ОПАСНЫЕ ПРОИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ ВОДНОГО ХАРАКТЕРА В БАССЕЙНЕ р. АЛА-АРЧА

Джумабаев Улан Алмазбекович

Магистрант кафедры “Водные,нефтегазовые ресурсы и геориски”, КГТУ им.И.Раззакова

АЛА-АРЧА ДАРЫЯСЫНЫН БАССЕЙНИНДЕГИ КОРКУНУЧТУУ ЖАРАТЫЛЫШ СУУ ПРОЦЕССТЕРИ

HAZARDOUS ORIGINAL WATER PROCESSES IN THE ALA-ARCHA RIVER BASIN

В работе рассматриваются опасные природные процессы бассейна реки Ала-Арча. Каждый из этих процессов рассматриваются по отдельности.

The work examines dangerous natural processes in the Ala-Archa River basin. Each of these processes is considered separately.

Ключевые слова: озеро, сели, оползни, подтопления, прорыв, сток, морена, бассейн реки.

Keywords: lake, mudflows, landslides, flooding, breakthrough, runoff, moraine, river basin.                    

В результате обследования плотин озер и озерных ванн выявляются критерии, по которым проводится типизация озер и определяется категория их прорывоопасности. На прорывоопасных озерах определяется механизм прорыва и строится его модель, по которой рассчитывается величина расхода прорывного потока. Определение рас­хода прорывного потока является очень важным действием процесса оценки проры­воопасности горных озер, так как от величины расхода во многом зависит возмож­ность трансформации прорывного потока в селевой и размер границ селевого пора­жения.

Категория прорывоопасности озера понятие отражающее состояние устойчиво­сти плотины озера на момент его обследования. В процессе развития озера категория его прорывопасности может изменяться много раз в зависимости от складывающейся ситуации возможности прорыва озера. Первоначально прорывоопасность озер оце­нивалась по трем категориям (наиболее прорывоопасная — первая). Однако в послед­ние 7 лет появилась необходимость ввести еще и четвертую категорию, в которую попадают озера, уже прошедшие в своем развитии прорывоопасную стадию, т.е. они уже прорывались один или несколько раз. Но они еще сохранили возможность накоп­ления в озерных ваннах значительных объемов воды и при соответствующих изме­нениях природных условий (землетрясении, обвалах, оползнях, селевых потоках) могут стать прорывоопасными.

В результате многолетнего мониторинга прорывоопасных озер была раз­работана градация важности критериев по оценке прорывоопасности озера.

1.Критерий переполнения озера. На первом месте в группе главных критериев по оценке прорывоопасности озер стоит критерий, отражающий возможность наполне­ния ванны озера до прорывоопасного предела. Для многих озер, особенно завально­обвальных и завально-селевых этим пределом будет гребень плотинной перемычки, но для еще большего количества озер, особенно моренно-ледникового и морено-ригельного типа, таким пределом является некоторый высокий уровень озера, при котором оно прорывает через подземные каналы стока. На данном этапе изучения  прорывоопасных озер нет способа определения предельного прорывоопасного уровня озера, при котором откроется подземный канал стока и произойдет его прорыв. Однако по тенденции подъема уровня воды в озере можно прогнозировать возможность его прорыва. Если приток и сток озера находятся в обычном режиме развития при открытых подземных каналах стока, то амплитуда колебаний его уровня не превышает отметки обычных годовых колебаний. Превышение максимальной годовой отметки обычного режима означает, что озеро переходит на новый режим – режим переполнения, когда канал стока закупорен, и приток в озеро превышает его сток. В новом режиме прорывоопсность озера быстро нарастает. Через какое-то время уровень озера поднимется до прорывоопасного предела, при котором давление воды озера превысит предел прочности пробки, закупорившей канал стока. Каналы стока откроются, начнется сброс воды из озера (рис. 1).

Рис.1. Подземный канал стока

В про­цессе сброса каналы стока расширяются, расход прорывного потока увеличивается. Озеро прорывает. Озеро, развитие которого находится в режиме переполнения, по степени прорывоопасности соответствует 1-ой категории.

