Новые результаты моделирования гидравлических характеристик дилювальных потоков из позднечетвертичного Чуйско-курайского ледниково-подпрудного озера

НОВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИЛЮВИАЛЬНЫХ ПОТОКОВ ИЗ ПОЗДНЕЧЕТВЕРТИЧНОГО ЧУЙСКО-КУРАЙСКОГО ЛЕДНИКОВО-ПОДПРУДНОГО ОЗЕРА

А.Н. Рудой, В.А. Земцов

Томский государственный университет, Томск, Россия

ran@mail.tomsknet.ru

С помощью последней версии компьютерной программы HEC-RAS 4.0 выполнена имитация прорыва ледяной плотины и впервые определены гидравлические параметры дилювиальных потоков при неустановившемся режиме движения воды.

An imitation of ice dam breach has been maid on a basis of application of the last version of HEC-RAS 4.0 program. For the first time, hydraulic characteristics of outburst diluvial floods have been estimated for unsteady flow.

Введение

Почти все межгорные котловины Южной Сибири и Северной Монголии становились в ледниковые эпохи плейстоцена ледниково-подпрудными озерами. Вслед за климатическими и гидростатическими изменениям ледниковых плотин заполнения-опорожнения котловинных озер происходили систематически, а сбросы озерных вод были катастрофическими. Сразу за деформациями плотин и сбросом озер, согласно сохраняющимися климатическими условиям, ледники вновь выдвигались в магистральные долины стока и подпруживали котловины. Ледники-плотины, как полагают авторы, возникали за счет сёрджей ледников-притоков в главные долины. Крупнейшие котловинные озера (Чуйское, Курайское, Уймонское, Дархатское и др.) имели объемы в сотни кубических километров, а расходы прорывных паводков - дилювиальных потоков - достигали миллионов кубических километров в секунду. Эти потоки трансформировали долины стока, создавая новые геологические тела, датирование которых показало наличие крупных потопов по долинам рек Чуя и Катунь в интервале 23 - 7 тыс. л.н., в течение которого произошло не менее 5 крупных дилювиальных событий. Суммарный объем воды, одновременно и неоднократно сбрасывавшийся на юг Западной Сибири только из котловин Алтая, составлял до 10 тыс. км3. Все котловины Южной Сибири могли периодически поставлять на север около 60 тыс. км3 паводковых вод. Этот сценарий разрабатывается в рамках теории дилювиального морфолитогенеза, созданной А.Н. Рудым [9]. Эта теория в настоящее время признается подавляющим числом специалистов во всем мире и развивается, по существу, в двух научных направлениях - палеогляциогидрологическом (четвертичная гляциогидрология) и геолого-геоморфологическом. Оба этих направления в настоящее время решают свои специфические задачи, первичные результаты которых обобщены в новейших монографиях ([2, 3, 10, 22] и др.). Одной из главных проблем теории дилювиального морфолитогенеза по-прежнему является корректная реконструкция палеогидравлических характеристик дилювиальных потоков. В настоящее время к моделированию палеогидравлических характеристик дилювиальных потоков приступили специалисты кафедры гидрологии Томского государственного университета под руководством В.А. Земцова.

История проблемы достаточно подробно описана в работах первого автора [10, 11]. Для понимания хода наших новых построений, изложим ее вкратце. Первые определения расходов дилювиальных потоков позднечетвертичного североамериканского озера Миссула для различных участков производились по известной в гидрологии формуле Шези [25]. Полученные величины были огромны: от 2 до 10 млн. м3/с. Тем не менее, неопределенность коэффициента шероховатости русла приводила к значительным неточностям. Позднее В.Р. Бейкер [14] на основании статистического анализа большого количества натурных данных вывел эмпирические зависимости между размерами гряд (высотой и длиной волны) и глубиной и скоростью потоков, в руслах которых эти гряды формировались.

В.Р. Бейкер определил и диапазон условий, в пределах которых справедливы эти взаимоотношения. Согласно зависимостям В.Р. Бейкера, для участка гигантской ряби Платово-Подгорное на 12 - 14-метровой левобережной террасе р. Катунь в предгорьях Алтая были получены средние скорости потока около 16 м/с, глубины около 60 м и расходы воды, с учетом современной морфологии долины, не менее 600 000 м3/с. Участок Платово-Подгорное находится почти в 300 км от возможных мест прорыва. Поток здесь распластывался, его глубины и скорости падали. В горах скорости и глубины потопов были гораздо больше. Для поля дилювиальных дюн и антидюн на участке рр. Малый Яломан - Иня в Центральном Алтае, согласно зависимостям В.Р. Бейкера, были получены глубины потока более 400 м и скорости - около 30 м/с, а расходы, соответственно, - более 1 млн. м3/с [10, 11].

