Автореферат Яфязова Р.К.


УДК 551.311.551.4                                                                     На правах рукописи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЯФЯЗОВА РОЗА КАЙЮМОВНА

 

 

 

Оценка селевой активности и прогнозирование ее изменения

в условиях глобального потепления климата

 

 

 

 

05.26.02 – Безопасность в чрезвычайных ситуациях

 

 

 

 

 

 

Автореферат

 

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

 

 

 

 

 

 

Республика Казахстан

Алматы, 2009


Работа выполнена в Департаменте развития методов прогнозирования и экологических исследований РГП «Казгидромет» Министерства охраны окружающей среды Республики Казахстан

 

Научный консультант:                     

доктор географических наук, профессор

Б.С. Степанов

 

 

Официальные оппоненты:               

доктор технических наук, профессор

Ж.К. Касымбеков

 

 

 

доктор технических наук

М.Б. Кошумбаев

 

 

 

доктор технических наук, профессор

Э.П. Исаенко

 

 

Ведущая организация:                      

Институт горного дела им. Д.А. Кунаева

 

 

Защита диссертации состоится «30» июня 2009 г. в 14.30 часов на заседании диссертационного совета Д 14.61.25 при Казахском национальном техническом университете им. К.И. Сатпаева по адресу: 050013, г. Алматы, ул. К.И. Сатпаева, 22 в конференц-зале НК (1 этаж)

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского национального технического университета им. К.И. Сатпаева

 

Автореферат разослан  « 29 »  мая 2009 г.

 

 

 

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор                                               М.Т. Жараспаев


ВВЕДЕНИЕ

Общая характеристика работы. Законом Республики Казахстан от 5 июля 1996 г. №19 «О чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера» и «Концепцией экологической безопасности», одобренной Указом Президента Республики Казахстан от 03 декабря 2003 г. №1241 установлено, что целью государственной политики в области экологической безопасности является обеспечение защищенности природных систем, жизненно важных интересов общества и прав личности от угроз, возникающих в результате антропогенных и природных воздействий на окружающую среду. Результаты исследований, выполняемых в рамках НИР «Оценка современного изменения регионального климата, а также уязвимости и возможностей адаптации к изменению климата экологических систем и климатозависимых отраслей экономики, разработка сценариев изменения регионального климата при увеличении концентрации углекислого газа в атмосфере», по заданию Министерства охраны окружающей среды РК, свидетельствуют о значительных климатических изменениях в Казахстане. За последние 110 лет температура воздуха повысилась на 1,5 ºС. Это в 2,5 раза превышает величину глобального потепления. Осреднение 5 сценариев изменения регионального климата показало, что к 2050 г. можно ожидать увеличения температуры воздуха на 2,8 ºС, причем по 3 из 5 моделей максимальный рост температуры ожидается летом. При таком сценарии изменения температуры воздуха неизбежны: практически полная дегляциация северного склона Илейского Алатау, многократное увеличение селевой активности, опустынивание низкогорной зоны Илейского Алатау.

При непринятии превентивных мер населенные пункты, расположенные на предгорной равнине, будут разрушены и занесены многометровой толщей селевых отложений, хозяйственная деятельность в междуречьях (на землях наиболее благоприятных для производства сельскохозяйственных культур) парализована. В такой ситуации проблема защиты от селей приобретает для Республики Казахстан общенациональное значение.

Актуальность проблемы обусловлена практически полным отсутствием научно обоснованных методов прогноза селевой активности в горных районах на периоды времени, соизмеримые со сроком эксплуатации селезащитных сооружений (сотни лет); несоответствием степени защищенности населенных пунктов селевой угрозе даже в условиях современного климата; большими масштабами и высокой стоимостью предстоящих работ по предотвращению опустынивания и сохранения биоразнообразия в горных районах, без проведения которых будет невозможно дальнейшее устойчивое развитие Казахстана в целом. Для оптимизации этих работ необходима оценка состояния защищенности территорий от селей как в условиях современного климата, так и на ближайшую перспективу – 50–100 лет.

Объект и предмет исследования. Объект исследования – сели дождевого и гляциального генезисов. Предмет исследования – селевая активность.

Цель работы – разработать метод сверхдолгосрочного прогноза селевой активности и на его основе дать рекомендации по уменьшению ущерба, наносимого селями, в условиях резкого увеличения селевой активности в 21 веке. В соответствии с целью работы поставлены следующие задачи:

         Разработать метод определения генезиса конуса выноса.

         Разработать метод оценки относительной селевой активности речных бассейнов.

         Разработать метод оценки изменения селевой активности от климата.

         Дать прогноз изменения селевой активности гляциального и дождевого генезиса на северном склоне Илейского Алатау в 21 веке.

         Оценить степень современной защищенности от селей населенных пунктов, расположенных на конусах выноса основных рек северного склона Илейского Алатау.

         Разработать рекомендации по снижению ущерба, наносимого селями, при увеличении их активности в ходе потепления климата.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

         Результаты анализа изменения характеристик факторов, определявших селевую активность на северном склоне Илейского Алатау в плейстоцене и голоцене.

         Метод определения относительной селевой активности речных бассейнов Илейского Алатау.

         Результаты оценки изменения селевой активности, обусловленной потеплением климата в Казахстане в 21 веке.

         Механизм зарождения селей дождевого генезиса в высокогорной зоне.

         Способ оценки адекватности емкости селехранилищ существующим и потенциальным угрозам.

         Результаты оценки степени защищенности населенных пунктов, расположенных на конусах выноса северного склона Илейского Алатау, от воздействия селей.

         Рекомендации по увеличению степени защищенности от селей в условиях потепления климата.

Научная новизна заключается в следующем:

1        Заложены основы нового научного направления в селеведении – палеоселеведения, изучающего селевую активность прошлых геологических эпох с выяснением истории зарождения и развития селей в различных климатических условиях.

2        Разработана методология сверхдолгосрочного прогнозирования селевой активности на основе геоморфологических и геологических данных, а также климата прошлого и прогнозируемого, позволяющая, при принятии своевременных адекватных мер, обеспечить безопасность в условиях изменяющегося климата.

3        Установлено, что увеличение селевой активности в 21 веке будет обусловлено главным образом выпадением жидких осадков в высокогорной зоне, т.е. там, где в настоящее время осадки выпадают в твердом виде (град, снежная крупа, снег). Дан сверхдолгосрочный прогноз изменения селевой активности дождевого генезиса на северном склоне Илейского Алатау.

4        Выявлен основной механизм зарождения селей дождевого генезиса в высокогорной зоне, позволяющий оценить вероятность селеобразования в рытвинах при различных значениях интенсивности и слоя выпадающих жидких осадков, а также определен потенциальный объем рыхлообломочных пород, способных принять участие в начальной фазе селеобразования.

5        Разработана математическая модель, описывающая уравнительную поверхность селевых отложений в селехранилище и позволяющая определить их емкость и, следовательно, степень защищенности нижерасположенных объектов в условиях современного климата.

6        Предложена концепция защиты от селей населенных пунктов, расположенных на северном склоне Илейского Алатау, в условиях изменяющегося климата и, на ее основе, комплекс противоселевых мероприятий, обеспечивающий защиту населенных пунктов при глобальном потеплении.

Научная значимость работы определяется формированием нового научного направления в селеведении – палеоселеведения, позволяющего на основе геоморфологических и геологических данных, а также климата прошлого, используя прогноз изменения климата, прогнозировать селевую активность.

Практическая значимость работы. Сделано заключение о несоответствии существующих селезащитных сооружений реальной селевой опасности на северном склоне Илейского Алатау даже в условиях современного климата. Указано на необходимость коренного пересмотра реализуемой в настоящее время стратегии защиты от селей. Защита от селей с помощью одиночных плотин, создающих селехранилища, не только экономически нецелесообразна, но и опасна, так как заполнившееся селехранилище становится потенциальным очагом селеформирования, приближенным к защищаемому объекту. Ведущая роль при проведении противоселевых мероприятий должна принадлежать предотвращению селей. Даны рекомендации по мелиорации стартовых зон селей дождевого генезиса, уменьшению опасности формирования селей гляциального генезиса. Предложен комплекс противоселевых мероприятий, своевременная реализация которого обеспечит защиту в условиях глобального потепления. Дана оценка риска для г. Алматы при прорыве озера №6 на леднике Маншук Маметовой и предложена методика безопасного превентивного опорожнения этого озера.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях научной секции Научно-технического совета РГП «Казгидромет» Министерства охраны окружающей среды Республики Казахстан, на семинаре по подготовке Национального плана действий по рамочной конвенции ООН об изменении климата и Международной конференции по проблемам изменения климата (г. Алматы, 1997 г.), на Научной конференции «Географические основы устойчивого развития Республики Казахстан» (г. Алматы, 1998 г.), на Республиканской научной конференции «Устойчивость, антропогенная трансформация и оптимизация природной среды Казахстана» (г. Алматы, 1998 г.), на итоговом семинаре по Казахстанско-Голландскому проекту и Международной конференции «Исследования изменения климата Казахстана» (г. Алматы, 1999 г.), на Международной конференции «Новые подходы и методы в изучении природных и природно-хозяйственных систем» (г. Алматы, 2000 г.), на Международном экологическом форуме «Балхаш–2000» по проблемам устойчивого развития Или-Балхашского бассейна (г. Алматы, 2000 г.), на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы геоэкологии и созологии» (г. Алматы, 2001 г.), на Первом Казахстанско-Японском семинаре по предотвращению последствий разрушительных землетрясений (г. Алматы, 2001 г.), на Международной научно-практической конференции «Проблемы гидрометеорологии и экологии» (г. Алматы, 2001 г.), на Втором Казахстанско-Японском семинаре по предотвращению последствий разрушительных землетрясений (г. Алматы, 2002 г.), на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы гидроэкологии внутриконтинентальных бессточных бассейнов Центральной Азии» (г. Алматы, 2003 г.), на Третьей международной конференции «Debris-flow hazards mitigation: Mechanics, Prediction, and Assessment» (г. Давос, Швейцария, 2003 г.), на Пятом Казахстанско-Китайском международном симпозиуме «Современная геодинамика и сейсмический риск Центральной Азии» (г. Алматы, 2003 г.), на Международной научно-практической конференции «Водные проблемы в начале тысячелетия: гидрологические, метеорологические, географические и экологические аспекты» (г. Алматы, 2004 г.), на Пятой Азиатской Региональной Конференции «Engineering Geology for Major Infrastructure Development and Natural Hazards Mitigation» (г. Катманду, Непал, 2005 г.), на Седьмой международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы безопасности жизнедеятельности» (г. Алматы, 2005 г.), на Третьем международном симпозиуме «Геодинамика и геоэкология высокогорных регионов в XXI веке» (г. Бишкек, Кыргызстан, 2005 г.), на Четвертой международной конференции «Debris-flow hazards mitigation: Mechanics, Prediction, and Assessment» (г. Ченду, Китай, 2007 г.), на Международной конференции «Селевые потоки: катастрофы, риск, прогноз, защита» (г. Пятигорск, Россия, 2008 г.), на Научно-практической конференции «Научно-прикладные исследования в области охраны окружающей среды» (г. Астана, 2008 г.), на Международной конференции по сокращению стихийных бедствий, связанных с водой (г. Душанбе, Таджикистан, 2008 г.), на Международной конференции «Management of Landslide Hazard in the Asia-Pacific Region» (г. Сендай, Япония, 2008 г), на Десятой международной научно-технической конференции «Новое в безопасности жизнедеятельности» (г. Алматы, 2008 г.).

