Методика расчета наибольших расходов взвешенных наносов грязевых селей и паводков (на примере рек Ленкаранской природной области)

Для разработки селезащитных мероприятий, проектирования гидротехнических сооружений, защиты хозяйственных объектов и населенных пунктов от паводков переходящих в селевые потоки необходим детальный анализ влияния основных природных факторов. Своеобразие природы исследуемой территории усиливает актуальность рассматриваемого вопроса.

Территория характеризуется значительным вертикальным расчленением рельефа с параллельным и ступенчатым расположением хребтов и межгорных котловин [1; 7]. Буроварский, Пештасарский и Талы-шинский хребты, составляющие основу горной страны, образуют своеобразную ступенчатость рельефа с умеренновлажным субтропическим климатом. Эти признаки создают условия для прохождения паводков с малым количеством наносов, а также способствуют формированию начальной стадии грязевых селей.

Наряду с этим, переход наибольших расходов взвешенных наносов в сели довольно специфично характеризуется по высотным поясам. Высотные пояса рельефа в своей последовательности влияют на изменение климата, водный режим и тип питания рек, литологический комплекс обнажающихся пород, почвеннорастительный покров и другие факторы, представляющие собой главнейшие условия формирования наибольших расходов взвешенных наносов.

Исследуемая территория характеризуется двумя вертикальными поясами в силу отсутствия высокогорий. Среднегорья представляют собой систему складчатых гор высотой до 2493 м, переходящих в низкогорья, а далее в прибрежную Ленка-ранскую низменность.

Среднегорный пояс в литологическом отношении представлен вулканогенноосадочными породами третичного возраста, а низкогорья покрыты четвертичными отложениями.

Растительность низкогорий и равнин представлена лесным покровом. Это способствует формированию достаточно мощного почвенного покрова, а также интенсивности органического выветривания.

Роль климата данной территории на формирование стока воды рассматривалась рядом исследователей [9; 10]. Авторы [9; 10] в результате всестороннего анализа пришли к выводу, что помимо климатических параметров, на формирование наибольших расходов воды определенное влияние оказывает и ряд других факторов. Наши исследования показывают, что помимо влияния параметров на формирование наибольших расходов воды, они также должны оказывать существенное влияние на формирование наибольших расходов взвешенных наносов.

Цель исследования

Изучение зависимости наибольших расходов взвешенных наносов от влияния комплекса физико-географических факторов для разработки методики расчета наибольших расходов взвешенных наносов.

Задачи исследования

Задачами исследования является анализ обработки стационарных данных наибольших расходов взвешенных наносов и установление определяющих факторов необходимых при разработке методики расчета грязевых селей.

Исходные данные

Материалами для исследования послужили данные стационарных наблюдений над наибольшими расходами взвешенных наносов и воды, проводимые Департаментом Гидрометеорологии при Министерстве Природных Ресурсов Азербайджанской Республики до 2000 года, а также результаты экспедиционных исследований авторов в последние годы.

Методика исследования

В соответствии с целью и задачами, в статье обобщены результаты обработки многолетних стационарных наблюдений над наибольшими расходами взвешенных наносов и воды. Ведущая роль принадлежит эмпирическим методам, основанным на построении и анализе генетических зависимостей наибольших расходов взвешенных наносов грязевых селевых пото- ков. Общая площадь селевых очагов Ви-лашчай, Ленкаранчай и Тэнгэруд составляет 11-72 км2, а до конуса выноса 6.48.1 км2. Коэффициент нарушения речных водосборов селей для территории Ленка-ранской природной области составляет 0.06-0.08 [6].

В Ленкаранской природной области влияние физико-географических факторов на наибольший расход взвешенных наносов проявляется особенно во время весенних паводков по сравнению с другими сезонами. Для этого необходимо было обобщение и анализ стационарных данных над наибольшими расходами взвешенных наносов и на их влияние природных факторов в отдельности. Природные факторы находятся в тесной взаимосвязи между собой и взимообусловлены, так как селевые явления являются в известной степени, как бы зеркалом, отражающим влияние основных природных и антропогенных факторов. В связи с этим в отдельных бассейнах любой территории селевые потоки проявляются с разной мощностью.

