УДК
551.311.21:551.4
UDK 551.311.21:551.4
ИСТОЧНИКИ
РИСКА НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ СЕЛЕЙ
Тасболат
Б, Кожабекова З, Кенжебай Р.Н, Аманбаева
М.А.
В. Tasbolat, Z. Kozhabekova,R.N.Kenzhebai, M.A.Amanbaeva
Южно-Казахстанский
государственный университет им. М. Ауезова, Шымкент, Казахстан
M. Auezov South Kazakhstan State University, Shymkent, Kazakhstan
Резюме
Селевые процессы и
селевые явления наносят определенный ущерб социо, эко и техносфере, поэтому
необходима разработка методов оценки
риска негативного воздействия селей. Метод оценки риска негативного воздействия
селевых явлений включает: идентификацию источника риска воздействия селей,
идентификацию объектов воздействия селевых явлений, качественную и
количественную оценку воздействия селевых явлений, и осуществлялась в
соответствии с общими принципами географического познания – целостности,
детерминизма, системности и др. Источником селевого риска являются селевые
потоки природного происхождения и техногенные. Установлено, что основными
характеристиками, обуславливающими импактные свойства селевых потоков (как
природного генезиса, так и техногенных),
являются частота прохождения (повторяемость), расход, плотность, объем
селевой массы и ее гранулометрический состав, скорость, высота,
продолжительность и дальность прохождения. На примере селевых явлений горных и
предгорных районов Юго – Восточного Казахстана (северные и северо-западные
хребты Тянь-Шаня и Жетысуского Алатау) выявлены наиболее отрицательные эффекты происходящие от
прохождения селевых потоков. Значения суммарного воздействия селевых потоков
могут достигать значительных величин, именно они обуславливают катастрофические
разрушения.
Abstract
Mudflow
process and mudflow phenomens bring definite loss social-, eco-, and
technospheric and it is necessary method’s work out of negative mudflow’s
influence of risk’s value. It includes: identification the source’s risk of
mudflow’s influence, identification the source’s risk of mudflow’s object,
qualitative and numeral value of mudflow’s influence phenomen, and realized
with corresponding with common principes of geographical cognition – integity,
determinism, system and etc. The source of mudflow’s risk is mudflow’s stream
of natural origin and technogen. It established that the basic rescription depending
on impact properties of mudflow’s streams is repeated frequency, expenditure,
density, volume of mudflow’s mass and it’s granulmetrical structure, velocity
height, duration and distance gangway. Mountain mudflow phenomen and foothills
regions of South-east Kazakhstan (North and north-west ranges of Tjan-Shan and
Alatau) exposed more negative effects happening from the gangway of mudflow’s
stream. Meaning of total influence mudflow’s streams can achieved an important
size, and only they cause catastrophic destruction.
Ключевые слова: сель,
селевые потоки, селевой процесс, риск, селеформирование, селеформирующий фактор,
селевой риск.
Keywords: mudflow, mudflow’s stream, mudflow’s
process, mudflow formation, mudflow forming factor, mudflow’s risk.
Источником селевого риска являются селевые потоки
природного происхождения и техногенные.
Природные селевые явления (ливневые, гляциальные,
сейсмогенные) формируются в результате взаимодействия водных потоков
(поверхностных и внутригрунтовых), образовавшихся в результате природных
процессов (выпадения осадков, таяния снегов и ледников, прорывов естественных
водоемов вследствие влияния гидрометеорологических факторов, землетрясений), с
естественными массивами рыхлообломочного материала [1].
Техногенными селевые потоки являются в случае, если
водная составляющая или потенциальный селевой массив имеют
инженерно-техническое происхождение (водохранилища, хвостохранилища,
водопроводы и др. или отвалы горных выработок, хранилища твердых отходов и
т.д.).
Техногенные селевые потоки могут являться первичным
источником селевого риска, либо быть вторичным. Вторичным источником селевого
риска техногенные сели являются в том случае, если возникают вследствие
негативного воздействия селей на техногенную водную (обуславливают прорывы
искусственных водоемов и др.) или техногенную твердую (захватывают в
процесс селеформирования рыхлообломочный материал промышленных отвалов и др.)