Публикации. Основные положения и результаты исследований по теме диссертационной работы изложены в 70 научных публикациях. В их числе 1 монография, 1 карта специального содержания, 27 публикаций (в трудах и тезисах) республиканских и международных конференций. В автореферате в список опубликованных работ по теме диссертации включены 30 публикаций, из них 14 индивидуальных, 8 публикаций в изданиях ближнего и дальнего зарубежья, 15 статей в 6 изданиях рекомендованных Комитетом по контролю в сфере образования и науки МОН РК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, заключения, списка использованных источников, включающего 182 наименования и 7 приложений, относящихся к практической реализации и внедрению результатов работы. Объем диссертационной работы составляет 204 страницы, включая 24 таблицы и 90 рисунков.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Во введении дана краткая оценка состоянию решаемой проблемы, обоснована актуальность работы, сформулированы цель, задачи и новизна исследования, а также научная и практическая значимость полученных результатов.

В первом разделе диссертационной работы приведены сведения о генезисе селей и селевой активности хребта Илейский Алатау. Горные и предгорные районы Казахстана, занимающие около 15 % территории, подвержены разрушительному воздействию селей. По данным Казселезащиты, сели угрожают 156 населенным пунктам и более 6000 объектам хозяйственной деятельности. Менее чем за 100 последних лет зарегистрированы сотни случаев образования селей различного генезиса, из них около 20 случаев имели характер катастроф. Наряду с селями, большим катастрофическим потенциалом в описываемом районе обладают землетрясения – один из факторов, способных нанести не только большой прямой ущерб, но и привести к формированию катастрофических селей, а также других опасных экзогенных процессов. В диссертационной работе приведена схематическая карта сейсмообусловленных катастрофических процессов территории Северного Тянь-Шаня под редакцией академика НАН РК А.К. Курскеева, соавтором этой карты является автор диссертационной работы.

Сели в горах Илейском Алатау образуются в результате прорыва поверхностных и подземных водоемов моренно-ледниковых комплексов, выпадения интенсивных и продолжительных жидких осадков, разжижения грунта при оползнях и сильных землетрясениях, нерациональной хозяйственной деятельности (рисунок 1). Потепление климата стало причиной образования водоледовых селей, которые формируются в результате лавинообразного разрушения специфических водоледовых конструкций, образующихся при резком понижении температуры воздуха, когда поверхность водных потоков не защищена от интенсивного теплообмена воды с воздушными массами.

 

 

Рисунок 1 – Генезис селей в горах Илейского Алатау.

Эффективным способом уменьшения потерь, наносимых селями, является их прогнозирование. Прогнозы селей (селевой активности) подразделяются на сверхкраткосрочные, краткосрочные, среднесрочные, долгосрочные и сверхдолгосрочные. Их заблаговременность изменяется от долей часа до 100 и более лет. Целью сверхкраткосрочного и краткосрочного прогнозов является сохранение жизни и здоровья людей путем оповещения их о грозящей опасности. Среднесрочный и долгосрочный прогнозы позволяют сохранить движимое имущество. Сверхдолгосрочный и долгосрочный прогнозы селевой активности (селей) должны учитываться при разработке генерального плана развития региона. Сверхдолгосрочный прогноз является наиболее ответственным элементом системы прогнозирования, поскольку от качества прогноза в значительной степени будут зависеть здоровье и жизнь сотен тысяч людей, а также сохранность больших материальных ценностей.

Главными факторами селеформирования являются: геоморфологический, геологический и климатический. Поскольку геоморфологические характеристики Тянь-Шаня (уклоны и длины склонов, протяженность долин, их уклоны и т.д.) заметным образом изменяются лишь спустя многие тысячи лет, их значения могут считаться неизменными на протяжении десятков и даже сотен тысяч лет. По нашим оценкам, если скорость горообразования и интенсивность денудации на северном склоне Илейского Алатау сохранят значения, типичные для последнего миллиона лет, геоморфологический фактор, способствующий формированию катастрофических грязекаменных селей, будет неизменным еще около 4 миллионов лет. Основным источником рыхлообломочного материала при селеформировании в обсуждаемом районе являются морены. Их объемы только на северном склоне Илейского Алатау составляют несколько миллиардов кубометров, поэтому геологический фактор на столетнюю перспективу также может считаться неизменным. Следовательно, главным фактором, определяющим селевую активность на северном склоне Илейского Алатау, является климатический.

Селевая активность является основной характеристикой, используемой при решении задач, связанных с защитой от селей и уменьшением ущерба, наносимого ими. Существует несколько классификаций селевой активности, принадлежащих ученым СНГ (П.С. Непорожний, Б.В. Поляков, И.И. Херхеулидзе, Д.Л. Соколовский, С.Г. Рустамов, С.М. Флейшман, А.И. Шеко и др.). Наиболее приемлемой классификацией, по нашему мнению, является классификация С.М. Флейшмана в редакции 1972 г., позволяющая использовать ее данные при проектировании селезадерживающих сооружений. По источникам информации, селевая активность может быть классифицирована на современную, историческую и палеоселевую (палеогеолого-климатическую).

Сложность оценки современной селевой активности заключается в малом количестве и низком качестве сведений о прохождении катастрофических селей в Казахстане. По большому счету, инструментальные данные о характеристиках селей получены только в ходе экспериментов по искусственному воспроизведению селей на Шамалганском полигоне в 1972–1978 гг. Измерения скорости и уровня селя проводились с использованием доплеровского измерителя, плотность – с помощью квантового магнитометра, расход определялся сейсмическим методом. Характеристики природных катастрофических селей определялись по «следам», оставшимся после их прохождения.

Отрывочные, но весьма важные (для науки и практики) и достаточно надежные сведения о катастрофических селях гляциального генезиса имеются по бассейнам рек Киши Алматы (1956, 1973 гг.), Есик (1958, 1963 гг.), Улькен Алматы (1977 г.). Катастрофические сели дождевого генезиса на северном склоне Илейского Алатау в условиях климата 20 века – редкое явление: один раз в несколько десятилетий. Сведения о природных катастрофах этого генезиса имеются по селям 1921 г. (бассейн р. Киши Алматы), 1947 г. (бассейн р. Талгар), 1950 г. (бассейн р. Улькен Алматы), 1999 г. (бассейн р. Киши Алматы).

Поскольку письменные свидетельства о катастрофических селях, имевших место до середины 19 столетия северного склона Илейского Алатау, отсутствуют, в качестве исторических данных о селевой активности могут служить устные и археологические материалы, а также данные о возрасте селевых отложений, полученных с помощью лихенометрического, дендрохронологического, седиментационного, радиоуглеродного и других методов. О селях, образовавшихся 4–5 тыс. лет назад, свидетельствуют, по данным А.П. Горбунова и Э.В. Северского, сакские рисунки на селевых валунах, лежащих в верховьях конуса выноса р. Каскелен. Достоверные сведения о селях 13–14 и 17 веков, полученные в результате археологических исследований, приведены в работах Е. Дуйсенова.

По данным седиментационного анализа донных отложений озера Есик, было установлено, что за последние 300 лет сели, по масштабам сравнимые с селями 1958 и 1963 гг., в бассейне р. Есик не формировались. Данные дендрохронологических исследований в бассейнах рек Шамалган, Аксай, Улькен и Киши Алматы позволили изучить динамику селепроявлений за последние 200–300 лет. Наибольшим недостатком данных об исторической селевой активности является практически полное отсутствие сведений о дальности селевых выбросов и объеме селевых масс, отложившихся на конусах выноса, расположенных на предгорной равнине. Это исключает возможность использования исторических сведений при планировании (проектировании) и проведении противоселевых мероприятий.

Изучение генезиса и геохронологии отложений конусов выноса, расположенных на предгорной равнине северного склона Илейского Алатау, в совокупности с данными о палеоклимате исследуемого района позволяет оценить селевую активность речных бассейнов в условиях прошлого, современного и будущего климата.

Во втором разделе диссертационной работы приведено доказательство селевого генезиса конусов выноса рек северного склона Илейского Алатау. Это позволило описать изменение селевой активности в плейстоцене и голоцене, и обосновать возможность разработки прогноза ее изменения в ходе глобального потепления климата в 21 веке.

Наиболее эффективным способом оценки селевой активности, имевшей место в прошлом, является привлечение для этой цели информации об изменении климата и рельефа в ходе эндогенных и экзогенных процессов. Конусы выноса, расположенные на предгорной равнине, являются средним ярусом накопления наносов, переносимых селевыми и водными потоками из верхнего яруса накопления (высокогорной зоны) (рисунок 2).

Рисунок 2 – Схема накопления и переноса наносов из верхнего яруса накопления (высокогорной зоны) на средний ярус (предгорную равнину).

 

Большая часть наносов, концентрирующихся в верхнем ярусе накопления, представлена моренами. Основным механизмом переноса наносов из верхнего яруса накопления на средний ярус являются сели, формирующиеся при прорыве водоемов моренно-ледниковых комплексов, а также выпадении ливневых дождей в высотной зоне 3500–4000 м в межледниковые эпохи. Активизация накопления лесса на конусах выноса происходит в ледниковые эпохи. Мощность лессового покрова к началу межледниковья может достигать нескольких десятков метров. Однако, как показало изучение строения конуса выноса р. Аксай, доля лесса в общем объеме конуса выноса незначительна и является величиной переменной во времени. Во время глобальных потеплений, вызывающих активизацию селевых явлений, лессовый покров разрушается и лесс выносится за пределы конусов выноса.

