Роль экзогенных геоморфологических процессов в формировании природных катастроф

Ливневые селевые потоки носят эпизодический характер. В течение ряда лет могут пройти десятки значительных паводков, и только потом в очень дождливый год случится сель. Бывает, что на реке сели наблюдаются довольно часто. Ведь в любом сравнительно большом селевом бассейне есть много селевых очагов, и ливни накрывают то один, то другой очаг. Так, на реке Баксан три года подряд (1960—1962 гг.) проходили мощные селевые потоки, каждый раз оставляя в долине реки 100—200 тыс. м3 рыхлообломочного материала. В верхней части бассейна Терека по рекам Тери-Дон, Гимра-Дон и другим в очень дождливый 1953 г. прошел ряд мощных грязекаменных и воднокаменных селевых потоков. Добавим также, что сели большей частью, приурочены к вечерним и ночным часам суток. Причина в том, что сильный дневной прогрев воздуха над равнинами приводит к бурному развитию восходящих воздушных потоков и к образованию кучевых облаков, затем ночью воздух охлаждается, и выпадают осадки. Иногда сель провоцируется землетрясением. Яркий тому пример 10-балльное Хантское землетрясение в июле 1949 г. в Средней Азии на стыке Зеравшанского и Алайского хребтов. В разных местах бассейна реки Ярхич (правый приток Вахша) отмечались массовые оползни и обвалы, перегородившие на короткое время горные реки. Вследствие прохождения селя были уничтожены селения Хант, Ярхичкала и другие.

Селеопасны и районы действующих вулканов. Так, например, взрыв вулкана Безымянного на Камчатке 30 марта 1956 г. и оседание больших масс горячего пепла на склонах привело к бурному таянию снега. По реке Сухая Хапица прошел мощный селевой поток. О возможных масштабах подобного рода явления свидетельствует трагический случай, происшедший в Колумбии в конце ноября 1985 г. Вследствие извержения вулкана Руис и последовавшего бурного снеготаяния со склонов гор в долины одновременно устремились десятки мощных селевых потоков. Под толщей грязи и камней оказался погребенным г. Армеро. В той или иной мере пострадали 200 000 человек, погибли и пропали без вести 23 000 человек, полностью разрушено 4500 жилых домов. Общий материальный ущерб превысил 175 млн. долларов.

Понятно, что далеко не все случившиеся сели оказываются зарегистрированными. Ведь многие из них происходят высоко в горах, где почти нет населения. О некоторых из них удается судить по косвенным признакам. Например, утром 29 апреля 1962 г. на реке Пяндж у поселка Чубек уровень воды внезапно понизился на 2 м. Как потом выяснилось при самолетном обследовании, на притоках Пянджа имели место сели. Пяндж в трех местах оказался перегороженным конусами выноса. Уже днем плотины разметало, остались лишь их следы.

Многим горным районам свойственно преобладание того или иного вида селя по составу переносимой твердой массы. Так, в Карпатах чаще всего встречаются воднокаменные селевые потоки сравнительно небольшой мощности. На Северном Кавказе проходят преимущественно грязекаменные потоки. С горных хребтов, окружающих Ферганскую долину в Средней Азии, спускаются, как правило, грязевые потоки.

Существенным является то, что сель в отличие от водного потока движется не непрерывно, а отдельными валами, то почти останавливаясь, то опять ускоряя движение. Это происходит вследствие задержки селевой массы в сужении русла, на крутых поворотах, в местах резкого уменьшения уклона. Если обычно скорость течения селевого потока составляет 2,5—4,0 м/с, то при прорывах заторов она иногда достигает 8—10 м/с; расход воды увеличивается в 3—5 раз. Склонность селевого потока двигаться последовательными валами связана не только с заторами, но также с неодновременным поступлением воды и рыхлого материала из различных очагов, с обрушением породы со склонов и, наконец, с заклиниванием крупных валунов и скальных обломков в сужениях. Именно при прорывах заторов происходят самые значительные деформации русла. Порой основное русло становится неузнаваемым или оказывается полностью занесенным, и вырабатывается новое русло.

Приведем некоторые примеры прохождения разрушительных селевых потоков.

25 мая 1946 г. на реке Гедар в районе г. Еревана прошел исключительный селевой паводок... Наводнение началось в 20 час. 30 мин. по местному времени и стремительной волной прокатилось по улицам центральной и восточной частей Еревана.

Прорвав правобережные укрепленные валы, лавина камня и земли устремилась на кварталы города, сметая и разрушая все на своем пути. Там, где путь потоку преграждали здания, он начисто смывал их или, входя в здание с одной стороны, не изменяя направления, выходил из противоположной стороны, увлекая все содержимое домов.

Смытые на улицах автомашины, деревья и столбы вместе с базальтовыми глыбами устремлялись во дворы и часто застревали в подвалах домов. Стальные рельсы и балки разрушенных мостов искривились самым причудливым образом; булыжный и асфальтовый настил мостовых сдирался и уносился течением.