Критерий переполнения озера является универсальным, поскольку отражает прорывоопасность озер всех типов и подтипов, вне зависимости от формы стока из озер: подземного, поверхностного или смешанного.

1. приток в озеро больших объемов воды или селевой массы. В этом случае про­рывоопасная ситуация образуется на озерах с любой формой стока. Примером пере­полнения озер с подземной формой стока может служить прорыв озера Яшилькуль в 1966 году. (Глазырин, 1968). Значительно реже случаются переполнения и последу­ющие прорывы озер с поверхностным стоком. Редкие случаи прорыва таких озер от­личаются особой катастрофичностью. Достаточно вспомнить прорыв озера Иссык в 1963году, когда, это крупное завально-обвальное озеро (его объем составлял 18 млн.м3), имеющее хорошо отлаженный поверхностный сток, было переполнено селе­выми массами, поднявшими уровень озера на 5,5м.
2. закупорка подземных каналов стока. Эта ситуация может сложиться на озерах с подземной или смешанной формой стока. Одним из ярких примеров переполнения такого озера, выше предельного уровня прорывоопасности, с последующим его про­рывом в 1998 году, является озера Аллаудин в долине реки Шахимардан (рис.2).

Рис.2. Сухая ванна после прорыва

Следует указать, что далеко не каждый перелив воды из озера через гребень пло­тинной перемычки заканчивается прорывом озера. В процессе перелива формируется русло перелива. Для прорыва озера необходимо, чтобы из русла перелива образовался прорывной проран. Это возможно при условии, что расход перелива бу­дет достаточно большим, чтобы его эрозионной энергии хватило для размыва отло­жений, слагающих плотинную перемычку. В результате эрозии русло перелива углубляется, расширяется и переходит в прорывной проран. При этом поток перелива трансформируется в прорывной поток. Его расход увеличивается в десятки раз, соот­ветственно многократно возрастает его разрушительная энергия, под действием которой прорывной проран углубляется до уровня дна озера. Ванна озера опорожняется.

2. Критерий формы стока. Вторым в группе главных критериев, после переполнения озера, стоит критерий, отражающий форму стока воды из озера, данном этапе обследования озер это отражение заключается пока только в конста ции типа этой формы: сток из озера может быть подземным, поверхностным или смешанным. В процессе будущих обследований озер потребуется детализация форм стока, оценка их количественными параметрами. Например, для оценки пропускной способности подземных каналов стока можно использовать скорость наполнения озерной ванны, которая определяется через скорость подъема уровня озера при наполнении. Чем выше скорость подъема уровня озера при его наполнении, тем больше прорывоопасность озера.

Если озеро находится в обычном режиме развития, т.е. его переполнение до предела прорывоопасности не наблюдается, то для определения возможности формирования на озере прорывоопасного режима развития в будущем, используется критерий формы стока. Как показывают результаты многолетних изучений горных озер, прорывоопасными в 99% случаев являются озера с подземным стоком.

Следовательно, озера с поверхностным стоком можно отнести к почти непрорывоопасным или относительно прорывоопасным озерам 4-ой категории. Тогда озера с подземным стоком, находящиеся в обычном режиме развития могут иметь либо 2-ю, либо 3-ю категории прорывоопасности. Для уточнения категории необходимо использовать другие критерии, которые уже не будут универсальными для всех типов и подтипов прорывоопасных озер, а будут отражать возможность возникновения про­рывоопасной ситуации на озерах только одного определенного типа и подтипа.

Для уточнения категории прорывоопасности горных озер должны проводиться детальное аэровизуальное и наземное обследование плотин и ванн прорывоопасных озер. При этом решаются следующие задачи:

• определяется устойчивость плотины озера и возможное время её прорыва;
• определяется механизм прорыва озера, строится модель прорыва;
• рассчитывается расход прорывного потока.

В процессе решения вышеперечисленных задач определяется категория проры­воопасности озера, 2-я или 3-я категории, по нескольким критериям, набор которых зависит от типа и подтипа озера (см. табл. 1).

Таблица 1. Критерии категорий прорывоопасности озер различных типов и подтипов.