Результаты изучения строения конусов выноса, а также механизмов их формирования показали, что форма поверхности конусов выноса, сложенных в основном аллювием, принципиально отличается от формы конусов выноса, образованных преимущественно селевыми отложениями. На топографических картах периферийные горизонтали селевых конусов выноса, в отличие от аллювиальных, если их аппроксимировать окружностями, имеют радиусы большие, чем расстояние от вершины конуса выноса до соответствующей горизонтали в осевом направлении. В определенных ситуациях кривизна периферийных горизонталей принимает обратное направление. Другим существенным отличием в форме горизонталей конусов выноса являются: практически равные расстояния между горизонталями как на вершине конуса, так и на его периферии у конусов аллювиального генезиса, и существенно различные – у конусов, образованных в основном селевыми отложениями (рисунки 3, 4). Указанные отличия позволяют с высокой степенью достоверности выявлять на топографической карте территории, подверженные разрушительному воздействию селей.

 

 

Рисунок 3 – Конус выноса р. Аксай, сложенный в основном селевыми отложениями.

 

Рисунок 4 – Конус выноса р. Шелек, сложенный аллювиальными отложениями.

 

Поскольку геоморфологический подход к определению генезиса конусов выноса основывался только на результатах физического моделирования, его верификация проведена по результатам изучения геологического строения конуса выноса р. Аксай, а также гранулометрического состава селевых и аллювиальных отложений других рек изучаемого района.

Анализ гранулометрического состава мелкозема р. Аксай и других рек северного склона Илейского Алатау, а также селеформирующих пород различных районов бывшего СССР показал, что генезис отложений характеризуется следующим соотношением:

,

 

где A – процентное содержание частиц с размерами 0,001–0,05 мм; B – процентное содержание частиц с размерами 0,05–0,25 мм.

 

Для аллювиальных отложений среднее значение k=0,016, среднее квадратическое отклонение составляет 0,0198. Для селевых отложений среднее значение k=0,66; среднее квадратическое отклонение – 0,184.

Характерной особенностью твердой составляющей селей, формирующихся в горных районах, несущих (или несших в прошлом) оледенение, является широкий диапазон размеров частиц. Поперечные размеры наиболее крупных из них могут превышать размеры мельчайших частиц в 1010 раз. Наличие в селевой массе воды и частиц с размерами более 0,001 мм придает ей свойство вязкости, а присутствие самых мелких фракций – глинистых частиц, свойство пластичности. Благодаря турбулентному перемешиванию и пластичности вмещающей среды твердые частицы могут находиться в квазивзвешенном состоянии, селевую массу при этом допустимо рассматривать как «тяжелую» жидкость.

Ответ на вопрос о принадлежности глыб к речным или селевым отложениям на конусах выноса может быть получен на основе закона Эри

 

,

 

где Vmax – максимальная скорость потока, м/с; g – ускорение свободного падения, м/с2; D – диаметр частицы, м.

 

Расчеты показывают, что для приведения в движение частиц размером 2 м на уклоне 3º необходима скорость близкая к 17 м/с. Это возможно при глубине потока равной 60 м. Такая глубина потока на конусе выноса возможна лишь при расходе несколько миллионов кубометров в секунду, что нереально. Скорость движения крупных фракций в составе потока не отличается от скорости потока в целом. Следовательно, причина передвижения глыб – не динамическое воздействие на них селевой массы, обладающей вязкопластическими свойствами. То обстоятельство, что наиболее крупные частицы, входящие в состав селевой массы, находятся в среде, обладающей плотностью, которая может изменяться от плотности воды до плотности, близкой к плотности твердой составляющей, позволяет по-новому объяснить механизм перемещения крупных фракций твердой составляющей селевой массы, обладающих наибольшей разрушительной способностью.

Архимедова сила, действующая на частицу, определяется по формуле

 

,

 

где k – доля частиц, размеры которых превышают размер частицы, для которой определяется величина архимедовой силы.

 

Угол, на котором произойдет сдвиг частицы (коэффициент трения принят равным 0,6), погруженной в «тяжелую» жидкость, определяется из выражения

 

.

 

Уменьшение нормального давления за счет действия архимедовой силы приводит к значительному уменьшению угла наклона русла, на котором крупные частицы могут самостоятельно перемещаться только за счет действия на них продольной составляющей силы тяжести (таблица 1).

 

        Таблица 1 – Зависимость угла, на котором происходит сдвиг частиц, от

         плотности среды, их вмещающей

 

, кг/м3

, кг/м3

, кг/м3

a

2650

1000

1650

0,373

20º30¢

2650

1200

1450

0,328

18º10¢

2650

1600

1050

0,237

13º20¢

2650

2000

650

0,147

8º20¢

2650

2200

450

0,102

5º00¢

2650

2400

250

0,0396

2º20¢

2650

2500

150

0,0237

1º20¢

 

Таким образом, наличие в составе отложений на конусе выноса глыб, а также выполнение соотношения , характерного для селевых отложений, позволяет сделать однозначный вывод о том, что это – отложения селя.

Оценка соотношения объемов аллювиальных и селевых отложений, слагающих конусы выноса рек северного склона Илейского Алатау осуществлялась на примере конуса выноса р. Аксай. Экспертной оценке генезиса рыхлообломочных пород, слагающих борта Аксайского карьера, подверглось около 50 тыс. м2 практически вертикальных откосов, образующихся в процессе выемки грунта, используемого после соответствующей переработки при строительстве зданий и дорог. Оценка генезиса отложений, вскрытых Аксайским карьером, показала, что большая часть объема конуса выноса (более 90 %) представлена селевыми отложениями. В тех случаях, когда генезис тех или иных отложений вызывал сомнение, производился отбор проб на гранулометрический анализ. Результаты анализа гранулометрического состава образцов, вызывавших сомнение в их принадлежности к селевым отложениям, показали,  что большинство из проб – отложения селей.

Количественный и качественный анализ гранулометрического состава отложений, вскрытых при разработке карьера на конусе выноса р. Аксай и котлованов на конусах выноса других рек, показал: идентичность особенностей рельефа поверхностей конусов, проявляющаяся в форме горизонталей, доказывает, что конусы выноса, примыкающие к северному склону Илейского Алатау, образованы преимущественно в результате отложения селей. Это заключение имеет большое научное и практическое значение, так как из него следует, что объемы конусов выноса характеризуют среднюю селевую активность речных бассейнов за суммарное время активизации селей в межледниковые эпохи.

Решающая роль в формировании наносов в высокогорной зоне принадлежит экзарации, а также всем тем процессам, активное участие в которых принимают снег, лед и перепады температуры воздуха. Объем наносов, вынесенных за длительный промежуток времени (т.е. объем конуса выноса) может быть определен из выражения

,

 

где Vк.в. – объем конуса выноса, в котором сосредоточены наносы, образованные в течение i-х периодов оледенений, км3; Ti – продолжительность i-го оледенения, число лет; Ктр – коэффициент трещиноватости принимается постоянным для четвертичного периода; Sб – площадь речного бассейна принимается постоянной для четвертичного периода, км2; C – средний годовой слой стока, принятый неизменным в четвертичном периоде и равным среднему годовому слою стока из наблюденных в 20 веке, км; Si  – площадь i-го оледенения, км2; K1 и K2 – коэффициенты, км/год.

 

При наличии топографической карты масштаба 1:100 000 (или крупнее) объем конуса выноса определяется по формуле

 

,

 

где S – площадь элементарной площадки, ; a – угол наклона подстилающей поверхности к горизонтальной плоскости; li – длина перпендикуляра, опущенного из центра элементарной площадки на линию, проведенную через основание конуса выноса параллельно простиранию хребта; Ho – высотная отметка горизонтальной плоскости, проходящей через основание конуса выноса.

В третьем разделе дано обоснование палеоселевого (палеогеолого-климатического) метода оценки селевой активности. В результате исследований, выполненных в последние десятилетия, было установлено, что селевая активность на северном склоне Илейского Алатау в значительной степени определяется климатом. Глобальное потепление, в ходе которого уже в первой половине 21 века на территории Казахстана прогнозируется увеличение температуры воздуха до значений, при которых оледенение Илейского Алатау исчезнет в текущем столетии, вынуждает обратиться к временам, когда климатические условия на обсуждаемой территории были близки к прогнозируемым. Ближайшим временным интервалом, подобным по климатическим условиям, является рисс-вюрмский климатический оптимум. На рисунке 5 показано изменение температуры воздуха за последние 400 тыс. лет по данным изучения ледяных кернов, полученных при бурении скважин на ледниках Антарктиды и Гренландии. Анализ положения конечных морен рисского и вюрмского оледенений Северного Тянь-Шаня свидетельствовал о том, что изменение температуры воздуха в эти ледниковые эпохи в описываемом районе были близки к изменению температуры воздуха в Антарктиде. Известно, что климат Антарктиды определяется глобальным климатом. Следовательно, климат юга Казахстана изменяется синхронно с изменением глобального климата.

 

 

Рисунок 5 – Колебания климата за последние 400 тысяч лет.

 

Большая часть отложений конуса выноса р. Аксай имеет согласно залегающую слоистую макротекстуру и представлена полидисперсными рыхлообломочными породами, пористость которых не превышает 20 %. Максимальные размеры частиц в слоях могут достигать 3 м. Большинство слоев имеет мощность 0,5–3 м. Из-за относительно невысокой влажности и наличия пылевато-глинистых частиц грунт обладает прочностью, позволяющей держать вертикальные откосы высотой более 5 м. Грунт в слоях мощностью менее 0,5 м (общее содержание которых в отложениях не превышает 5–7 %) может представлять собой аллювий, связностью практически не обладающий. Лессовидные отложения имеют преимущественно беспорядочную макротекстуру.