Ряд исследователей предприняли попытку установить зависимость между наибольшими расходами взвешенных наносов и воды с основными природными факторами. В этом отношении можно отметить работы авторов [2-4; 12; 13].

Проведенные исследования показывают, что при определении наибольшего расхода взвешенных наносов исследуемых рек вышеуказанные параметры хорошо и специфично отражают изменение водноэрозионных процессов.

В исследовании установлено, что в Ленкаранской природной области наибольший расход взвешенных наносов рек увеличивается со средней высоты. Вследствие отсутствия здесь пояса высокогорья, территория относится к среднегорному и низкогорному рельефу, представляет собой систему складчатых гор высотой до 2493 м, сложенных в основном третичными отложениями [1; 7]. Развитие рельефа этой области происходит в своеобразных климатических условиях, при которых в среднем поясе преобладает сухой климат, а в низкогорье-наоборот, влажный субтропический. Вследствие обилия атмосфер- ных осадков (более 1700-1800 мм), Ленка-ранская природная область отличается густой речной сетью. Поэтому для рек характерно преобладание дождевого питания с сопровождением паводкового режима. В процессе прохождения наибольших расходов взвешенных наносов решающее значение оказывает наибольший расход воды, так как величина наибольших расходов взвешенных наносов закономерно увеличивается с увеличением воды.

При увеличении наибольших расходов взвешенных наносов наряду с наибольшими расходами воды важную роль играет площадь водосбора. При возрастании площади водосбора сток взвешенных наносов также увеличивается. В горных условиях, где процессы интенсивности смыва подчинены закону вертикальной поясности, необходимо учитывать и влияние высоты местности. Это позволяет более обстоятельно анализировать условия формирования наибольших расходов взвешенных наносов в различных высотных ландшафтных поясах.

Кроме указанных морфометрических показателей водосбора и закономерностей, на наибольшие расходы взвешенных наносов значительное влияние оказывают климатические условия. В рассматриваемом районе в основном климат характеризуется сырым и прохладным летом.

Исключительное разнообразие в распределении метеорологических элементов, в частности температуры воздуха, атмосферных осадков, обусловлено взаимодействием сложных локальных физикогеографических условий. Обильное выпадение осадков в районе Талыша обусловлено близостью Каспийского моря, круговым окаймлением горного кольца из Та-лышского хребта. Такое расположение горных систем и близости моря при вторжении с севера, севера-востока и востока относительно холодных воздушных масс приводит к выпадению атмосферных осадков, достаточных для осадкообразования рассматриваемой территории. Вследствие обилия атмосферных осадков (более 1700 мм и выше) Ленкаранская природная область отличается речной сетью. Для рек характерно преобладание дождевого питания и паводковый режим.

По территории среднегодовая температура воздуха составляет 14.10 С, температура января 00-3.10 С, а июля и августа 19.70-25.70 С [5]. Зима суровая, а лето прохладное. Годовое количество атмосферных осадков изменяется в пределах на высоте 200 м 1430-1500 мм, в 600 м – 1680 мм а в 1500 м оно уменьшается до 1200 мм, а выше 2000-2400 м – понижается до 200300 мм. За теплое полугодие (апрель-сентябрь) количество осадков составляет в области Талыша 500 мм и более, в южной части, Астаринском районе, меньше. Наоборот, в холодное полугодие в области Талыша составляет 1000 мм и более в южной предгорной части. Таким образом, наибольшее количество осадков за холодное полугодие приходится на область Та-лыша, причем значительно превосходит все остальные области рассматреваемой территории. Здесь наибольшее количество осадков выпадает в холодное полугодие [14]. Растительность представлена лесным покровом, почвенный покров хорошо развит.

Таким образом, все вышеуказанные условия в совокупности способствуют для создания благоприятных условий химического и органического, отчасти физического выветривания горных пород исследуемой территории [11]. В целом, изменения величины наибольших расходов взвешенных наносов определяются природными факторами.