составляющую. Первичным источником риска техногенные селевые потоки являются в
случае возникновения вследствие иных, не связанных с селевыми явлениями,
причин, например, в случае аварийных сбросов воды или пульпы при разрушении водоканалов, водохранилищ, хвосто -хранилищ,
землетрясений, взаимодействия интенсивного ливневого стока с рыхлообломочным
материалом техногенного происхождения и т.д.
Основными характеристиками, обуславливающими импактные
свойства селевых потоков (как природного генезиса, так и техногенных), являются
частота прохождения (повторяемость),
расход, плотность, объем селевой массы и ее гранулометрический состав,
скорость, высота, продолжительность, дальность прохождения.
Повторяемость селевых потоков различного генезиса и масштаба,
зависит от соотношения характеристик селевых объектов (селевых очагов, моренных
озер и т.д.) и селеформирующих факторов (климатических характеристик,
сейсмичности и др.) и может изменяться от нескольких случаев в год, до одного
случая в сто и более лет.
Селевые потоки (независимо от генезиса) подразделяются
на грязекаменные, грязевые и наносоводные [2]. Плотность наносоводных
потоков различного происхождения
изменяется в пределах 1300-1600 кг/м3, в гранулометрическом составе
транспортируемых ими наносов преобладают частицы размером до 0,1 м, наиболее
крупные фракции до 0,2-0,3 м, содержание воды в селевой смеси достигает 70-80
%. В грязевых потоках гранулометрический селевой массы представлен фракциями,
аналогичными таковым в наносоводных, однако в нем преобладают пылеватые и
глинистые частицы, а содержание водной составляющей не превышает 40-50 %.
Плотность грязевых потоков достигает 2000 кг/м3 . Грязекаменные
потоки характеризуются широким диапазоном гранулометрического состава, наиболее
крупные фракции представлены камнями размером до 0,5-0,6м. Отдельные валуны в
составе селевой массы могут достигать 2-3 м. Плотность грязекаменного селевого
потока составляет 2000-2300 кг/м3, в отдельных случаях может
достигать 2400 кг/м3. Вода в составе селевой массы находится в
большей степени в связном виде и в количестве, не превышающем 30-40%. Так, при
аэровизуальном наблюдении прохождения грязекаменного селя в бассейне р.Талгар в
1993 г. зафиксировано перемещение валунов размером до 6 м в диаметре в потоке
на расстоянии нескольким километров.
При обследовании следов данного селя обнаружено более 10 валунов такого
размера, вынесенных из очага формирования в притоке р. Средний Талгар и
отложившихся в русле р. Талгар. Валуны размером около 3-4 м в диаметре
обнаружены в отложениях селевого потока, прошедшего в бассейне р. Малая
Алматинка в 1973 г. Высокие значения плотности свойственны грязекаменным
селевым потокам, не зависимо от размеров очагов формирования последних. В
небольших селевых очагах (рытвинах, рассредоточенного селеформирования) могут
формироваться селевые потоки высокой плотности около 2000 кг/м3 . Но
потоки с наибольшими значениями плотности селевой массы с большим содержанием
крупных валунов формируются в крупных селевых очагах (врезах). Плотности
грязекаменных селевых потоков не зависят от значения их расходов.
Расходы селевых потоков изменяются в
широких пределах [3]. Значения расходов наносоводных селевых потоков ливневого
генезиса в большей степени зависят от площади водосбросных поверхностей. В
боковых притоках рек центральной части Илейского Алатау формируются ливневые
наносоводные паводки с максимальными расходами 20-30 м3 /с (III категория), по основным рекам здесь возможно
прохождение наносоводных паводков с расходами 50-200 м3/с (I-II категории).
Наносоводные паводки, с расходом около 90 м3 /с имели место на р.
Талгар, до 180 м3/с – на р. Тургень. На реках Жетысуского Алатау
расходы наносоводных паводков могут быть более значительными. Так, на р.Тентек
зафиксировано прохождение паводков с максимальными расходами 700-900 м3 /с,
р. Усек – до 300 м3 /с. Расходы наносоводных паводков, являющихся
следствием предшествующего прохождения грязекаменных, зависят от величины
последних. Так, при формировании гляциальных грязекаменных селевых потоков в
верховьях реки Есик в 1987 г., на выходе ее из гор отмечались расходы более 150
м3 /с. На р. Каратал в створе г.Талдыкоргана при формировании
грязекаменных селей в бассейне р. Текели расходы могут достигать 300 м3 /с.