Изучение особенностей палеоклимата и палеоденудационных процессов, им обусловленных, на территории южного Казахстана делает возможным составление прогнозов изменения селевой активности, в том числе и в 21 веке. В ледниковые эпохи, когда температура воздуха была ниже современной на несколько градусов, селевая деятельность практически прекращалась. В течение нескольких десятков тысяч лет сели не выходили на конусы выноса, создавая условия для образования на их поверхности лессового покрова. Мощность лессового покрова на конусах выноса достигала 20–30 м. Там, где лессовый покров в межледниковые эпохи не разрушался, его суммарная мощность превышает 150 м. Наличие лессовых фрагментов в конусах выноса позволяет дифференцировать отложения по возрастному признаку. Стратиграфический разрез Аксайского карьера позволяет уверенно судить о селевой активности на северном склоне Илейского Алатау (рисунок 6).

 


 Техногенные отложения

 Фрагмент лесса вюрма

 Отложения селей

 рисс-вюрмского межледниковья

 Фрагмент лесса рисса

 Отложения селей

 миндель-рисского межледниковья

 

Рисунок 6 – Строение верхней части нижней трети конуса выноса р. Аксай

(хребет  Илейский Алатау).

 

Рыхлообломочные породы, расположенные между слоями лесса, отложившегося в рисской и вюрмской ледниковых эпохах, представляют собой в основном отложения селей рисс-вюрмского межледниковья, их суммарная мощность превышает 20 м. Отсутствие почвенных прослоев между слоями отложений (не только на этом снимке, но и на других участках бортов карьера) говорит о практически единовременном характере селевых выбросов. Отсутствие почвенных прослоев между селевыми отложениями характерно и для других конусов выноса рек северного склона Илейского Алатау. Следовательно, при потеплении климата на 2–3 ºС можно ожидать, как это имело место в прошлом, резкого, вплоть до залпового, увеличения селевой активности.

Стратиграфический разрез конуса выноса р. Аксай хорошо коррелируется с данными, полученными в результате бурения скважин на конусе выноса р. Киши Алматы. Так, при бурении скважины №38 было установлено, что граница между верхнечетвертичными и среднечетвертичными валунно-галечниковыми отложениями находится на глубине 32 м, что согласуется с данными геологической службы Алматыметростроя. На глубине около 30 м (при проходке туннеля) был вскрыт слой лесса мощностью около 2 м.

Потепление в голоцене (начало которого относят к 12–10 тыс. лет назад) привело к некоторому оживлению селевой активности на северном склоне Илейского Алатау, приведшему к разрушению (в различной степени) лессового покрова. Однако мощность селевых отложений голоцена незначительна. Обследование поверхностного слоя отложений (на глубину до 15 м) на конусах выноса рек Киши и Улькен Алматы показало, что лессовый покров сохранился почти на 80 % территории На поверхности лессового покрова и в его толще фрагментов селевых отложений не обнаружено. Существенное различие в вещественном составе отложений на конусах выноса: лесс, накопившийся в ледниковые эпохи и селевые отложения – в межледниковья, позволяет не только отделить друг от друга климатообусловленные события, но и с относительно высокой точностью определять их продолжительность. Этому способствует и стремительная, по геологическим меркам, смена климатообусловленных событий.

Расчеты показывают, что за период вюрмского оледенения, продолжавшегося около 100 тыс. лет, в высокогорной зоне северного склона Илейского Алатау накопилось более 4 млрд. м3 рыхлообломочных пород, способных принимать участие в селеформировании. Из этого объема за последние 10 тыс. лет на предгорную равнину селями было вынесено менее 5 % рыхлообломочных пород. Оставшийся материал, объем которого примерно в 70 раз превышает суммарную емкость селехранилищ, может быть вынесен на предгорную равнину в ходе потепления климата в 21 веке.

За последние годы накоплен материал, свидетельствующий о широком распространении селей на северном склоне Илейского Алатау. В основном это данные о селевых очагах и датах формирования больших и малых селей в 18–20 веках. Однако ни данные о морфометрических характеристиках очагов селеформирования, ни сведения о датах формирования селей, полученные лихенометрическим и дендрохронологическим методами в горной местности, не характеризуют селевую деятельность на наиболее освоенной предгорной территории – конусах выноса, на которых расположены населенные пункты и объекты хозяйственной деятельности.

Скудость данных о катастрофических селях дождевого генезиса, вследствие их редкой повторяемости (сели гляциального генезиса стали проявляться только во второй половине 20 века), а также отсутствие методов датировки селевых отложений на конусах выноса, имеющих возраст сотни и тысячи лет, не позволяли использовать статистические методы для надежного обоснования противоселевых мероприятий. Расчетные параметры возможного селя, по данным Казахского филиала Гидропроекта (Е. Дуйсенов), использованные при проектировании плотины в урочище Медеу, приведены в таблице 2. Из этой таблицы следует, что расчетное значение расхода возможного селя в бассейне р. Киши Алматы (максимальный расход воды в реке 1 раз в 100 лет составляет 24,6 м3/с и 1 раз в 1000 лет – 34,6 м3/с) может более чем в 30 раз превышать расход водного паводка.

 

Таблица 2 – Расчетные параметры возможного селя на р. Киши Алматы в створе Медеу

 

Расчетные параметры

Единица

измерения

При обеспеченности

0,01 %

0,1 %

1,0 %

Расход селя

м3

858

536

291

Объем селя

тыс. м3

5082

3374

2140

Объем шлейфа селя

тыс. м3

1094

799

553

Общий объем селя за

паводок

тыс. м3

6176

4173

2693

Общий объем наносов

в плотном теле

тыс. м3

1681

947

531

 

Во время проектирования плотины в урочище Медеу господствовало представление о селях, как о катастрофических паводках, транспортирующих значительные объемы наносов. Об этом свидетельствует плотность селя (приведенная в таблице 3), рассчитанная по данным таблицы 2.

 

Таблица 3 – Расчетная плотность селя на р. Киши Алматы в створе Медеу по данным таблицы 2

 

Расчетные параметры

Единица

измерения

При обеспеченности

0,01 %

0,1 %

1,0 %

Плотность селя (таблица 2), если шлейф – вода

кг/м3

1546

1463

1410

Плотность селя (таблица 2), если плотность шлейфа равна плотности селя

кг/м3

1450

1375

1325

 

Результаты экспериментов 1972–1978 гг. на Шамалганском полигоне, сели 1963 г. (р. Есик), 1973 г. (р. Киши Алматы), 1977 г. (р. Улькен Алматы) и др. стали доказательством того, что водный поток с расходом, превышающем критическое значение, на уклоне более 13º (при наличии рыхлообломочных пород) трансформируется в сель, плотность которого может достигать 2400 кг/м3. Учет этого обстоятельства, при принятии характеристик водной составляющей, использовавшихся при проектировании плотины в Медеу, приводит при расчете характеристик селя к ошеломляющему результату (таблица 4).

Нетрудно видеть, что объем наносов селя 0,01 % обеспеченности увеличился примерно в 15 раз. Общий объем наносов в плотном теле превысил 25 млн. м3. Ничего подобного в 1921 г. не наблюдалось. Объем твердой составляющей селя 1921 г., по разным оценкам, составлял 1,2–3,6 млн. м3. Для образования селя 1921 г., в соответствии с современными представлениями о формировании селей, достаточно было реальных (1 % обеспеченности) характеристик дождевых паводков.

 

Таблица 4 – Расчетные параметры возможного селя с плотностью 2400 кг/м3 на р. Киши Алматы в створе Медеу

 

Расчетные параметры

Единица

измерения

При обеспеченности

0,01 %

0,1 %

1,0 %

Расход селя

м3

4980

3380

1950

Объем селя

тыс. м3

29667

21290

14270

Общий объем наносов

в плотном теле

тыс. м3

25170

18060

12110

 

Казахским филиалом Гидропроекта (Е. Дуйсенов) была проведена и оценка объема наносов селей 1 % обеспеченности основных рек северного склона Илейского Алатау. Поскольку изменение объема селя в первом приближении пропорционально изменению объема его водной составляющей, нетрудно прийти к выводу о том, что большая часть объема конусов выноса представлена отложениями селей 1 % обеспеченности, а доля отложений селей редкой повторяемости относительно невелика. Следовательно, характеристики селей 1 % обеспеченности могут использоваться при оценке относительной селевой активности речных бассейнов. Насколько данные об объемах конусов выноса изменяют сложившиеся ранее представления о селевой активности бассейнов рек северного склона Илейского Алатау, можно видеть из рисунка 7. В качестве опорного бассейна, характеристики которого (объем конуса выноса и объем наносов селей 1 % обеспеченности) использовались при нормировании, принимался бассейн р. Киши Алматы.

В условиях отсутствия надежных данных о повторяемости и объемах катастрофических селей, при проектировании селезащитной плотины в урочище Медеу, в качестве опорного катастрофического селя был принят объем селя 1921 г., разрушившего восточную часть г. Алматы. Считалось, что при емкости селехранилища равной 6,2 млн. м3, сель, с повторяемостью 1 раз в 10 тысяч лет, будет полностью задержан. Селезащитные сооружения в бассейнах рек Есик, Талгар, Улькен Алматы, Каргалинка, Каскелен, Узынкаргалы были спроектированы на основе той же гипотезы.

Результаты прохождения селя 1973 г. в бассейне р. Киши Алматы опровергли эту гипотезу. Селехранилище было практически заполнено, но катастрофических последствий для г. Алматы удалось избежать. Впоследствии емкость селехранилища в урочище Медеу была увеличена до 12,6 млн. м3.

А – относительный объем наносов селей 1 % обеспеченности (по данным Казахского филиала Гидропроекта); В – относительный объем конусов выноса рек северного склона Илейского Алатау (данные автора).

Рисунок 7 – Относительные объемы наносов селей 1 % обеспеченности и конусов выноса.

 

 

В четвертом разделе дан прогноз изменения селевой активности в ходе глобального потепления. Глобальная средняя приземная температура воздуха повысится в период с 1990 по 2100 гг. на 1,4–5,8 °С. По данным климатологов, за последние 110 лет температура воздуха в Казахстане повысилась на 1,5 °С. Это более чем в 2 раза превышает величину глобального потепления. К 2050 г. изменение средней годовой температуры воздуха в Казахстане может составить 2,7–2,8 °С.