Своей внезапностью и быстротой подъема волна вначале напоминала катящийся вал из воды и наносов, включая и огромные камни до 1,0—1,5 м в диаметре. По мере движения вдоль улиц волна разбивалась и распластывалась, отлагая камни и более мелкие наносы в затапливаемых улицах и дворах.

Паводок был вызван мощным ливневым дождем, выпавшим в этот день дважды — в середине дня и вечером. Дневной дождь с общей суммой осадков до 20 мм не вызвал паводка в реке Гедар, так как, по-видимому, полностью пошел на напитывание почвы. Второй ливневый дождь, наблюдавшийся после 20 час, выпал на почву, уже насыщенную предшествующим дождем. Он-то и вызвал селевой паводок, приведя в движение насыщенный водой делювий".

Высокогорное озеро Иссык с чистой и прозрачной водой голубовато-зеленого цвета долгое время служило излюбленным местом отдыха жителей г. Алма-Ата. Сюда была проложена автомобильная дорога, на берегах построены гостиница, турбаза, пионерские лагеря. И вот в воскресный день 7 июля 1963 г. озеро перестало существовать. Тот памятный день выдался жарким, около полудня пошел дождик. Внезапно из-за поворота впадающей в озеро реки Иссык выкатился черный грязекаменный вал. Вслед за первым валом прошло еще несколько, но самым большим оказался третий вал. На озере возникли огромные волны, которые наносили каменной перемычке, образующей чашу озера, один удар за другим. В конце концов, перемычка высотой в 50 м была разрушена. Вода из озера бушующим потоком (с расходом до 1000 м3/с) ринулась вниз. Селем оказалась разрушена часть поселка Иссык в 10 км ниже озера. Селевой поток распластался ниже этого поселка в виде конуса выноса длиной 8 км и шириной 2 км. Как потом выяснила специально снаряженная экспедиция, у края ледника в долине реки Жирсай (правый приток реки Иссык) существовало глубокое мореное озеро. Предшествующие селю дни были жаркими. Ледник интенсивно таял. Мореное озеро переполнилось водой, и край морены обрушился. Сель доставил в озеро Иссык около 3 млн. м камней, грязи и леса.

Перенесемся далеко на восток. В 1971 г. с северного склона хребта Хамар-Дабин (южное Прибайкалье) спустились многочисленные селевые потоки. Их причиной послужили обильные ливневые дожди, которые прошли 24—25 июля. В движение была вовлечена не только рыхлая горная порода, но также почвенный слой и высокоствольные деревья. Оказались поврежденными железная дорога на участке Слюдянка-Танхой и ав­томобильная дорога между Иркутском и Читой.

Катастрофические явления селей не имеют точного метода прогнозирования, поэтому, изучение природы селевых потоков, взаимодействие их с искусственными сооружениями, разработка противоселевых мероприятий и научно обоснованных методов прогнозирования являются актуальной задачей.

Решение этой проблемы особое значение приобретает для горных районов страны, где часто наблюдается прохождение катастрофических селевых потоков. Примером тому является Северный Кавказ, где отмечено огромное количество селевых бассейнов. Их общее количество достигает 123, из которых 88 находятся на территории Кабардино-Балкарской Республики. [3].

В наиболее активные годы селепроявлений в Кабардино-Балкарской Республике срабатывало от 20 до 50 селевых бассейнов, что в процентном соотношении составляет 23-57 %. В июле 1983 года сели прошли по 74 бассейнам, что составило 84 %.

Наиболее катастрофическими на территории республики являются селевые потоки, которые проходят в черте города Тырныауза. За все время существования города, было отмечено огромное количество селевых потоков, которые документально отмечались с 1937 года. Но за всю историю города не было отмечено более драматичного селевого потока, чем прошедший в 2000 году. С 18 по 25 июля город был подвержен неоднократным селевым атакам и лоток, частично заполненный сходами еще с 1999 года, не смог выполнить свои защитные функции, в результате чего грязекаменный поток прошел сквозь жилой район. Было полностью разрушено несколько многоэтажных домов, снесен мост, соединяющий дорогу федерального значения. При впадении реки Герхожан-Су, по которой прошел сель, была подпружена другая река - р. Баксан и образовалось огромное озеро, затопившее город на срок более чем на два месяца.

Река Герхожан-Су берет начало на склонах северо-восточной части хребта Адыр-Су с северного склона Кавказского хребта. Наибольшие отметки высот  этого района превышают 4000 м. На высоте свыше 2900 м располагается район высокогорного, гляциально-нивального рельефа - зона вечных снегов и ледников. Здесь происходят активные процессы физического выветривания горных пород. Район высокогорного рельефа без форм ледниковой скульптуры развит в средней части территории бассейна с абсолютными высотами от 1900 до 2900 м. Здесь преобладает резко расчлененный рельеф, крутизна склонов 30-500. Склоны в основном задернованы, хотя и здесь существуют скалистые гребни и каменные россыпи. Относительные превышения гребней над днищами долин колеблются в среднем от 500 до 700 м, достигая иногда 1000 м и более. В нижней части бассейна среднегорный рельеф характеризуется преобладанием округлых гребней и мягких склонов, поросших лесной и кустарниковой растительностью, верхняя граница которой достигает местами 2300 м. Относительные превышения гребней над днищами долин достигает 300-500 м, крутизна склонов 30 -400.