Расходы грязекаменных селевых потоков могут достигать значительно больших
(относительно наносоводных паводков) значений. Грязекаменные селевые потоки первой
категории могут иметь расходы более
1000 м3 /с, II-ой категории
- 100-1000 м3 /с, III-ей
категории – 10-100 м3/с.
Более высокие значения расходов свойственны селевым потокам гляциального
генезиса. Так, расход самого крупного в Илейском Алатау ливневого селевого
потока, прошедшего в бассейне р. Малая Алматинка в 1921 г. был оценен в то
время в 500 м3/с, но, вероятно, (с позиций современных воззрений на
процессы селеформирования) превышал 1000 м3/с. Максимальный расход
грязекаменного потока, ливневого генезиса сформировавшегося в 1999 г. в притоке
р.Малой Алматинки - р. Бедельбай был не менее 200 м3/с.
Грязекаменный селевой поток, прошедший по р.Малая Алматинка в результате
прорыва моренного озера в ее верховьях в 1973 г, имел расход в 7000-10000 м3
/с. Максимальный расход грязекаменного потока, возникшего в бассейне
р.Кумбельсу в 1978 г. в створе плотины на р.Большая Алматинка (на выходе из
гор) составлял не менее 3000 м3 /с. Расходы селевых потоков более
1000 м3 /с были при прорывах моренных озер в бассейнах рек Сарканд и
Аксу Жетысуского Алатау в (8 сентября 1982 г., 23 августа 1970г.
соответственно). Расходы селевых потоков изменяются по пути их движения. В
наносоводных селевых ливневых паводках происходит нарастание расходов по пути
движения по мере увеличения водосборной площади и уменьшение - на выходе из
гор. Максимальные расходы грязекаменных потоков имеют место в зоне их
формирования, приуроченной к селевым очагам, и трансформации в селевых руслах.
На конусах выноса расходы селевых потоков значительно уменьшаются. В то же
время грязекаменные селевые потоки могут иметь и небольшие расходные
характеристики. Так, ежегодно (и по несколько раз в год) небольшие
грязекаменные селевые выбросы (с расходом в 10-20 м3/с) формируются
в селевом очаге, расположенном под ледником Ордженикидзе в бассейне р. Левый
Талгар. И даже в крупном селевом очаге Кумбельсу при определенных
обстоятельствах формируются небольшие грязекаменные сели с расходами 50-80 м3/с.
Расходы техногенных селевых потоков зависят от объемов, гидрографов прорывных
паводков и иных характеристик искусственных водохранилищ или иных
гидротехнических сооружений, разрушение которых обуславливает возникновение
этих селей, также грансостава и вовлекаемых при этом в процессы
селеформирования грунтов, морфометрических характеристик зоны их возникновения.
Поскольку объемы искусственных водохранилищ могут значительно превышать таковые
морено-ледниковых озер, расходные и объемные характеристики антропогенных селей
могут значительно превосходить наиболее типичные для природных селевых явлений.
Примером антропогенного может служит селевой поток 28-29 января 1988 г.,
сформировавшийся в результате прорыва накопителя, расположенного в песках
Жаманкум. Максимальный расход селя в долине р. Каскелен составил 1700 м3/с.
Плотность селевой смеси 1900 ± 20 кг/м3. По оценке специалистов
КазНИИМОСКа /134/ в долине р. Каскелен отложилось 32,7 млн. м3
грунта, в Капчагайское водохранилище поступило около 4 млн. м3
твердого стока. В селевом процессе участвовало 36 млн. м3 воды. Очень большие объемы рыхлообломочной
составляющей могут быть перемещенными в результате сейсмогенных селей.
Скорости движения селевых потоков зависят от интенсивности процессов
селеформирования, расходов селеформирующих прорывных паводков, интенсивности
выпадения осадков, плотности формирующихся селей, морфометрических
характеристик пути их следования и изменяются в пределах от 0,1 - до 10 (15)
м/с. Скорости движения наносоводных паводков изменяются в меньших пределах,
максимальные их значения, как правило, не превышают 5 м/с. При этом скорость
наносоводных паводков ливневого генезиса преимущественно составляет 1-3 м/с.