В этом отношении более детальный подход для расчета наибольших расходов взвешенных наносов рек Большого Кавказа был сделан Дж. Г. Мамедовым [8]. Разработанные автором методики расчета наибольших расходов взвешенных наносов рек, хотя хорошо отражают локальность территории Большого Кавказа, а их приминение для рек Ленкаранской природной области дает значительные ошибки из-за сильно отличающихся физикогеографических факторов.

Поэтому возникла необходимость разработки методики расчета наибольшего расхода взвешенных наносов рек Ленка-ранской природной области. Для этого не- обходимо было обобщение и анализ стационарных данных над наибольшими расходами взвешенных наносов и влияние на них природных факторов в отдельности (таблица 1).

Таблица 1. Многолетний наибольший расход взвешенных наносов и воды

№ п/п	Река-пункт	Площадь водосбора, F,км2	Наибольший		Отношение
					под-з. стока к повер. φ	средней высоты к площади водосбора Ψ
			расход воды, Q max, м 3 /с	расход взв. наносов, R max. кг/с
1.	Геоктепе-с.Гаджыджавадлы	126	132	8.7	0.27	0.021
2.	Виляшчай-пгт. Ярдымлы	312	78.5	230	0.52	0.091
3.	Виляшчай-с. Шыхлар	785	396	1000	0.37	0.042
4..	Кюрекчичай-с. Кюрекчи	9.98	2.78	3.4	0.33	0.573
5.	Шаратук-с. Текдам	236	63	46	0.33	0.078
6.	Маталачай-с. Халфалар	79.4	132	120	0.28	0.064
7.	Боладычай-с. Дырьян	60.5	152	19	0.32	0.063
8.	Лекаранчай-с. Сифидор	893	505	2000	0.41	0.043
9	Ленкаранчай-г. Ленкаран	1040	1070	380	0.41	0.038
10.	Сияку-с. Сияку	45.2	20	3.4	0.37	0.070
11.	Истисучай-с. Алаша	60	98.5	190	0.37	0.075

Наряду с этим, для правильного расчета наибольших расходов взвешенных наносов, необходимо учитывать комплекс параметров влияющих факторов.

Рисунок. Зависимость наибольших взвешенных наносов Rmax. от комплекса Qmax•Н /√F φ для рек Ленкаранской природной области: I. Для рек междуречье Геоктепе-Маталачай ; II.для рек Боладычай-

Ленкаранчай; III.Ленкаранчай-Истисучай

Для этого необходимо было обобщить материалы стационарных данных наибольших расходов взвешенных наносов Ленкаранской природной области по 2002 г. (таблица 2).

Сказанное подтверждается полученной зависимостью между наибольшими расходами взвешенных наносов и комплексом. Как и ожидалось, наблюдается общая тен- денция увеличения наибольших расходов воды с комплексом параметров (рис.).

Учитывая вышеизложенное, рекомендуем метод расчета наибольшего расхода взвешенных наносов с учетом зависимости от наибольшего расхода воды( Q, м3/c), площади водосбора (F, км2), естественной зарегулированности стока рек (φ) и средней высоты водосбора (Н,м). Выявлено, что с увеличением наибольшего расхода воды, средняя высота водосбора, наибольший расход взвешенных наносов возрастают, а площадь водосбора и естественная зарегулированность стока рек уменьшается. Отрицательные воздействия площади водосбора объясняются занимаемой лесистостью водосбора. Поэтому необходимо было установление значения наибольших расходов взвешенных наносов. Это послужило основой для анализа закономерностей территориального распределения стока наносов. Наряду со значительным разнообразием наибольших расходов взвешенных наносов существует тесная взаимосвязь между ними и природными факторами.

Такими морфометрическими элемента- ми, на взгляд автора, являются Qmax

-

наибольший расход воды, м3/с, F-площадь водосбора, км2, φ-естественная зарегули-ванность стока рек (т.е.отношение подземного стока к поверхностному), Н-средняя высота водосбора, м.