Для оценки расходов дилювиальных потоков при прорывах приледниковых озер часто применяют эмпирические формулы Дж. Клейга и У. Мэтьюза [19] и Дж. Коста [20], в которых предполагается прямая связь между объемами сброшенных озер и расходами йокульлаупов в створах прорыва плотин.

В настоящее время предпочтение отдается формуле Клейга и Мэтьюза, как более точной. В основе этой модели лежит уравнение регрессии, выведенное по результатам наблюдений десяти прорывов современных ледниково-подпрудных озер. Недостаток этой модели (как и других, ей подобных) для целей четвертичной гляциогидрологии заключается в том, что: 1) она не учитывает топографию каналов прорыва и уже на некотором удалении от озерной ванны вниз по долине стока сильно занижает значение расходов воды; 2) зависимость выведена эмпирическим путем для современных приледниковых озер, размеры которых по крайней мере на два порядка меньше четвертичных.

По материалам полевых и картографических работ Алтайской российско-американской экспедиции 1991 г. были выполнены вычисления расходов дилювиальных потоков при прорыве всей Чуйско-Курайской системы четвертичных ледниково-продпрудных озер [15]. В гидрологических расчетах профилей водной поверхности использовалась компьютерная программа НЕС-2 [22]. Ход вычислений основывался на решении уравнения удельной энергии, выведенного из уравнения Бернулли для установившегося плавно изменяющегося течения. Основанием для вычислений были 17 поперечных профилей через долину р. Чуя, выбранных на участке длиной около 18 км приблизительно между “Золотаревской будкой” и пос. Чибит по “новой долине Чуи”. Детальные геометрические данные канала стока по семи профилям были получены из топографических карт масштаба 1 : 25 000.

Вычисленный нами максимальный расход для Чуйско-Курайского йокульлаупа оказался равен 18Ч106 м3/с. Эта оценка превышает таковую для максимального расхода дилювиального потока из ставшего уже хрестоматийным североамериканского озера Миссула, который был оценен в 17 Ч 106 м3/с [24]. Сравнение расходов центрально-азиатских и североамериканских гляциальных суперпаводков представляется вполне корректным, так как для обоих регионов задача решалась по единой методике, а в полевых экспериментах участвовали одни и те же специалисты.

Материалы детальных полевых работ немецких исследователей [22, 23] в целом подтверждают наши данные. При своих вычислениях эти специалисты приняли объем Чуйско-Курайской озерной системы всего в 607 км3 и исходили при этом из абсолютных отметок береговых линий Чуйского и Курайского ледниково-подпрудных озер в 2100 м. Тем не менее, и при минимальных объемах озер Ю. Хергет с коллегами получили очень представительные результаты.

Они проанализировали 85-километровый участок долины р. Чуи до устья. Основанием для вычислений были 244 поперечных профиля, снятые с крупномасштабной топографической карты и с помощью GPS-системы на местности. Высоты поверхностей потоков принимались исходя из отметок береговых дилювиальных валов. Для обработки результатов была использована программа HEC-RAC - Hydrologic Engineering Center of the US Army Corps of Engineers - River Analysis System [17]. По всем профилям были получены расходы потоков в интервале 8 106 м3/с - 12 106 м3/с. Глубины потоков варьировали от 280 до 400 м, а средние скорости течения на разных створах были 9 - 37 м/с. Число Фруда колебалось в соответствие с энергией потока (топографией долины) от 0, 20 до 0, 85. Пик гидрографа стока на субкритическом участке показал расход воды в 20,5 106м3/с при скорости 72 м/с [23], что превышает и данные наших расчетов для Чуйско-Курайской системы озер [15], и данные для оз. Миссула [24].

Основной недостаток этих последних работ заключался в том, что система HEC-RAS и ее предшественники позволяли моделировать только установившийся режим движения воды, будь он спокойным или бурным, что не согласуется с физической природой движения паводка как существенно неустановившегося потока. Поэтому полученные в результате моделирования указанными исследователями гидравлические параметры прорывных паводков, на наш взгляд, нужно рассматривать как весьма приближенные.

Цель работы. Целью работы является, таким образом, компьютерная имитация прорыва ледяной плотины, подпруживающей Чуйско-Курайское ледниково-подпрудное озеро в позднем плейстоцене, и определение гидравлических параметров дилювиального потока при неустановившемся режиме движения воды.