Такие скорости движения наносоводных паводков весеннего периода наблюдаются на
реках центральной части Илейского Алатау (Аксай, Малая Алматинка, Тургень и др)
и на реках Жетысуского Алатау (Усек, Борохудзир и др). С такими скоростями
проходили небольшие наносоводные паводки при медленной сработке временных
моренных озер в бассейне р.Каскелен и Левый Талгар. Такие скорости отмечались
при постселевом паводке в 1993 г. на р. Талгар. Расчет скорости наносоводных
селевых потоков может производиться по формуле В.В Голубцова [4].
,
(1)
где 
- средняя глубина потока; 
- продольный уклон на участке.
Максимальный
расход наносоводного потока определяется простым умножением средней скорости
течения на среднюю площадь поперечного сечения:
.
(2)
Диапазон изменения скоростных характеристик
грязекаменных селевых потоков более широкий. При высокой плотности селевых
потоков скорости могут быть как небольшими (0,5-2 м/с), так и исключительно
высокими (10 м /с и более). Грязекаменные селевые потоки ливневого
генезиса в целом имеют менее высокие скорости движения по сравнению с гляциальными
селями.
Максимальная скорость (около 10 м/с) зафиксирована в
бассейне р. Малая Алматинка в 1973 г., когда селевой поток прошел расстояние в
10 км менее, чем за 20 минут. Скорости в 5-7 м/с были при прохождении селевых
потоков в бассейне р. Есик в 1963 г. В то же время первый вал селевого
потока, сформировавшийся в результате
прорыва моренного озера в бассейне р. Кумбельсу в 1978 г., при очень высокой
плотности селевой массы двигался по руслу р. Большая Алматинка со скоростью не
более 0,5 м/с. Последующие валы селевых потоков здесь проходили со скоростью
около 5 м/с и более. Максимальные скорости селевого потока наблюдаются в зоне
его формирования и транзита, при выходе его в зону отложения скорости
уменьшаются. Так, в верховьях бассейна р. Каскелен при прорыве моренного озера
в 23 июля 1980 г. скорости одного из крупнейших селевых потоков Илейского Алатау достигали 5 -7 м/с,
а при выходе из гор не превышали 3 м/с. Расчет глубины и скорости движения
грязекаменного селевого потока может производиться по формуле Т.С.
Степановой [5]
Поверхностная скорость движения селевого потока
определяется по формуле:
, (3)
где 
, 
- вязкость и
плотность селевой смеси соответственно;
- ускорение силы тяжести; 
- предельное напряжение сдвига смеси;
- гидравлический
радиус потока;
- масштаб турбулентности, который
определяется из выражения
(4)
где С – концентрация твердого вещества в селевой
смеси; 
- шероховатость
русла;
(5)
- диаметр частиц, разграничивающий область
катящихся и взвешенных обломков,
рассчитывается по формуле:
(6)
Средняя скорость потока будет равна 0,8 от
поверхностной. Если число Рейнольдса 
будет меньше
25, то необходимо производить перерасчет скорости потока по формуле скорости
ламинарного течения
.
(7)
Прохождение наносоводных селевых потоков
сопровождается значительным увеличением уровней
(до 3-5 м). Высота селевых валов грязекаменных селей может достигать
10-30м. Так, свидетелями прохождения грязекаменного потока в бассейне р. Есик в
1963г. указывается, что высота одного из валов превышала длину ели,
перемещаемой им на гребне в стоячем состоянии. Высота первой волны селевого
потока в 1973 г. в бассейне р. Малая Алматинка была больше высоты селезащитного
сквозного сооружения (10м), расположенного в русле в районе д/о «Горельник».
