованных рус-
лах / Ю.Б. Виноградов, В.А. Краскжов и B.C. Степанов (СССР)/. -№2127532/10; Заявлено 17.04.75; Опубл. 15.12.76; Бюл.№46.
2. A.c. 623136 СССР, М. Кл. 2 G 01 N 9/00. Способ измерения плотности селевых потоков / Б.С. Степанов и Т.С. Степанова (СССР) / — №2400770/18-25; Заявлено 23.08.76; Опубл. 05.09.78; Бгол. № 33.
3. A.c. 698505 СССР, М. Кл. 2 G 01 S 9/04. Доплеровский измеритель дальности / B.C. Степанов, В.М. Силлер, П.И. Коваленко и В.А. Красюков (СССР). -№ 2585600/18-09; Заявлено 01.03.78.
4. Великанов М.А. Гидрология суши. - Л.: Гидромстсоиздат, 1948. - 530 с.
5. Гагошидзс М.С. Селевые явления и борьба с ними. — Тбилиси: Сабчота Сакартвело, 1970. - 386 с.
6. Флейшман С.М. Сели. — Л.: Гидрометеоиздат, 1978. — 312 с.
7. Хонин Р.В., Керсмкулов В.А., Мочалов В.П. Третий эксперимент по Искусственному воспроизведению грязекаменного потока // Селевые потоки. — М.: Гидрометеоиздат, 1977. — № 2. — С. 57-63.
8. Чеботарев А.И. Гидрологический словарь. — Л.: Гидрометеоиздат, 1970.-308 с.
9. Шско А.И. Закономерности формирования и прогноз сслей. - М.: Недра, 1980.-296 с.
10. Яфязова Р.К. Природа селей Заилийского Алатау. Проблемы адаптации. - Алматы, 2007. - 158 с.
Поступила 4.09.2015
Геогр. гылымд. докторы B.C. Степанов Техн. гылымд. докторы Р.К. Яфязова
СЕЛТАНУ - ЖАНА ГЫЛЫМИ БАГЫТ
СЕЛ, ПАРАДИГМА, СУ AFblHbl, УЙ1НД1, КОНЦЕНТРАЦИЯ ТЫРЫЗДЬЩ, ЖАБЫСКЫКГЫК, ИЛЕМД1ЛШ
20 гасырдыц соцында «табиги суларда втетш щбылыстар мен процестерд1, сонымен цатар жер бетшен жзне топырак, цабатында сулардыц mapœ¡уы жзие осы цуъьныстардыц даму зацдылыцтарын зерттейтт гылым» селтану жэне гидрология тураш турацты тустк цалыптасты [8J, бхрщ олар 6ip-6ipiite>i катац турде шектеулi царастырылуы щжет. др шлым, бшшнщ яр саласы взгнщ пишде жаты инженерлЬс мщеатыиа не, оз зерттсу aöicmepinöe 03 логикасына сай олар вз жолымен журу цажет. К,аз\рг\ ущытта жагарыда сштыштдар гидрология мен селтануш щтысты мэселелер.
