ПРИЛЕДНИКОВЫХ ОЗЕР БАССЕЙНА Р. БАКСАН
За последние 10 лет в нивально-гляциальном поясе Большого Кавказа многими учеными и исследователями отмечается увеличение случаев катастрофического протекания природных процессов. В этой связи в июле-августе 2003 г. в долине р. Баксан кафедрой геологии и геоморфологии КубГУ проводились экспедиционные работы, основной целью которых являлся анализ современного состояния потенциально опасных приледниковых водоемов и оценка возможности их прорыва. Данные морфометрии и батиметрии прорывоопасных приледниковых озер, приводимые в разных источниках, зачастую противоречивы. По многим водоемам отсутствуют современные кондиционные данные, на основе которых строится прогноз прорывоопасности.
Полевым этапом исследований были охвачены приледниковые озера ледника Башкара, озеро Донгузорункель, озеро Азау. На этих водоемах выполнена тахеометрическая и батиметрическая съемка. Камеральная обработка результатов методически основана на применении геоинформационных систем и технологий, в частности, геоинформационного моделирования. Геоинформационное моделирование прорыва озера включает создание цифровых моделей местности и математическое моделирование, описывающее механизмы прорыва с определением критических параметров и характеристик. Используемые математические модели для указанных приледниковых озер основаны на работах Ю.Б. Виноградова. Им детально разработаны соответствующие математические выражения для приледниковых озер Заилийского Алатау. Цифровая модель района исследований построена на основе топокарт масштаба 1:50000 с использованием ГИС-пакета "Панорама" Map2000 (рис. 1). Контуры озер вместе с плотинными частями обновлены и уточнены по результатам полевых съемок и добавлены в цифровую модель. Материалы съемки озер обработаны в программе SURFER, готовые топографические планы и матрицы высот экспортированы в среду Map2000. Преимуществом использования ГИС в исследованиях озер является возможность унификации разнородных данных для их комплексного анализа и составления среднесрочных прогнозов с расчетом критических значений расходов воды и объемов перемещенного материала. На основе трехмерных моделей выполнено профилирование, определены морфометрические характеристики (площадь, объем озер и др.).
Рис.1
Математическая модель механизма прорыва озера определяется в каждом конкретном случае. Основным критерием выбора той или иной модели является генезис запрудной плотины. В зависимости от генезиса рассчитывается гипотетический сценарий развития прорывного паводка. Сами механизмы зависят от многих факторов и условий, которые можно сгруппировать по нескольким категориям. Обозначим заранее, что в определенных, относительно стабильных или мало меняющихся условиях необходимо сочетание факторов, создающих прорывоопасную ситуацию, или достижение каким-либо одним фактором своего критического значения, которое ведет к необратимости наступления процесса опорожнения водоема. Опорожнение может быть полным или частичным в зависимости от начальных условий, сочетания факторов и характера прохождения прорывной паводковой волны. Опираясь на работу В.А. Керемкулова и Т.Л. Киренской по прогнозированию прорывов моренных озер [6], можно классифицировать исследуемые приледниковые водоемы по степени прорывоопасности и выделить также три категории: прорывоопасные, непрорывоопасные, потенциально прорывоопасные. Приледниковое озеро Башкара - латеральное ледниково-запрудное озеро. Оценка прорывоопасности складывается из анализа состояния моренно-ледникового комплекса, подпрудившего озеро, современных тенденций изменения климата в районе и влияния этих изменений на сток с Башкаринского ледника. В указанной выше классификации это озеро может рассматриваться как прорывоопасное. Площадь озера по нашим данным увеличилась с 53 тыс. м2 в 1986 г. до 66 тыс. м2 в 2003 г. Рост площади наряду с увеличением объемов воды в озере объясняется усиленным притоком талых вод с ледника и очевидно, таянием мертвого льда в котловине. Были проанализированы аэрофотоснимки периода 1985-88 гг., материалы фотодокументальной съемки 1985-2003 гг. и космические снимки со спутника "Landsat-7" и модуля ASTER спутника "Terra" периода 1999-2002 гг.
В результате выявлено увеличение мощности моренно-ледникового комплекса, подпруживающего озеро. Это связано с продвижением тела ледника вдоль правобережной морены вследствие разных скоростей перемещения краевой и осевой частей ледника. Продвижение ледника выражается в интенсивном отсыпании новой береговой морены, большая часть которой отлагается в озеро. Максимальная измеренная нами глубина составила 34,4 м, средняя глубина 8,3 м, объем более 1200 тыс. м3 (рис. 2). Это хорошо согласуется с данными, которые получены в 2002-2003 гг. С.С. Черноморцем и др. [8]. Потенциальный прорывной участок расположен между ледником и береговой мореной по правому борту. А.А. Алейников и др. [1] отмечают образование наледникового водоема, расположенного на оси прорыва, происшедшего в 1960 г. Нами закартированы еще 2 озера, возникших очевидно в одно время с первым, размеры их невелики: 5-10 м в поперечнике, глубина 1-3 м (рис. 3).