Продолжительность селевых явлений определяется суммой времени его
формирования, временем прохождения через зону транзита и отложения, временем
прохождения постселевого паводка. Продолжительность селевого явления зависит от
продолжительности действия селеформирующих факторов и протяженности пути
прохождения потока. Действия селеформирующих факторов в пределах, превышающих
критические для возникновения селей значения, продолжается, как правило, в
течении от нескольких минут до 1-3 часов (критическая для формирования селей
интенсивность внутри дождя редко удерживается более 30-40 минут), расход
прорывного паводка с превышающим критический для формирования селей значением
удерживается, в основном, в течении 0,5-2 часов с последующим истечением
опорожняющегося озера с небольшим расходам. В период превышения
селеформирующими факторами критических значений отмечаются максимальные расходы
селевых потоков, формируется и проходит основной объем селевой массы. Чем
больше значения селеформирующих факторов превышают критические, тем дольше
продолжается процесс селеформирования после прекращения или снижения действия
факторов, обусловивших его возникновение. При действии селеформирующих факторов
со значениями, незначительно превышающими критические, расходы и объемы селевых
потоков резко уменьшаются. При прекращении их действия имеет место медленный
спад расходов до бытовых значений. Продолжительность вторичных селевых явлений
определяется степенью неустойчивости, привнесенной первичным селевым потоком в
морфометрический облик рытвин и долин. Обрушения водонасыщенных бортов селевых
очагов и "подрезанных" склонов долины с формированием селевых валов
могут наблюдаться сразу после основного селевого потока, увеличивая общую
продолжительность его прохождения, либо через некоторые промежутки времени,
формируя самостоятельные селевые потоки различной продолжительности. При
неоднократном возникновении афтерселей с небольшими (до нескольких суток)
промежутками времени между ними, можно говорить от общей продолжительности
селевой ситуации значения, которые к тому же изменяются по пути следования
потоков в соответствии с изменением расходов, плотности, скорости и т.д.
Главным фактором, определяющим негативное воздействие наносоводных селей,
является их эродирующая способность [6]. Именно за счет эрозионного
воздействия, производимого наносоводными паводками на дно и берега русла, в
основном происходят разрушения хозяйственных объектов (строений, мостов и т.д),
изменение траекторий движения в пределах долин, размывы площадей сельскохозяйственного
использования, размыв почв на склонах, вовлечение в поток древесной и
кустарниковой растительности.
Наиболее отрицательные эффекты от прохождения
грязекаменных селей обусловлены динамическим и статическим давлением,
оказываемым ими на препятствия, возникающие на пути движения. Эродирующая
способность грязекаменных селевых потоков играет основную негативную роль в
зонах их формирования.
Определение характеристик воздействия селей на
препятствия можно осуществлять, рассчитывая статистическое и динамическое
воздействия по формуле [7]
Pcm =
gpcH,
(8)
где g - ускорение силы тяжести, равное 9, 81 м/с2
pc- -
плотность селевого потока, кг/м3
Pд = 4,5pcV2ср, (9)
где Vср - средняя скорость селевого потока при подходе к
сооружению.
Значения суммарного (статического и динамического)
воздействия селевых потоков при прохождении максимальных расходов могут
достигать 2 кг/см2 (200 Па), избыточное давление, оказываемое
наносоводными селями изменяется в пределах 1,3-1,5 кг/см2. Именно
избыточное давление может обусловить возникновение вторичных техногенных
селевых потоков вследствие разрушения плотин, дамб и других
инженерно-технических сооружений.
Литература
1
Флейшман С.М. Сели. Москва., 1970. 298 с.
2
Медеуов А.Р., Нурланов М.Т. Селевые явления сейсмоактивных территорий
Казахстана (Проблемы управления). Алматы: Қаржы-Қаражат,
1996. 201 с.
3
Медеу А.Р. Селевые явления Юго-Восточного Казахстана: Основы управления. –
Алматы, 2011. Т. 1. – 284 с.
4
Руководство по изучению селей. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1978. – 230 с.
5
Степанов Б.С., Степанова Т.С. Механика селей. Москва: Гидрометеоиздат, 1991. –
379 с.
6
Таланов Е.А. Селевой риск: теоретические основы и практическая значимость
// Труды международной конференции «Селевые
потоки: катастрофы, риск, прогноз, защита». Пятигорск, 2008. –
С. 74 – 78
7 Руководство по проектированию противоселевых
защитных сооружений. Гидропроект. Москва, 1983.