Новые результаты моделирования гидравлических характеристик дилювиальных потоков из позднечетвертичного Чуйско-Курайского ледниково-подпрудного озера
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 18×106 м3/с. Эта оценка превышает таковую для максимального расхода дилювиального потока из ставшего уже хрестоматийным североамериканского озера Миссула, который был оценен в 17 × 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. Дляобработкирезультатовбылаиспользованапрограмма 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].