Более половины прорывов озер, зафиксированных за последние 70 лет, произошли на ледниковых озерах (табл.2.)

Таблица 2. Количество прорывов высокогорных озер

После обследования нескольких десятков  прорывов озер различных типов установлены следующие варианты их механизма:

• подземный – прорыв через подземные каналы стока, наиболее распространенный среди озер всех типов, исключая завальный (около 70% от общего числа прорывов);
• поверхностный, наименне распространенный (около 5%), прорыв через проран на гребне плотинной перемычки. Этим вариантом прорывают озера завального типа и очень редко морено-ледникового, морено-ригельного и моренного типов;
• смешанный, подземно-поверхностный (около 25%), прорыв начинается подземным пуетм, но после обрушения кровли канала стока переходит в поверхностный.

Прорыв озера подземным  путем

При таком механизме прорыва для определения прорывного расхода используется модель разветвленного трубопровода, составленного из относительно коротких труб различного диаметра и шероховатости с многочисленными сужениями, расширениями и поворотами, препятствующими движение потока.

Прорыв озера поверхностным путем

Для прорыва озера поверхностным путем необходимо образование прорана в гребне плотинной перемычки. Причины появления прорана разные: 1) просадка участка гребня плотинной перемычки над подземным каналом стока; 2) размыв пло­тинной перемычки при переливе воды из озера. Прорыв озера поверхностным путем не всегда является продолжением подземного прорыва, но может сформироваться без участия подземных каналов стока; 3) просадки плотины при землетрясении. При по­верхностном прорыве скорость потока не ограничена гидравлическими сопротивле­ниями подземных каналов стока, и поэтому достигает 3-5 м/сек, что способствует усилению эрозионного воздействия на плотину и разрушению последней. Большие скорости потоков, широкие и глубокие прораны стока (под эрозионным воздействием прорывного потока прораны углубляются и расширяются) обуславливают формиро­вание мощных прорывных потоков расходом от нескольких сотен до нескольких ты­сяч кубических метров в секунду.

Прорыв озера по смешанному варианту

Сложный механизм прорыва морено-ледниковых озер по этому варианту изучен еще далеко не достаточно, чтобы можно было однозначно построить гидрограф воз­можного прорыва и определить расход прорывного потока. Однако по уже разрабо­танным моделям прорывов озер морено-ледникового типа можно представить его схему, которая представляет развитие прорывного прорана в 5 этапов:

1) Этап А. Фильтрация воды из озера по зонам трещиноватости в глетчерном ядре и в ледсодержащей морене, и выклинивание воды на внешнем склоне плотины (рис.3. А,Б). Вдоль зоны фильтрации образуется талик, который под действием термокарстовых процессов преобразуется в туннель. Движение воды принимает струйную форму. Продолжительность этапа от нескольких дней до нескольких лет.

2)Этап Б. Развитие внутриледникового туннеля под действием протекающего через него водного потока. Сечение туннеля увеличивается до максимального предела, который определяется прочностью кровли туннеля (рис.3. В). Прдолжительность этапа от нескольких дней до нескольких лет.

3)Этап В. Обрушение кровли туннеля и просадка гребня плотинной перемычки ниже уровня воды в озере. На посадочном участке образуется проран, через который устремляется вода из озера. Продолжительность этапа от долей часа до нескольких часов (рис.3. Г);

4)Этап Г. Расширение и углубление прорана под действием эрозии прорывного потока. По мере увеличения сечения прорана увеличивается расход прорывного по­тока. По своему механизму он близок к поверхностному варианту прорыва озера. Расход прорывного потока на этом этапе достигает своего пика. Его значение опре­деляется по формуле (14). В конце этого этапа гидрограф прорыва переходит с подъ­ема на понижение. Продолжительность этапа 1-3 сутки.

5)Этап Д. Расход прорывного потока начинает уменьшаться, что обуславливается уменьшением скорости эрозии прорана. Продолжительность этапа несколько суток.