Рис.3
Свидетельством нестабильности плотины 1960 г. является прорыв озера через проран в моренно-ледниковой перемычке. Анализе аэрофотоснимков показал, что прорыв мог быть вызван протаиванием внутриледниковых каналов стока, которые ослабили моренно-ледниковую перемычку. Котловина озера на момент прорыва 1960 г. и к моменту выполнения снимка (1965 г.) в значительной степени была заполнена льдом. Рост гидростатического напора озерных вод в 1960 г. наряду с интенсивным протаиванием внутриледниковых каналов привел к нарушению прочности плотины. Не исключен также вариант всплывания глыб льда. Результатом этого стало повышение уровня, смещение части моренно-ледникового комплекса вниз по леднику, образование прорана и спуск части озерных вод вместе с чехлом поверхностной морены. По оценкам И.Б. Сейновой, объем перемещенного материала составил около 1 млн. м3 [7]. На момент обследования при батиметрической съемке косвенных признаков наличия льда в котловине не выявлено, однако, существует вероятность наличия мертвого льда на глубине, превышающей.
Начало формирования каналов стока внутри моренно-ледниковой запруды Башкары возможно в следующих случаях: 1) таяние внутриледниковых туннелей и каналов стока; 2) дренаж, связанный с тектоническими подвижками; 3) деформации льда вследствие различия гидростатического давления между озерными водами и соседней менее плотной ледяной дамбой; 4) развитие трещин, направленных наружу, вследствие комбинации движения льда и гидростатического давления. В традиционных формулах, описывающих развитие и поведение гляциальных селей, как правило, всегда присутствуют три компоненты: выражения, описывающие поведение рыхлообломочной горной породы, поведение воды и характеристики субстрата, среди которых определяющим является уклон поверхности [5]. Определяющими характеристиками рыхлообломочной породы являются
- кг/м3 плотность вещества
- пористость
- объемная влажность
сух и Cсух н/м2 - сухой породы, q и Cq - влажной породы, и C затопленной породы;
° - угол наклона.
Механизм прорыва с указанным типом запрудной плотины достаточно сложен и может включать один или несколько указанных случаев. Как указывает Ю. Б. Виноградов, процесс опорожнения озера, начиная с момента начала истечения воды под ледяной плотиной, будет определяться двумя основными моментами - увеличением площади поперечного сечения каналов стока и падением гидростатического напора по мере сработки объема озерной воды [3]. Расход при прорывном паводке тесно связан с объемом воды в озере:
где h - превышение точки входа в туннель над точкой выхода из него, l - длина туннеля, t - температура воды в озере, W0 - объем воды в озере к моменту прорыва, 0 = 1000 и = 850-910 кг/м3 соответственно плотность воды и льда, g = 9,81 м/с2, с0 - 4190 дж/кг•град - удельная массовая теплоемкость воды, r = 334000 дж/кг - удельная теплота плавления льда, a и m - морфометрические показатели котловины. Коэффициент - оценивается исходя из наилучшего соответствия модели и действительности и тесно связан с длиной туннеля. По профилю вдоль гипотетической линии прорыва установлено, что длина туннеля моренно-ледниковой плотины может составлять 250 м, таким образом, коэффициент равняется приблизительно 2,5 (рис. 4).
Рис.4
Фронтальные приледниковые водоемы у языка Башкаринского ледника имеют меньшие размеры и объемы воды, но также обладают потенциальной возможностью формирования гляциального паводка, о чем говорится в работах Э. Д. Багова и С. С. Черноморца. Э. Д. Багов и др. указывает на возможность обрушения краевых частей ледника Башкара в нижние озера, что теоретически могло бы привести к формированию гляциального селевого паводка [2]. Возможные максимальные величины расходов воды при таком потоке определяются в зависимости от объемов воды в трех озерах, с учетом приблизительной массы обрушившейся части языка. Сравнение результатов тахеометрической съемки 2003 г. с результатами московских исследователей 2000-2001 гг. выявило изменение размеров и объемов озер в сторону увеличения. По нашим данным, суммарная площадь трех озер составляет более 20 тыс. м2, объем около 120 тыс. м3 (рис. 5). Максимальные глубины до 14, 5 м отмечены вдоль главной оси отступания ледника (точки профилей 1 и 3), средняя глубина более 6 м. Плотина, подпруживающая озера, представлена конеч-ной мореной с развитием термокарстовых явлений и форм, сильно размыта во фронтальной части и в целом слабо выражена. Поверхностный озерный сток происходит естественным путем по хорошо разработанным каналам.
Рис.5
Существуют трудности с формализацией математической модели прорыва краевых приледниковых озер Башкары. Существует мнение, что прорыв может быть спровоцирован обрушением больших масс льда или обломочного материала в котловину, что вызовет паводковую волну, которая активизирует сдвиговый процесс и вовлечет в селевой поток моренные образования. Однако, для развития сдвигового процесса необходим также критический уклон поверхности, определяемый из работ Ю. Б. Виноградова [4]:
где * - относительная площадь русла, свободная от валунов и нагромождений; d - высота валунов в русле; B - ширина русла (при условном прямоугольном сечении); k - коэффициент, обратный шероховатости (тем меньше, чем сильнее русло сопротивляется напору потока).