Увеличение летней температуры воздуха в горах приведет к значительному изменению факторов, определяющих селевую активность на северном склоне Илейского Алатау: оледенения и фазового состава выпадающих осадков. Результаты применения Е.Н. Вилесовым экстраполяционного метода прогнозирования динамики сокращения площади ледников для каждого частного бассейна и ледниковой системы в целом, а также результаты наших исследований о темпах дегляциации Илейского Алатау свидетельствуют о том, что площадь оледенения к 2050 г. уменьшится почти в 5 раз, а долинные ледники практически исчезнут. Интенсивность таяния ледников является сложной функцией многих переменных: прямой и рассеянной солнечной радиации, температуры, влажности и плотности воздуха, экспозиции, микро- и мезорельефа тающей среды, ее  структуры и плотности, скорости ветра, продолжительности солнечного сияния, альбедо, испарения и конденсации, степени загрязненности и заморененности и т.д.

Уравнение баланса поверхностной абляции можно записать в виде:

 

                                                       

                                                                                                                               

                            ,

 

где  – суммарная поверхностная абляция, см; – абляция испарением, см;      – абляция таянием, см; – тепло, затрачиваемое на абляцию, Дж/см2;         – тепло, затрачиваемое на испарение, Дж/см2; r – плотность льда, г/см3; 2834 – удельная теплота испарения, Дж/г; 333 – удельная теплота плавления, Дж/г.

 

 

Понимание ключевой роли температуры воздуха в механизме абляции в условиях континентального ледникового климата позволяет объяснить, каким образом незначительное изменение глобального климата оказывает радикальное влияние на оледенение горных стран (таблица 5).

 

 

Таблица 5 – Гипотетическое среднее суммарное стаивание льда (см) за абляционный период с ледников бассейна р. Киши Алматы с изменением высоты местности и температуры воздуха

 

H, м

Т, °C

T1950

T1950 + 1 °С

T1950 + 2 °С

T1950 + 3 °С

3300

300

390

450

520

3400

250

335

415

475

3500

200

275

360

430

3600

110

210

300

375

3700

30

125

230

315

3800

0

27

150

245

3900

0

0

65

180

4000

0

0

0

80

4060

0

0

0

0

Примечание – T1950 – температура воздуха, характеризующая климат середины 20 века в горах Илейского Алатау.

 


Сопоставление результатов расчета величины сезонной абляции по средней температуре воздуха на леднике Туюксу, полученной по формуле Е.Н. Вилесова и Е.Н. Гужавиной, с результатами наших вычислений свидетельствует о высокой степени сходимости величины абляции. Максимальное различие составляет 7,3 %. Практически удвоение величины сезонной абляции при относительно небольшом изменении средней температуры воздуха  – следствие ключевой роли температуры воздуха в процессах абляции, о которой говорилось выше. Интенсивное таяние ледников приведет к дальнейшему увеличению селевой активности гляциального генезиса в первой половине 21 века за счет усиления ледникового стока, увеличения числа ледников (и, следовательно, числа моренно-ледниковых озер) вследствие распада ледниковых систем, усиления термокарстовых процессов на моренно-ледниковых комплексах, деградации криолитозоны.

Один раз в несколько десятилетий в условиях климата 20 века создавались гидрометеорологические ситуации, приводившие к формированию катастрофических селей дождевого генезиса. Потепление климата на 2–3 ºС приведет к тому, что увеличится продолжительность селеопасного периода, в высотной зоне 3600–4000 м в летнее время осадки будут выпадать преимущественно в виде дождей. Дегляциация бассейнов рек северного склона Илейского Алатау вызовет увеличение числа рытвин в стартовой зоне. Возрастет и площадь стокообразования, вследствие чего дожди с меньшей интенсивностью станут селеформирующими.

Расчет увеличения селевой активности дождевого генезиса удобно и наглядно осуществлять с помощью составных бинарных номограмм (рисунок 8). Из этого рисунка следует, что если значение селевой активности в бассейне р. Киши Алматы в 20 веке принять за единицу, то в условиях климата 2050 г. (при увеличении температуры воздуха на 2,8 ºС) она возрастет в 48 раз. Селевые потоки, подобные селю 1921 г., будут формироваться к 2050 г. один раз в два года. Необходимо отметить, что эта оценка, скорее всего, минимальная. При расчете потенциальной селевой активности не принималось во внимание увеличение коэффициента стока за счет возрастания доли скальных и ледовых водосборов, а также годового слоя осадков за счет увеличения температуры воздуха и, что особенно важно, аномального увлажнения рыхлообломочных пород в ходе деградации криолитозоны.


 

Рисунок 8 – Изменение относительной селевой активности (по сравнению с

20 веком), обусловленной выпадением жидких осадков в высокогорной зоне для бассейна р. Киши Алматы.

 

В пятом разделе дана оценка степени защищенности населенных пунктов и объектов хозяйственной деятельности, расположенных на предгорной равнине, примыкающей к северному склону Илейского Алатау. Защита от селей населенных пунктов, в том числе г. Алматы, осуществлялась на основе научных представлений о селях, господствовавших в середине прошлого столетия, зарождавшихся нормативных требованиях к проектированию селезащитных сооружений и социально-экономического положения в стране. Это привело к необходимости оценки современного состояния противоселевой защиты исследуемого района.

В Казахстане осуществляется комплексный подход к решению проблемы защиты от селей. Однако наиболее эффективным методам (предотвращению зарождения и развития водоемов моренно-ледниковых комплексов, опорожнению наиболее опасных озер) не уделяется, по нашему мнению, должного внимания. По данным Казселезащиты, затраты, направленные на проведение превентивных мероприятий, не превышает 5 % от общей стоимости крупных селезащитных комплексов, возведенных в Казахстане.  

В настоящее время наибольшую опасность для г. Алматы представляет озеро №6 на леднике Маншук Маметовой. По данным батиметрической съемки, проведенной в 2008 г., максимальная глубина озера возросла с 18,5 м (по данным 1997 г.) до 23 м, а объем увеличился практически вдвое и близок к 275±10 тыс. м3. По данным Казселезащиты, при прорыве этого озера с расходом, превышающим критическое (для селеформирования) значение, может сформироваться сель с объемом более 10 млн. м3. Такой сель, заполнив селехранилище в урочище Медеу, может разрушить восточную половину г. Алматы. Величина риска в ближайшее десятилетие, по нашим расчетом, составляет 100 млн. USD. Превентивное опорожнение этого озера может быть проведено с использованием гидравлического метода или метода опорожнения с использованием бульдозера и сифонов, предлагаемого нами, не превысит 0,5 млн. USD.

Мощные сели, формирующиеся в горных районах Казахстана, несущих (или несших в прошлом) оледенение, привели к тому, что защита от селей осуществляется с помощью плотин, создающих селехранилища. Степень защищенности населенных пунктов и объектов хозяйственной деятельности определяется, прежде всего, правильностью расчета характеристик селей, которые должны быть аккумулированы в селехранилище; емкостью селехранилища; способностью селесброса пропустить расход и объем селя после заполнения селехранилища; способностью плотины противостоять разрушительному воздействию селей. Важная роль в достоверности расчета емкости селехранилища принадлежит определению уклона уравнительной поверхности селевых отложений в селехранилище, от правильности его определения в значительной степени зависит не только стоимость селезащитных сооружений и сохранность больших материальных ценностей, но и безопасность тысяч людей.

В рамках выполнения диссертационной работы разработана математическая модель уравнительной поверхности селевых отложений в селехранилище. Уравнение, описывающее продольный профиль уравнительной поверхности селевых отложений в средней части селехранилища, имеет вид:

Поскольку на практике , то

,

где ρ – плотность селевой массы, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2; Hпглубина отложений в створе плотины, м; li – расстояние от плотины, м; α – продольный угол наклона дна селехранилища, hi – текущее значение мощности отложений в селехранилище, м; τ0 – предельное напряжение сдвига селевой массы, Н/м2.

 

Решение этого уравнения:

,

где , С – постоянная интегрирования.

Если , то .

Результаты вычислений показали, что определение уравнительного уклона селевых отложений в селехранилище по вышеописанной модели хорошо совпадает с результатами топографической съемки поверхности селевых отложений в селехранилище в урочище Медеу, что подтверждает правильность физических представлений, на которых основана математическая модель. Алгоритм расчета уравнительной поверхности селевых отложений (при сложной форме долины) и некоторые результаты расчета приведен в приложении к диссертационной работе.

В ситуациях, когда максимальная глубина отложений в створе плотины незначительно отличается от ширины селехранилища, аналитическое определение емкости селехранилища осложняется настолько, что оценить его емкость проще  путем физического моделирования. Для этого необходимо соблюдать следующий критерий подобия:  

Степень защищенности объектов, расположенных на конусе выноса р. Киши Алматы, в условиях современного климата, может быть охарактеризована как минимально достаточная. Основанием для такого заключения является следующее:

§         малая вероятность заполнения селехранилища в урочище Медеу одним селем дождевого генезиса;

§         емкость, созданная плотиной в урочище Мынжилки, вместе с селехранилищем в урочище Медеу способны нейтрализовать негативные последствия катастрофического паводка с объемом около 0,5 млн. м3, вызванного прорывом внутриледниковых водоемов моренно-ледникового комплекса Туюксу.

Приняв за «эталон минимальной достаточности» соотношение селевой опасности в бассейне р. Киши Алматы и емкости селехранилища в урочище Медеу, можно оценить степень защищенности от селей населенных пунктов и объектов хозяйственной деятельности, расположенных на конусах выноса основных  рек северного склона Илейского Алатау, поскольку объемы их конусов выноса характеризуют селевую активность речных бассейнов, а емкость селехранилищ, созданных в соответствующих бассейнах, – степень защищенности. Тогда минимально необходимая (расчетная) емкость селехранилища Wi (млн. м3) для бассейна, конус выноса которого имеет объем Vi (млрд. м3),  рассчитывается по формуле

,

где WМедеу  – емкость селехранилища в урочище Медеу (12,6 млн. м3); VК.А. – объем конуса выноса р. Киши Алматы (2,5 млрд. м3).

 

На рисунке 9 приведены реальные и минимально необходимые (расчетные) значения емкостей селехранилищ, обеспечивающих безопасность объектов, расположенных ниже плотин, создающих селехранилища.

Рисунок 9 – Расчетные и реально существующие емкости

селехранилищ.