Последняя версия моделирующей системы HEC-RAS 4.0 [30] позволяет моделировать потоки с неустановившимся движением воды, включая собственно паводки, образующиеся при прорыве плотин разного происхождения. При этом возможна имитация разных сценариев разрушения плотины, включая ее мгновенное разрушение при достижении определенного уровня воды в озере и более медленное разрушение в результате фильтрации вводы в теле ледяной плотины.

Методика. Для имитации прорывных паводков Чуйско-Курайского ледниково-подпрудного нами впервые разработана модель неустановившегося движения воды в оболочке HEC-RAS 4.0. Применение такой расчетной схемы для участка водной системы, включающего Чуйскую и Курайскую озерные котловины и долину р. Чуя до места ее слияния с Катунью позволило также впервые имитировать процесс опорожнения Чуйского и Курайского озер в результате разрушения ледниковой плотины.

Расчет неустановившегося движения ведется на основе решения системы уравнений, включающей уравнение неразрывности и уравнение сохранения импульса сил (давления, гравитации и трения). Система «русло - пойма» делится на два отдельных потока, для каждого из которых записываются уравнения неразрывности и сохранения импульса сил, решаемые методом конечных разностей. В HEC-RAS используется схема решения этих уравнений в одномерной постановке, позволяющая получать стабильные результаты [17].

Для расчета неустановившегося движения потока требуется задать граничные и начальные условия. Граничные условия задаются на концах расчетного участка и, при необходимости, внутри него (внутренние граничные условия). В качестве начальных условий предварительно по схеме установившегося движения в программе HEC-RAS вычисляются расходы и уровни воды во всех заданных поперечных сечениях потока перед образованием паводка. При этом все поперечные сечения потока на расчетном участке должны быть заполнены водой.

Авторами разработана модель участка длиной 235 км, включающего Чуйскую, Курайскую котловины и долину р. Чуя. В качестве топографической основы использовалась цифровая модель современного рельефа указанных котловин и долины Чуи до ее впадения в Катунь в форме SRTM-матриц, полученных с космического корабля (http://srtm.csi.cgiar.org). Эти данные позволяют адекватно представить долину Чуи с поймой, но собственно современное русло реки почти не прослеживается. Для создания исходного файла геометрии потока для HEC-RAS 4.0 использовалась программа ГИС ArcView 3.2а и специализированное приложение к ней - HEC-GeoRAS 4.0 [32].

Геометрия потока моделируется путем задания его центральной линии и поперечных сечений с расстояниями между ними. В поперечных сечениях, перпендикулярных центральной линии, задаются границы «мертвых» зон, обычно приуроченных к устьям долин впадающих в главную долину притоков, где скорости основного транзитного течения близки к нулю. Геометрия озерных котловин выше подпруживавшей их дамбы также моделируется посредством задания их поперечных сечений, чтобы расчет неустановившегося движения выполнялся как в пределах самой системы озер, так и в потоке ниже запруды, что точнее имитирует процесс опорожнения озер. Всего по причине сложного рельефа местности потребовалось задание 429 поперечных сечений. Для каждого поперечного сечения коэффициенты шероховатости Маннинга n приняты равными 0,04.

После задания геометрии потока по схеме установившегося движения воды выполняется расчет начальных условий, непосредственно предшествующих моменту возникновения прорывного паводка. Расчет производился для докритического (спокойного) режима движения воды, поэтому граничные условия заданы только для нижнего створа расчетного участка - в виде нормальной глубины при уклоне на нижнем участке Чуи. Постоянный расход во входном створе и на всем протяжении расчетного участка принят равным 5·104 м3/с, чтобы обеспечить «заводнение» долины потоком на всем ее протяжении перед тем, как перейти собственно к расчету распространения паводочной волны. Такую величину расхода можно считать допустимой, так как расходы воды в период прорывного паводка значительно превышают ее более чем на порядок. При вычислении гидравлических характеристик потока при установившемся режиме дополнительно выполнена интерполяция между заданными поперечными сечениями с шагом 200 м.