Предполья ледника Башкара имеют выположенную поверхность с участками зандров, уклоны не превышают 5-10°, эти факторы являются сдерживающими для развития сдвигового процесса. Необходимо ежегодное обследование этих водоемов, промеры глубин и суточных расходов в створе нижнего озера для построения графиков расходов и колебаний объема озера в годовом и среднем многолетнем разрезе.
Стоит отметить, что необходимы детальные гидрологические, гляциологические и геоморфологические наблюдения за краевыми частями ледника, т. к. зачастую многие внешние признаки указывают на возможный отрыв части языка и обрушение его в акваторию озера. Процесс деградации ледникового языка Башкары протекает достаточно активно, что подтверждается многими признаками: существование и разрастание наледниковых озер и ванн, увеличение размеров и глубин фронтальных приледниковых озер (рис. 6). Также индикатором нарастания опасности прорыва может быть увеличение расходов в створе озера. Организация стационарных исследований и системы оповещения в случае прорыва является важной задачей с привлечением специалистов соответствующих ведомств.
Рис.6
Приледниковое озеро Азау - типичное латеральное приледниковое озеро, подпруженное рыхлообломочными отложениями боковой морены отступившего ледника Малый Азау. Озеро отнесено к группе прорывоопасных. Последний прорыв водоема произошел в 1979 г, когда в результате резкого подъема уровня воды произошло размывание моренной запруды, и разрушительный поток, насыщаясь рыхлообломочным материалом со склонов, обрушился на ледник Большой Азау. Итогом стал разрушительный сель, сошедший вниз по долине Азау [7]. Из анализа описаний, данных аэрофотосъемки 1985-1987 гг. можно предположить, что механизм прорыва может быть описан сдвиговым процессом, который в ходе развития переходит в транспортно-сдвиговый. Основными факторами, от которых зависит возможность развития транспортно-сдвигового процесса, инициирующего прорыв озера и сход гляциального селя, являются характер и мощность рыхлообломочной породы, глубина относительного водоупора и поверхности возможного сдвига, уклон и условия обводнения. Описание сдвигового процесса производится по формулам, рассмотренными выше. Для механизма транспортно-сдвигового процесса:
где Qc - расход селевой массы; x - относительная объемная влажность моренного материала; g - плотность рыхлообломочных отложений; Q - расход из озера[5].
В результате обработки материалов тахеометрической и батиметрической съемки озера в 2003 г. установлены следующие морфометрические характеристики: площадь около 20 тыс. м2, объем около 70 тыс. м3, средняя глубина 3,5 м, максимальная измеренная глубина 8 м (рис. 7). Присутствие мертвого льда в котловине озера не отмечено. Современный уровень озера практически совпадает с верхней границей моренной запруды. Сток из озера осуществляется через ручей, который далее уходит в эрозионный врез глубиной до 10 м. При повышении уровня озера вероятно усиление боковой и донной эрозии в створе, что может привести к началу прорыва. Фоновое увеличение количества осадков в районе или общее повышение температуры, которое увеличит ледниковый сток - основные факторы, которые могут привести к прорыву озера и сходу гляциального селя, подобно произошедшему в 1979 г. Поэтому анализ тенденций климатических изменений в районе и определение возможного критического стока с ледника является основной задачей при прогнозировании прорыва данного водоема. Представляется обоснованным про-гнозирование критического уровня в зависимости от годового слоя стока с ледника Малый Азау. Необходимо организовать также измерение расходов в створе у озера и на участке ледника, питающем озеро.
Рис.7
Озеро Донгузорун-Кель - приледниковый водоем с относительно стабильным режимом, подпруженный боковой мореной наступающего в настоящее время ледника Донгузорун. Продвижение конца языка ледника вниз по долине отмечено по напорному валу конечной морены. Также наблюдается отсыпание береговой морены, которая частично отлагается в озеро. По результатам тахеометрической и батиметрической съемки площадь озера составляет около 105 тыс. м2, объем около 465 тыс. м3, средняя глубина 4,5 м, максимальная измеренная глубина 14 м. Максимальное значение глубины отмечено в части озера, примыкающей к моренной запруде, что вполне логично с точки зрения строения котловины данного типа. Озеро имеет тенденцию к зарастанию и его северная часть с минимальными глубинами 0,2-0,5 м подвергается интенсивному воздействию речных потоков, приносящих большое количество песчано-глинистого материала (рис. 8).
Рис.8
Таким образом, в долине Баксана имеется 3 очага потенциальной селевой опасности: Башкаринские озера (фронтальные и латеральное озеро Башкара) и озеро Азау. Озеро Донгузорункель прорвоопасным не является. Для прогнозирования возможности прорыва озер небходима организация стационарных наблюдений в летний период с систематическим измерением уровней и расходов.