 

Из данных, приведенных на рисунке 9, следует, что селехранилища, образуемые плотинами, возведенными на реках северного склона Илейского Алатау (за исключением р. Киши Алматы), не обеспечивают защиты населенных пунктов и объектов хозяйственной деятельности от угрозы селей. Скорее всего, нерационально сооружать в бассейне р. Есик селехранилище емкостью около 90 млн. м3, но для обеспечения безопасности в этом бассейне необходимо проводить превентивные мероприятия адекватные существующей угрозе. В случае заполнения селехранилищ защищаемые объекты остаются без защиты на неопределенное время, поскольку проектирование и строительство новых селезащитных сооружений занимает несколько лет. Поэтому социальные и экономические последствия для страны могут быть катастрофическими.

В шестом разделе излагается концепция защиты г. Алматы и других крупных населенных пунктов, расположенных на предгорной равнине северного склона Илейского Алатау. В условиях изменяющегося климата, когда селевая активность может возрасти в десятки раз, защита от селей приобретает общегосударственное значение. В зависимости от важности объекта, расположенного в селеопасной зоне, решения по обеспечению безопасности могут носить как политический, так и экономический характер. Примером политического решения проблемы защиты от селей г. Алматы может быть перенос города на север вплоть до Капшагайского водохранилища. Однако в настоящей социально-экономической обстановке этот вариант не возможен, так как г. Алматы имеет статус финансового, научного и культурного центра Республики Казахстан. В результате чего город практически перестраивается, на что затрачиваются большие средства.

Если в основу защиты от селей положен экономический фактор, проводятся противоселевые мероприятия: превентивные, организационно-хозяйственные и защитные. В общем случае выбор стратегии защиты от селей должен основываться на результатах технико-экономического анализа следующего комплекса факторов:

§         потенциального объема наносов, выносимых на территорию защищаемого объекта;

§         стоимости ущерба, наносимого селями (с учетом роста цен на недвижимость и земельные участки на перспективу 50–100 лет);

§         периода времени, в течение которого будет нанесен ущерб;

§         наличия (отсутствия) дефицита времени и средств в ходе проведения противоселевых мероприятий;

§         комплексного характера противоселевых мероприятий;

§         первоочередности сооружения элементов комплекса противоселевых мероприятий, которая должна определяться величиной отношения эффективность/затраты, где под эффективностью понимается ущерб, предотвращенный в результате проведения того или иного мероприятия;

§         а также экологического фактора.

Стратегия защиты от селей в современных экономических условиях основывается, как правило, на результатах сравнения потенциального ущерба, который может быть нанесен селями, со стоимостью противоселевых мероприятий, учитывая при этом и возможное значительное изменение во времени стоимости недвижимости и земельных участков. До настоящего времени превентивные мероприятия по снижению ущерба от селей в Казахстане ограничиваются опорожнением моренных озер. Экономическая и экологическая эффективность проведения таких работ высока (рисунок 10). К настоящему времени общепринятых методов борьбы с селевыми явлениями, прошедших проверку временем, не существует. Достоверно лишь установлено, что мероприятия превентивного характера не гарантируют полной защиты, в связи с чем строительство селехранилищ в горных долинах остается необходимым элементом обеспечения безопасности.

1 – селехранилища; 2 – аккумуляция воды; 3 – превентивное опорожнение;

4 – предотвращение зарождения озер.

Рисунок 10 – Стоимость задержания 1 м3 условной селевой массы.

 

Если уровень урбанизации конуса выноса невелик, а стоимость превентивных мероприятий значительно превышает стоимость защищаемых объектов, целесообразен пропуск селей через защищаемую территорию или использование части конуса выноса для отложения селей в его пределах.

Город Алматы является самым крупным финансовым, промышленным, научным и культурным центром страны. Численность населения быстро увеличивается, приближаясь к 1,5 млн. человек. Стоимость недвижимости, которая не может быть передислоцирована (в случае необходимости) на другую территорию, составляет 15–30 млрд. USD. Переселение населения города на другую, более безопасную территорию, потребует затрат в пределах 25–50 млрд. USD. Таким образом, суммарные потери, вызванные передислокацией г. Алматы, составят около 40–80 млрд. USD.

Город расположен на двух конусах выноса, на которые в период рисс-вюрмского межледниковья (135–130 тыс. лет назад, когда температура воздуха превышала современное значение на 2–3 ºС) селями было вынесено около 3 млрд. м3 наносов за несколько десятков лет. Объем наносов, который может быть вынесен за 25–100 лет на территорию г. Алматы, по нашим оценкам, составляет 1,5–2 млрд. м3. Для задержания таких объемов селевой массы потребовалось бы соорудить 150–200 плотин, подобных плотине в Медеу, однако их негде строить. Альтернативой строительству плотин может быть расчистка селехранилищ после прохождения селей. Если принять стоимость экскавации и перевозки селевой массы из селехранилищ к местам складирования близкой к 3–5 USD3, нетрудно подсчитать, что очистка селехранилищ от наносов, даже только из экономических соображений, более предпочтительна, чем передислокация города. Однако такая стратегия не обеспечивает надежной защиты восточной половины города от селей, формирующихся в бассейне р. Киши Алматы (при наличии селезадерживающей плотины только в урочище Медеу), так как возможно повторение катастрофического селя в период очистки селехранилища. Необходимо сооружение второй плотины. Она должна располагаться ниже устья р. Бедельбай (рисунок 11).

Рисунок 11 – Схема расположения существующих и предлагаемых

селезащитных сооружений в бассейне р. Киши Алматы.

 

Эта плотина будет основной и работающей в паре с плотиной в Медеу. Материалом для отсыпки плотины могут служить наносы, накопившиеся в долине между створами этих плотин. Образовавшийся котлован увеличит емкость селехранилища. Для пропуска селей из селехранилища, расположенного в урочище Медеу, в селехранилище, образуемое ниже расположенной плотиной, необходимо соорудить туннель в горе Мохнатке. Туннель должен иметь затвор, перекрывающий проход селей в основное селехранилище, тем самым плотина в Медеу будет подстраховывать его в период очистки. Продукты очистки предлагается складировать в долине р. Бутак, что предотвратит выход селей, формирующихся в долине р. Бутак, в долину р. Киши Алматы. Рекультивация селевых отложений в долине р. Бутак значительно расширит площади этой долины, пригодные для строительства объектов жилищного и культурного назначения.

Предлагаемая схема защиты нейтрализует негативное воздействие селей, формирующихся выше Ворот Туюксу, Чертовом ущелье, селевых очагах Шымбулака, бассейне р. Горельник, а также исключит необходимость проведения работ по сооружению плотины или стабилизации селевых русел в бассейнах рек Кимасар, Бедельбай и Батарейка.

Если учесть, что потенциал селеформирования в бассейне р. Киши Алматы в 21 столетии близок к 500 млн. м3, стратегия защиты путем наращивания высоты плотины в урочище Медеу не приемлема. Объемы селевой массы, которые будут задерживаться плотинами в Медеу и Просвещенце или складироваться в долине р. Бутак, могут быть значительно снижены в результате реконструкции плотины, сооруженной в урочище Мынжилки. Цель реконструкции плотины в урочище Мынжилки – увеличение образуемой ею емкости до 2,5–3 млн. м3. Эта же емкость может с успехом использоваться для регулирования ледникового стока с целью оптимизации подачи воды потребителям. Актуальность такого регулирования будет возрастать по мере уменьшения ледникового стока в ходе деградации оледенения.

Увеличение температуры воздуха на 2–3 ºС в ближайшие 25–50 лет приведет к резкой активизации селей дождевого генезиса в высокогорной зоне, поэтому уже сейчас необходимо развернуть работы по мелиорации стартовых зон дождевых селей. В настоящее время подобные работы не проводятся из-за отсутствия научного и методического обоснования.

Западная часть г. Алматы расположена на конусе выноса р. Улькен Алматы, бассейн которой включает три крупных бассейна рек: Кумбель, Озерная и Проходная. Увеличение селевой активности в ходе глобального потепления способно привести к выносу на конус выноса р. Улькен Алматы не менее 1 млрд. м3  наносов в течение первых десятков лет. В условиях глобального потепления мощные сели дождевого генезиса могут формироваться ежегодно и даже неоднократно в течение года. Справиться с такой селевой активностью способен лишь комплекс селезащитных мероприятий.

Первоочередной задачей является строительство (подобно тому, как это рекомендуется для бассейна р. Киши Алматы) второй плотины, расположенной ниже устья р. Проходная. Эта плотина должна быть оборудована затворами для пропуска селей в существующее селехранилище и подстраховывать его в период очистки. При прохождении селя в этот период селевая масса будет складироваться в селехранилище, расположенном выше. Основное назначение этих плотин – задержание селей, формирующихся в бассейнах рек Тересбутак, Проходная, Аюсай и, частично, Кумбель. Важную роль должна сыграть плотина, которую необходимо возвести в троговой долине р. Кумбель выше Кумбельского селевого вреза. В этом же районе целесообразно перебросить сток р. Мынжилки в русло р. Кумбель, что позволит осуществить перехват водных паводков и небольших селей, формирующихся на склонах хребта, разграничивающего бассейны рек Киши и Улькен Алматы. Плотина в троговой долине р. Кумбель сделает возможным не только перехват гляциальных прорывных паводков, образующихся на моренно-ледниковых комплексах ледников №98–101, но и дождевых паводков, формирующихся в этом бассейне на высотах, превышающих 3000 м. Это значительно ослабит селеформирование в наиболее активном, в настоящее время, селевом бассейне. Регулируемый водовыпуск из емкости, образуемой обсуждаемой плотиной, сделает возможным рациональное использование талого и дождевого стока с большей части бассейна Продлению существования озера Улькен Алматы, как потенциального селехранилища, аккумулятора воды для получения электроэнергии и питьевой воды, объекта для организации отдыха и туризма может послужить сооружение плотины на р. Озерная на высоте около 3000 м, где долина расширяется и имеет незначительный уклон. Наличие автомобильной дороги, ведущей на перевал Озерный, является благоприятным обстоятельством для возведения этой плотины. Назначение плотины – перехват гляциально-прорывных и дождевых паводков, формирующихся на южных склонах пика Советов, в долине р. Кызылсай, моренно-ледниковых комплексах ледников Городецкого, №86, Черный, №84, Перевальный, №82 и 83. Наличие регулируемого водовыпуска на этой плотине значительно расширит возможности управления водными ресурсами бассейна р. Озерная.