Рис.3. Этапы формирования прорывного прорана через плотинную перемычку при возможном прорыве

4.2. Сели

С северного склона Кыргызского хребта стекают реки Ала-Арча, которая пересекает город Бишкек с юга на север

Более опасным является бассейн реки Ала-Арча, где находится 16 высокогорных прорывоопасных озер, из которых к наиболее опасным отнесен селевой очаг Ак-Сай- первая категория, озера второй категории-Адыгене приледниковое(объемом100тыс.м3), группа озер Адыгене и озеро Кашка-Суу; другие озера менее опасны–это группа озер Тез- Тёр, озераТоп-Карагай,Чон-Кёль,Орто-Кёль,Эски-Кёль,Бийик-Кёль,Жаны-Кёль, Кумдуу-Кёль, Тайыз-Кёль, которые отнесены к третьей и четвертой категории опасности.

Водопропускная способность русел этих рек зависит от уклона, ширины и высоты бортов, она значительно снижается, если на пути водотоков встают искусственные препятствия в виде мостов, водораспределительных сооружений, искусственных конструкций. Со временем на отдельных участках русел накапливаются наносы, в виде мусора и мелкообломочного аллювиального материала, что также понижает их водопропускную способность. В результате русло на участках с пониженной водопропускной способностью не может вместить весь речной поток, особенно при паводках, и вода выходит за пределы русла, затапливая прибрежные участки. Количество таких участков зависит от причин формирования паводков.

 4.3. Оползни

К оползне опасным участкам относятся склоны предгорных поднятий Чон-Арык, прилегающих к южным окраинам г. Бишкека. Данные участки относятся к Iи II категории опасности, которые представлены породами неоген-четвертичного        возраста,          покрытыми чехлом      современных пород аллювиально- пролювиального и делювиального генезиса. Наиболее опасными на данном участке являются северные склоны поднятий, прилегающих к населенным пунктам Чон-Арык и Орто-Сай, где активизация оползневых процессов может происходить в многоводные годы. Оползень в селе Орто-Сай шириной в средней части 50 метров, в верхней 25 метров, в нижней части оползень разветвляется на два рукава шириной 15 метрови 10 метров, длиной около100 метров, средней мощностью 4-6 метров, объемом 18тыс.м³, образовался в мае 2002 года. Незначительные подвижки наблюдались до марта 2003 г, с 2003 года оползень находится в стабильном состоянии. Новые подвижки оползня возможны только в очень многоводные годы с обильным выпадением дождей в марте-мае. Для устранения опасности рекомендуется мониторинг участка, террасирование склонов. Образование и активизация оползней наблюдались после сильных продолжительных дождей в апреле-мае 2002 г. и марте-апреле 2003 г.

Новые подвижки оползней возможны после многоводных лет с обильным выпадением осадков, поэтому оползни сохраняют потенциальную опасность.

В целях устранения опасности необходимо проводить мониторинг участков, инженерно-геологическиеисследования с определением границ зоны возможного поражения, запрет строительства в зоне оползневого поражения жилых и хозяйственных объектов, проведение террасирования склонов.

Активизация оползневых процессов может быть связана с атмосферными осадками, повышением сейсмической активности. В связи с тем, что предыдущие годы отличались многочисленными активизациями оползней из-за метеорологических факторов, склоны ослаблены и склонны к активизации при незначительных осадках и сейсмических подвижках.

4.4. Подтопление

Подземные воды на территории г. Бишкек распространены практическиповсеместно. Изменение глубины залегания колеблется от 0 до 100 и более метров. Максимальные глубины залегания подземных вод отмечаются в южной части города, вдоль предгорий, уменьшаясь в северном направлении.