Исходя из этого положения, с учетом теории размерностей, получена формула для расчета наибольшего расхода взвешенных наносов:

/л н\^п р — ь I ^^тахП 1 ^тах =

√ где – Rmax – наибольший расход взвешенных наносов, кг/с; Qmax – наибольший расход воды, м3/с; F – площадь водосбора, км2, φ-естественная зарегуливанность стока рек, Н – средняя высота водосбора, м.

Весьма специфические гидрологические, а также геолого-геоморфологические условия и его горизонтальные и верти- кальные дифференциации склонов гор с различной экспозицией, позволяют выделить зависимость в виде 3-х уравнений.

На графике линии связи расположены параллельно, поэтому значение показателей степени для групп рек Геоктепе-Маталачай и Боладычай-Ленкаранчай составляет n=2.125, а Ленкаранчай-Истисучай n=2.26. Таким же условиям соответствует коэффициент “К”. Итак, для указанных групп рек “К” соответственно составляет 15.554; 1.126 и 16.154. Полученные уравнения для разных регионов объясняются разнообразием физикогеографических условий территорий. Построенная зависимость между наибольшими расходами взвешенных наносов и комплексом условий Ленкаранской природной области свидетельствует о существовании довольно четкой связи между указанными величинами.

По разработанной методике расчета наибольших расходов взвешенных наносов, полученные связи для различных групп речных бассейнов приняли нижеследуюшие формулы:

для междуречья Геоктепе-Маталачай н\2․23

^тах = 15․554 (1) √ для     междунечья

Ленкаранчай

Боладычай-

=

1․126

2․125

для    междуречья    Ленкаранчай-

Истисучай н\2․26

п =        I Vmaxⁿ \     /о\

^тах = 16․154             (3)

√

Расчеты по рекомендуемым формулам даются в таблице 2.

Таблица 2. Значения наибольших расходов взвешенных наносов рек

№ п/п	Река – пункт	Комплекс Q•Н /√F•φ	Наибольший расход взв.наносов		Отклонение в %
			R max. факт.	R max. расч.
1.	Гектепе-с. Гаджиджавадлы	0.731	8.7 1	7.7	-11
2.	Вилашчай-пгт. Ярдымлы	3.72	230 1	290	+26
3.	Вилашчай-с. Шыхлар	6.17	1000 1	900	-10
4..	Кюракчичай-с. Кюракчи	0.53	3.4 1	3.8	+12
5.	Шаратук -с. Текдам	1.62	46 1	46	0
6.	Маталачай-с. Халфалар	2.37	120 1	110	-8
7.	Боладычай-с. Дырьян	3.06	19 2	14	-27
8.	Ленкаранчай-г. Ленкаран	16.5	380 2	490	+28
9.	Ленкаранчай-с. Сифидор	8.90	2000 3	2300	+15
10.	Сияку-с. Сияку	0.52	3.4 3	3.6	+8
11.	Истисучай-с. Алаша	2.73	190 3	160	-16

Расчеты по принятым значениям “К”, на основании полученного уравнения показали, что отклонения вычисленных значений наибольшего расхода взвешенных наносов от фактического вполне допустимы, т.е. они не превышают ±28% (таблица 2). Таким образом, предлагаемая формула универсальна и может быть использована для оценки наибольших расходов взвешенных наносов неизученных рек Ленка-ранской природной области.

Анализ стационарных данных, и на их основе построенные графики связи, позволили сделать некоторые выводы о закономерности развития и распределения грязевых селей.

Выводы

• 1.    Предлагаемая методика, в зависимости от основных природных факторов, позволяет получать удовлетворительные ре-

• зультаты лишь для горных рек Ленкаран-ской природной области.

• 2.    Установленные закономерности между наибольшими расходами взвешенных наносов и комплексом должны рассматриваться как один из вопросов дальнейших натурных наблюдений и детального изучения в будущем.

• 3.    Высокий уровень решения вопроса возможен совместными усилиями соответствующих научно-исследовательских учреждений при широком участии производственных организаций, расположенных в Ленкаранской природной области.

• 4.    Ввиду сложности селевых потоков нельзя предложить окончательные зависимости. Вопрос требует дальнейшей разработки, тщательного анализа имеющихся и накопления новых данных.