Эти данные показывают необходимость постоянного контроля за экзогенными процессами района, за взаимодействием природной среды и технических сооружений. Для этого следует оценить современное геоэкологическое состояние района и разработать программу мониторинга селевых процессов, на основании которых необходимо искать результативные способы прогнозирования.

По заблаговременности предсказания прогнозы подразделяют на сверхдолгосрочные (до 100 лет), долгосрочные (10-15 лет), и краткосрочные.

Общая технологическая схема составления долговременных региональных прогнозов заключается в следующем. На основе анализа временных рядов проявления экзогенных геологических процессов и факторов, их обусловливающих, выявляются закономерности развития селей во времени и пространстве. Затем проводится районирование территории по режиму активизации селевых процессов с выделением  временных зон. Под временной зоной понимается территория, которая характеризуется одинаковым режимом изменения быстроизменяющихся факторов, определяющих развитие селевых процессов.

Одним из недостатков долгосрочного прогнозирования является отсутствие привязки к конкретным селеопасным бассейнам. Поэтому обратимся к возможностям эмпирико-регионального подхода, который основывается на экспертном анализе сведений, получаемых путем мониторинга изменений природной среды центральной части Главного Кавказского хребта - высокогорного бассейна р. Баксан. Цель прогноза – выявление периодов селевой активности для конкретного бассейна, что имеет практическое значение при освоении селеопасной территории.

Новизной данной работы является районирование территории Кабардино-Балкар-ской Республики на области, районы и участки, наиболее пораженные селевыми процессами. По особенностям геоморфологических условий регионы подразделяются на инженерно-геологические области, а области по особенностям геологического строения, на инженерно-геологические районы. В пределах районов по совокупности и интенсивности проявления селевых процессов выделяют участки. Участок - это основная таксономическая единица, для которой дается количественная оценка пораженности селевыми процессами.

Для каждого инженерно-геологического участка во временной зоне дается долговременный прогноз селевых процессов. Долговременные прогнозы селей составляются для бассейна в целом, либо для отдельных селевых очагов. При долгосрочных прогнозах селей может быть использован межселевой интервал, под которым понимается время между прохождением селей в одном и том же водотоке.

Продолжительность межселевых интервалов изменяется - она меньше в периоды сильной активизации селевых процессов в данном регионе и больше в периоды слабой активизации [4].

На базе картографической модели районирования, составляются краткосрочные или оперативные прогнозы. При составлении таких прогнозов большую роль играет анализ состояния компонентов, определяющих развитие селевого процесса (прочностных и деформационных свойств горных пород на склоне), гидрометеорологических условий. Основными признаками формирования селевых потоков в очагах, связанных с современными ледниками, являются устойчивые длительные повышения температуры в высокогорных областях и высокое положение нулевой изотермы. В высокогорной зоне Центрального Кавказа, действует сложный комплекс гляциальных и ливневых факторов обводнения, сложившийся к настоящему времени в связи с потеплением климата и длительным отступанием ледников [1].

Момент зарождения селя определяется термодинамическими параметрами ливня, включающими в себя [2]:

1. Суточное количество осадков, мм

                                   86>X>Xкр,                          где  Xкр = 20 мм.

2. Температуру воздуха в день с осадками, 0С

                                   14>t >tкр,                             где  tкр=90.

3.  Максимальную интенсивность ливня, мм/мин:

                                   0,5>imax>imax кр,         где imax кр =  0,1 мм. 

Ливень служит импульсом к сходу высокогорных селей в условиях, когда рыхлые массы на склонах готовы к подвижкам. К состоянию предельного равновесия рыхлого материала на склонах приводит переувлажнение его за счет талых и дождевых вод. Это достигается при следующих значениях температурного режима погоды:

4. Набор положительных температур от даты устойчивого перехода температуры через 0 к дате с интенсивным ливнем, 0С

                        1380 > Q>Qкр,             где  Qкр = 6700С.

5.  Сумме осадков за тот же период времени, мм

                         450 > W>Wкр,,                   где  Wкр = 180 мм.

6.  Сумме суточных температур за 6 дней до схода селя, 0С

                         99 > ∑t >∑tкр,                    где  ∑tкр = 700С.                                                   

Для зарождения селя необходимо, чтобы все шесть факторов (xкр,tкр, imax кр, ∑tкр, Qкр, Wкр) достигли критического уровня или превысили его к единому моменту времени.

Для повышения оправдываемости оперативного прогноза строится модельная функция F, характеризующая состояние равновесия материала на поверхности склона, так что при превышении некоторого критического значения Fкр происходит нарастающий процесс схода селя, причем тем более вероятный и активный, чем больше величина (F-Fкр)