На конусах выноса рек северного склона Илейского Алатау расположены несколько районных центров Алматинской области, численность населения в которых превышает 100 тыс. человек. Большая часть этих населенных пунктов в определенной степени защищена от воздействия селей. Однако, как это было показано в разделе 5, степень их защищенности совершенно не адекватна существующим угрозам даже в условиях современного климата. При потеплении климата в описываемом регионе даже на 2–3 °С эта угроза возрастет в десятки раз. Относительно небольшие численность населения и стоимость недвижимости этих населенных пунктов и неприемлемая, в существующей (и на перспективу ближайших десятилетий) социально-экономической обстановке, стратегия борьбы с селями, рекомендуемая для г. Алматы, вряд ли оправдана для защиты обсуждаемых населенных пунктов. Стратегия защиты крупных населенных пунктов, расположенных на конусах выноса, должна основываться на пропуске селей через их территорию или на создании условий для безопасного отложения селевой массы в пределах соответствующих территорий конусов выноса. В пределах конусов выноса, перекрытых в настоящее время мощными толщами лесса, рекомендуется использовать энергию рек для размыва и транспортировки лесса, удаляемого с целью создания селехранилищ. При этом мероприятия организационно-хозяйственного и защитного характера необходимо осуществлять в полном объеме. В диссертационной работе даны рекомендации по защите крупных населенных пунктов: Есик, Талгар, Каскелен, Шамалган, а также Турген, Красный восток, Фабричный.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведенных исследований, в том числе выявленные при этом закономерности, позволили разработать концепцию, являющуюся базой для оценки степени защищенности территорий (на примере Илейского Алатау) от разрушительного воздействия селей как в условиях современного климата, так и климата 21 века, характеризующегося, согласно большинству сценариев изменения климата, глобальным потеплением.

Выявлены основные пространственно-временные закономерности образования конусов выноса, расположенных на предгорной равнине, позволившие объективно оценить селевую активность за последние 150 тыс. лет, а также установлены закономерности формирования уравнительной поверхности в селехранилищах, что позволило дать рекомендации по защите основных населенных пунктов, расположенных у подножия северного склона Илейского Алатау.

Основные результаты, выводы и рекомендации выполненных исследований заключаются в следующем:

1        Климат Северного Тянь-Шаня изменяется в соответствии с изменением глобального климата. В эпохи оледенений селевая активность резко уменьшается, сели не выходят за пределы горных долин.

2        Реки северного склона Илейского Алатау (в пределах конусов выноса) на протяжении десятков тысяч лет текли в руслах, крайне незначительно изменявших свое положение. Это создавало условия для отложения на конусах выноса лессового покрова, мощность которого в западной части хребта достигала 20–30 м, и сохранившегося частично до настоящего времени.

3        В теплые периоды межледниковий селевая активность резко активизируется. В ходе дегляциации создаются благоприятные условия для возникновения и развития водоёмов моренно-ледниковых комплексов. Прорыв водоемов с расходами, превышающими критические значения, приводил к формированию селей гляциального генезиса, способных отлагаться на поверхности конусов выноса. Однако главную роль в процессе выноса наносов на конусы выноса из высокогорной и среднегорной зон играли сели дождевого генезиса. Высокая селевая активность дождевого генезиса была обусловлена вовлечением в процессы селеобразования относительно больших площадей (имеющих значительные уклоны), ранее покрытых снегом и льдом, выпадением осадков в жидком виде там, где ранее они выпадали в виде снега, снежной крупы и града, наличием огромных запасов рыхлообломочных пород, накопленных в ледниковые эпохи в виде морен.

4                Селевая активность в голоцене (последние 12–10 тыс. лет) была незначительной. Доказательством тому – отсутствие селевых отложений на лессовом покрове подавляющей части площадей конусов выноса рек Улькен и Киши Алматы.

5        Климат 20 века благоприятствовал деградации оледенения северного склона Илейского Алатау, образованию, развитию и прорыву водоёмов моренно-ледниковых комплексов. Это обусловило формирование катастрофических селей гляциального генезиса практически во всех речных бассейнах северного склона Илейского Алатау. Создались условия и для образования мощных селей дождевого генезиса с повторяемостью 50–100 лет.

6        Резкая активизация селей дождевого генезиса может наступить уже к середине 21 века, когда температура воздуха (согласно сценариям изменения климата) может увеличиться на 1,5–4,5 °С. Для увеличения повторяемости катастрофических селей дождевого генезиса в десятки раз достаточно повышения температуры воздуха на 2–3 °С.

7        Разработаны геоморфологический и геологический методы определения генезиса конусов выноса, расположенных на предгорной равнине.

8        Разработана методика оценки селевой активности бассейнов рек северного склона Илейского Алатау. Установлено, что главными факторами, определяющими селевую активность, являются климат, геологические и геоморфологические характеристики бассейнов рек. Установлено, что геологический и геоморфологический факторы на протяжении 21 века могут считаться неизменными, определяющим фактором является климатический.

9        Разработана математическая модель формирования уравнительной поверхности, образующейся при заполнении селехранилища селевой массой. Результаты математического моделирования, подтвержденные результатами топографической съемки отложений селя 1973 г. в селехранилище Медеу, свидетельствуют о том, что при проектировании селехранилищ уклон уравнительной поверхности следует принимать равным нулю.

10         Сопоставление объемов конусов выноса рек северного склона Илейского Алатау, характеризующих селевую активность бассейнов, с объемами селехранилищ, созданных для защиты населенных пунктов свидетельствует о значительном несоответствии степени защищенности населенных пунктов реальным угрозам, создаваемым селями, зарождающимися в высокогорной зоне даже в условиях климата 20 века.

11         При непринятии своевременных мер на порядки возрастет селевая активность низкогорной зоны междуречий, что приведет к трансформации холмисто-увалистого рельефа, покрытого в настоящее время травянисто-кустарниковой растительностью, в бедленды. Селевыми отложениями будут перекрыты большие пространства предгорной равнины – основы сельскохозяйственного производства.

12         На основе анализа существующих и потенциальных угроз, создаваемых селями в конкретных бассейнах рек северного склона Илейского Алатау, даны предложения по оптимизации мероприятий, направленных на предотвращение селей или снижение ущерба, который может быть нанесен ими населенным пунктам: Алматы, Каскелен, Талгар, Есик, Турген, Фабричный, Шамалган и др.

13         Увеличение температуры воздуха на 2–3 °С может уже в первой половине 21 века привести к увеличению селевой активности на Северном Тянь-Шане в десятки раз. Это необходимо учитывать при планировании дальнейшего развития хозяйственных механизмов на территориях, подверженных прямому и косвенному воздействию катастрофических селей.

Оценка полноты решения поставленных задач. В результате многолетних исследований заложены основы нового научного направления в селеведении – палеоселеведения, позволяющего на основе геоморфологических и геологических данных, а также климата прошлого прогнозировать селевую активность, используя прогноз изменения климата.

Разработан метод определения генезиса конуса выноса. Выявлены закономерности изменения селевой активности дождевого и гляциального генезисов при изменении климата. Разработан метод оценки относительной селевой активности речных бассейнов. Разработан метод сверхдолгосрочного прогноза селевой активности при изменении климата. Дан прогноз изменения селевой активности гляциального и дождевого генезисов на северном склоне Илейского Алатау в 21 веке. Дана оценка степени современной защищенности от селей населенных пунктов, расположенных на конусах выноса основных рек северного склона Илейского Алатау. Разработаны рекомендации по снижению ущерба, наносимого селями, при увеличении их активности в ходе потепления климата.

Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Результаты исследований, выполненных в рамках диссертационной работы легли в основу природоохранной программы по защите г. Алматы от катастрофических явлений, реализуемой в настоящее время и могут быть использованы при разработке Генерального плана защиты г. Алматы и других населенных пунктов, расположенных на предгорной равнине северного склона Илейского Алатау, от селей дождевого и гляциального генезисов в условиях потепления климата в 21 веке. Результаты математического моделирования заполнения селехранилищ селевой массой должны использоваться при оценке емкости селехранилищ. Это позволит объективно оценить степень защищенности населенных пунктов от селей в условиях современного климат.

Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Полномасштабное и своевременное внедрение рекомендаций по защите г. Алматы от селей дождевого генезиса уже в ближайшие десятилетия позволит избежать ущерба, исчисляемого десятками миллиардов долларов, а также гибели тысяч людей. Оценка риска гляциального селя, который может образоваться в результате катастрофического опорожнения озера №6 на леднике Маншук Маметовой, свидетельствует о том, что ущерб, который может быть нанесен селем составит более 100 млн. долларов. Стоимость превентивного опорожнения этого озера по методике, рекомендуемой в диссертационной работе, не превысит 0,5 млн. долларов.

Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Формирование нового научного направления – палеоселеведения может квалифицироваться как высокий уровень значимости выполненных исследований. Впервые установлено, что в условиях континентального климата средних широт в горных районах, несущих в настоящее время оледенение, селевая активность практически затухает в ледниковые эпохи и достигает максимума в межледниковые эпохи при температуре воздуха в летний период на 2–3 ºС выше современной.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1     Руководство по организации и проведению работ по изучению селей на территории Республики Казахстан. – Алматы, 1998. – 143 с. (соавтор).

2        Яфязова Р.К. Новый способ оценки селевой активности (на примере северного склона Заилийского Алатау) / Материалы международной конференции «Новые подходы и методы в изучении природных и природно-хозяйственных систем». – Алматы, 2000. – С. 220–223.

3        Степанов Б.С., Степанова Т.С., Яфязова Р.К. Cелевая опасность и устойчивое развитие горных и предгорных районов Прибалхашья / Международный экологический форум «Балхаш-2000» по проблемам устойчивого развития Или-Балхашского бассейна. – Алматы, 2000. – Вып.1. – С. 447–450.

4        Степанов Б.С., Яфязова Р.К. Оледенения Заилийского Алатау // Гидрометеорология и экология. – Алматы, 2000. – №3–4. – С. 100–108. 

5        Степанов Б.С., Хайдаров А.Х., Яфязова Р.К. Механизмы, приводящие к формированию селей дождевого генезиса в высокогорной зоне Заилийского Алатау // Гидрометеорология и экология. – Алматы, 2001. – №1–2. – С. 74–81.

6                Яфязова Р.К. Глобальное потепление климата и селевая активность. Проблемы адаптации // Гидрометеорология и экология. – Алматы, 2001. – №3–4. – С. 97–106.