Исходя из предположения, что ледниковая запруда находилась на р. Чуя в районе с. Акташ, плотина, высотой 2200 м, «установлена» на расстоянии 112 км вверх по течению от устья Чуи (рис. 1). Наиболее неопределенными во всем процессе исследования являются характеристики прорыва дамбы: способ разрушения (в результате перелива воды через гребень или фильтрации по трещинам в теле плотины), форма и размеры прорана, необходимый для его образования период времени, уровень воды в подпрудном озере выше плотины и др. Значения параметров разрушения дамбы наиболее существенно влияют на гидрограф стока ниже дамбы. Однако вниз по течению различия между разными вариантами сглаживаются. На уровни воды заметно влияют также задаваемые значения коэффициентов шероховатости ложа потока. В результате возможна имитация весьма многочисленных вариантов возникновения и распространения прорывного паводка. Авторами имитировался ряд разных вариантов и сценариев прорыва, реалистичность которых оценивалась, исходя из соответствия рассчитанных уровней воды на приустьевом участке р. Чуя меткам высоких вод, опубликованным в [23].

Рис. 1. Трехмерное изображение моделируемого участка в программе HEC-RAS перед разрушением дамбы

Figure 1. 3D image of the study area in the HEC-RAS program just before the dam breach

В качестве одного из наиболее приемлемых вариантов оказалось разрушение плотины в течение 2 часов в результате фильтрации воды по трещинам в теле плотины при начальном уровне воды в озере 2040 м. Максимальные уровни воды на расстоянии 10 км выше по течению от устья Чуи были приняты около 1100 м, что согласуется с положением меток высоких вод. Предельная отметка разрушения дамбы принята равной 1600 м, что примерно на 200 м превышает современные средние отметки дна долины на отрезке блокирования стока.

Согласно расчетам, наблюдается постепенное распластывание паводочной волны вниз по течению со снижением максимальных расходов от 3,5·106 у плотины до 2,5·106 м3/с (рис. 2). Дилювиальный поток прошел по расчетному участку реки приблизительно за 3 суток. При этом произошло практически полное опорожнение озер, динамика которого также хорошо прослеживается по результатам моделирования. Изменение продольного профиля водной поверхности в процессе опорожнения Чуйской и Курайской депрессий хорошо видно на рис. 3, 4 - максимальный подъем уровня воды практически на всем участке р. Чуя ниже плотины достигается примерно через 5 - 6 часов после начала ее разрушения.

Рис. 2. Рассчитанные расходы (пунктирная линия) и уровни воды (сплошная линия) во время паводка на р. Чуя на расстоянии соответственно 10, 50 и 100 км ниже места прорыва

Figure 2. Modeled dynamics of water flow (dashed line) and stage (continuous line) during the Chuja flood at the distance of 10, 50 and 100 km downstream of the ice dam failure

Рис. 3. Рассчитанные профили водной поверхности на участке моделирования через 5 и 10 часов после начала разрушения плотины. По оси абсцисс показано расстояние от места слияния рек Чуя и Катунь, по оси ординат - высотные отметки

Figure 3. Calculated water surface profiles for the modeled reach in 5 and 10 hours after the start of dam breach. The main channel distance is indicated from the confluence of Chuja and Katun rivers

Рис. 4. Рассчитанные профили водной поверхности на участке моделирования через 1 и 2 суток после начала разрушения плотины. По оси абсцисс показано расстояние от места слияния рек Чуя и Катунь, по оси ординат - высотные отметки

Figure 4. Calculated water surface profiles for the modeled reach in 1 and 2 days after the start of dam breach. The main channel distance is indicated from the confluence of Chuja and Katun rivers

Возможная геохронология. Летом 2004 года нами были отобраны образцы на 10Ве-датировки по дилювиальным отложениям Центрального и Юго-Восточного Алтая. Результаты первых анализов по поверхности дилювиальных берм и глыб на «высоких террасах» Катуни показали хорошую сходимость дилювиального события, произошедшего около 15 тыс.л.н. Образцы отбирались с поверхности мусковит-биотитовых гранитоидов. Результаты представлены в табл. 1

Таблица 1

Результаты 10Ве-датирования дилювиальных отложений Центрального Алтая [12]

Независимо и одновременно другая международная группа проанализировала этим же методом дропстоуны на днищах Чуйского и Курайского ледниково-подпрудных озер, а также на отмеченных участках Яломанской котловины [26]. Среднее значение по семи датировкам равно 15800±1800 лет. Как видим, наши датировки совпадают с только что приведенной. Однако указанные исследователи делают вывод о том, что Чуйско-Курайcкая система ледниково-подпрудных озер испытала лишь один прорыв около 15 тыс. лет назад, причем вся вода от этого прорыва катастрофически поступала в Карское море и вызвала его опреснение и изменение температурных характеристик.

Страницы: 1, 2