Зона подтопления в городе Бишкек охватывает периферийную часть предгорного шлейфа, образованного конусами выноса рек Аламедин и Ала-Арча и прилегающую к нему с         севера         часть полого-волнистой         равнины.   Образование       этой          зоны           обусловлено суглинистым составом отложений,          слагающих           равнину.              Мощная     толща почти водоупорных суглинков затрудняет движение потока подземных вод со стороны горного обрамления Чуйской впадины к её региональной дрене, руслу реки Чу. Зеркало подземных вод поднимается до уровня поверхностиземли, а высота гидравлического напора превышает этот уровень. Такие гидрогеологические условия обуславливают устойчиво неглубокое залегание подземных вод в северной части города. Площадному выклиниванию подземных вод в этой зоне, и её заболачиванию, препятствует дренирующее действие местной коллекторно-дренажной сети в виде врезов русел рек Аламедин, Ала Арча, многочисленных «карасуу» искусственных дрен, арыков, каналов, а также интенсивное испарение подземных вод на участках неглубокого их залегания. Подтопление грунтовыми водами можно дифференцировать по степени опасности только применительно к конкретным объектам, поскольку разные объекты имеют различные критерии опасности в отношении подтопления.

Участки первого типа подтопления с глубиной залегания 0-0,5 метров. Для них характерно большое поступление воды в водоносные горизонты, как вертикальным (подтоком), так и горизонтальным путем (перетоком), при незначительном оттоке. Такие условия питания и разгрузки обуславливают постоянное высокое стояние подземных вод с амплитудой колебания не более 0,5 метров. Это участки заболачивания.

Участки второго типа подтопления с глубиной залегания менее 1 метра. Приток на таких участках остается весьма значительным, но благодаря более совершенному оттоку уровень воды на этих участках может понижаться до 1,5 метров, а амплитуда колебания может изменяться от 0,5 до 1,5 метров.

Участки подтопления третьего типа с глубиной залегания подземных вод 1-2 метра. При спаденатакихучасткахглубиназалеганияуровняможет достигать 3метров,а амплитуда колебания уровня изменяется от 1 до 2 метров. Для этих участков характерен хороший отток, однако значительное влияниеоказывает подпор БЧК. На участках третьего типа уже не происходит заболачивание, но подземные воды оказывают разрушающее действие на фундаменты домов с неглубоким заложением и угнетающее действие на рост деревьев.

На участках подтопления четвертого типа с глубиной залегания подземных вод 2- 3 метра доминирующее значение в подтоплении играет сток подземных вод. Там, где имеются хорошие условия дренажа (искусственного или естественного), там сток преобладает над притоком и уровень подземных вод здесь может понижаться до 4-5метров, а амплитуда колебания изменяется от 2 до 3 метров. Там, где сток затруднен, вследствие, какой-то причины: отсутствие дрен, препятствие стоку в виде канала БЧК, там колебания уровня подземной воды значительно меньше 1-2 метра, при максимальном снижении уровня до 4 метров. Участки четвертого типа значительно более комфортны для проживания, подтопление ощущается только в отдельные многоводные годы.

В результате обследования плотин озер и озерных ванн были выявлены критерии, по которым проводится типизация озер и определяется категория их прорывоопасности. На прорывоопасных озерах определяется механизм прорыва и строится его модель, по которой рассчитывается величина расхода прорывного потока. Определение рас­хода прорывного потока является очень важным действием процесса оценки проры­воопасности горных озер, так как от величины расхода во многом зависит возмож­ность трансформации прорывного потока в селевой и размер границ селевого пора­жения.

В результате многолетнего мониторинга прорывоопасных озер была раз­работана градация важности критериев по оценке прорывоопасности озера:

• Критерий переполнения озера.
• Критерий формы стока.

От того, насколько рационально будут использоваться водные ресурсы, особенно в условиях прогнозируемого снижения стока рек, зависит жизнеобеспечение миллионов людей, поэтому особенное значение приобретают меры по экономии воды.

Список литературы

1. Анализ возможностей экологической реабилитации реки Ала-Арча в границах города Бишкек. Фонд «Сорос-Кыргызстан», 2021.
2. Водные и гидроэнергетические ресурсы Кыргызстана в условиях изменения климата. Институт водных проблем и гидроэнергетики НАН КР, Бишкек, 2020. 400 стр.
3. Водные ресурсы Кыргызстана на современном этапе. Бишкек: Илим, 2006.
4. Изменение климата Кыргызстана. Фонд «Юнисон», 2011.
5. Книга мониторинга и прогноза чрезвычайных ситуаций. МЧС КР.