7        Степанов Б.С., Яфязова Р.К. Радикальный пересмотр стратегии защиты от селей – необходимое условие устойчивого развития горных и предгорных районов Казахстана / Материалы международной научно-практической конференции «Проблемы гидрометеорологии и экологии». – Алматы, 2001. – С. 32–35. 

8        Степанов Б.С., Хайдаров А.Х., Яфязова Р.К. Некоторые уроки превентивных опорожнений гляциальных озер Заилийского Алатау // Гидрометеорология и экология. – Алматы, 2001. – №3–4. – С. 107–118.  

9        Яфязова Р.К. Проблемы оценки селевой активности на северном склоне Заилийского Алатау / Материалы международной научно-практической конференции «Проблемы гидрометеорологии и экологии». – Алматы, 2001. – С. 36–39.

10   Яфязова Р.К. Загадка лессового покрова конусов выноса рек северного склона Заилийского Алатау // Гидрометеорология и экология. – Алматы, 2001. – №1–2. – С. 155–160.

11   Степанов Б.С., Яфязова Р.К. Климат голоцена и селевая активность на северном склоне Заилийского Алатау // Гидрометеорология и экология. – Алматы, 2002. – №1. – С. 74–81.

12   Яфязова Р.К. Объем конуса выноса как показатель селевой активности // Гидрометеорология и экология. – Алматы, 2002. – №2. – С. 90–99.

13        Степанов Б.С., Яфязова Р.К. К формированию рельефа северного склона Заилийского Алатау // Гидрометеорология и экология. – Алматы, 2002. – №2. – С. 100–113.

14   Yafyazova,  R.K. 2003. Influence of climate change on mudflow activity on the northern slope of the Zailiysky Alatau Mountains, Kazakhstan. Proceedings of the Third International Conference on Debris-Flow Hazards Mitigation: Mechanics, Prediction, and Assessment, Davos, Switzerland, September 10–12, 2003, pp. 199–204.

15   Яфязова Р.К. Конус выноса – летопись изменения селевой активности // Вестник КазНУ. Серия географическая. – Алматы: Казак университетi, 2004. – №2 (19). – С. 115–119.

16   Степанов Б.С., Яфязова Р.К. Разработка и реализация современной стратегии защиты от селей – актуальная проблема обеспечения устойчивого развития Казахстана // Гидрометеорология и экология. – Алматы, 2004. – №3. – С. 112–119.

17   Yesserkepova, I., Stepanov, B., Golubtsov, V., Lee, V. & Yafyazova, R. 2005. Kazakhstan. pp. 7179. In M.A. van Drunen, R. Lasage and C. Dorland (eds.), Climate change in developing countries: An overview of study results from the Netherlands Climate Change Studies Assistance Programme. 225 p. Institute for Environmental Studies, Amsterdam, the Netherlands.

18   Yafyazova, R.K. 2005. Estimation of mudflow activity under the changing climate. Journal of Nepal Geological Society, Vol. 32, (Special Issue). Abstracts of the Fifth Asian Regional Conference on Engineering Geology for Major Infrastructure Development and Natural Hazards Mitigation, September 28–30, 2005, Kathmandu, Nepal, p. 78. 

19   Yafyazova, R.K. 2005. Possible disastrous consequences of global climate warming. Abstracts of the Third International Symposium on Geodynamics and Environmental Problems of High-Mountain Regions in XXI century, October 30 – November 6, 2005, Bishkek, Kyrgyzstan, pp. 58–59. 

20   Степанов Б.С., Яфязова Р.К. О критериях чрезвычайных ситуаций / Труды Седьмой международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы безопасности жизнедеятельности». – Алматы, 2005. – Т.I. – С. 311–314.

21   Степанов Б.С., Яфязова Р.К. Концепция защиты от селей г. Алматы в условиях изменяющегося климата // Гидрометеорология и экология. – Алматы, 2006. – №1. – С. 67–79. 

22   Яфязова Р.К. Природа селей Заилийского Алатау. Проблемы адаптации. – Алматы, 2007. – 158 с.

23        Яфязова Р., Жданов В. О путях предупреждения водоледовых катастроф // Поиск. Серия естественных и технических наук. – Алматы, 2007. – №2. – С. 225–227.

24   Яфязова Р.К. Глобальное потепление и активизация селей дождевого генезиса // Новости науки Казахстана. – Алматы, 2007. – №2. – С. 12–16.

25   Yafyazova, R.K. 2007. Debris cones as a source of information on debris-flow activity. Proceedings of the Fourth International Conference on Debris-Flow Hazards Mitigation: Mechanics, Prediction, and Assessment, Chengdu, China, September 10–13, 2007, pp. 87–93.

26   Яфязова Р.К. Селевая активность в условиях глобального потепления климата / Тезисы докладов Международной конференции по сокращению стихийных бедствий, связанных с водой. – 27–28 июня 2008 г., Душанбе, Таджикистан. – С. 131–132.

27        Баймагамбетов Б.О., Яфязова Р.К. Концепция сверхкраткосрочного прогноза селей / Труды Международной конференции «Селевые потоки: катастрофы, риск, прогноз, защита». – 22–29 сентября 2008 г., Пятигорск, Россия. – С. 267–269.

28   Baimagambetov, B., Yafyazova, R. 2008. Landslide and mudflow hazard on the northern slope of the Zailiysky Alatau. Proceedings of the International Conference on Management of Landslide Hazard in the Asia-Pacific Region, Sendai, Miyagi Prefecture, Japan, 11–12 November 2008, pp. 292–296.

29   Баймагамбетов Б.О., Яфязова Р.К. К адаптации стратегии защиты от селей в условиях глобального потепления // Вестник КазНТУ. – Алматы, 2008. – №5 (68). – С. 21–25.

30   Яфязова Р.К. К определению уравнительного уклона // Вестник КазАТК. – Алматы, 2008. – №5 (54). – С. 10–15.


ТҮЙІН

 

Яфязова Роза Кайюмовна

 

СЕЛ БЕЛСЕНДІЛІГІН БАҒАЛАУ ЖӘНЕ ОНЫҢ КЛИМАТТЫҢ ҒАЛАМДЫҚ ЖЫЛЫНУ ЖАҒДАЙЫНДА ӨЗГЕРУІН БОЛЖАУ

 

05.26.02 – Төтенше жағдайлардағы қауіпсіздік

 

Зерттеу объектісі - жауынды және гляционалды генезистер селі.

Зерттеу предметі - селдің белсенділігі.

Зерттеу бағыты - селдің белсенділігінің жоғарғы ұзақ мерзімдік болжау әдісі дайындалды және осының негізінде 21 ғасырдағы селдің қарқындылығының тез үлғаю жағдайындағы селдің алып келетін шығындарын азайту жөнінде ұсыныстар берілді.

Жұмыста традиционды географиялық және геологиялық әдістер, математикалық моделдеу, селдік массалармен селжинағыштың толуына теориялық және практикалық талдау жасау, зертханалық тәжирбелер кіретін кешендік зерттеу әдісі қолданылған.

         Диссертация жұмысында селтанудағы жаңа ғылыми бағыттың негізі салынды – палеоселтану, өткен геологиялық дәуірдегі сел белсенділігін әртүрлі климаттық жағдайда, селдің түзілу тарихын анықтай отырып зерделеу. Геоморфологиялық және геологиялық, сонымен қатар өткен және болжанған климат мәліметтері негізінде аса ұзақ мерзімді болжам әдістемесі әзірленді. Климаттың жылынуы нәтижесінде жаңбыр генезисті сел белсенділігінің он есеге артуы белгіленді. Жұмыста ұсынылған сел қоймасындағы сел түзілімдерінің теңдеушілік бетін есептеу әдісі Іле Алатауының солтүстік беткейінің шығарынды конустарында орналасқан елді мекендердің қорғанушылық дәрежесін дұрыс бағалауға мүмкіндік берді. Қорғанушылық дәрежесі көп жағдайда, тіпті қазіргі климат жағдайында да нақты сел қаупімен сәйкес келе бермейтіндігі анықталды. Селдің 21 ғасырдағы белсенділік жағдайында селден қорғану тұжырымдамасы ұсынылды.

Ғылыми жұмыстың мағаналылығы геоморфологиялық және гелиологиялық деректердің негізінде болдыратын палеоселтану, сонымен қатар өткендегі, климаттың болжаулық өзгеруін болжауды пайдаланып, селдің қарқындылығын болжауға арналған селді тану бағытындағы жаңа ғылымның пайда болғанын анықтайды.

Диссертация жұмысында қазіргі кездегі климат жағдайларының өзінде Іле Алатауының солтүстік беткейлеріндегі сел қаупіне селден қорғау құрылыстарының сәйкес келмейтіндігі туралы қорытынды жасалынған. Қазіргі кезде селден қорғау стратегиясын түбүірімен өзгерту керектігі көрсетілген. Селге қарсы қойылатын іс-шаралар селді болдырмау мүмкіндігіне жатуы қажет. Мелиорация кезіндегі жауынды генезисті селдің старттық зонасына, гляциалдың селдер генезисінің пайда болу қаупін азайту жөнінде ұсыныстар берілген. Жалпы жылып кету жағдайларында, дер кезінде пайдаланудың арқасында қорғауды қамтамасыз ететін селге қарсы іс-шаралар кешені ұсынылған. №6 Мәншук Маметова мұздығындағы көлдің жарып өтуі салдарынан Алматы қаласына тигізетін қаупінің бағасы берілген және бұл көлдің превентивтік жарып өту қаупінің әдістемесі ұсынылған.

Негізгі жағдайлары мен зерттеу нәтижелері 23 конференцияда және «Қазгидромет» РМК-ның Ғылыми-техникалық советінің ғылыми секцияларының отырыстарында талқыланды және айтылды.

Қазіргі уақытта, болу мүмкіндігі бар апатты құбылыстардан Алматы қаласын қорғау жөніндігі жұмыстың нәтижелері, табиғатты қорғау бағдарламасының негізіне жатты. Селдін қаупі бар дайындалған карта селді болжау негізінде, шаруашылық қызметінің объектілерін бағалау кезінде қолданылады. Диссертантың қатысуымен дайындалған жүмыс Қазақстан Республикасының аймағындағы селдерді оқып-білу жөніндегі жұмыстарды өткізу және үйымдастыру басшылығын, сел жөніндегі бірлік әдістемелік деректер негізіне сүйеніп алуға мүмкіндік жасайды.

Қолдану облысы. Елді мекен және шаруашылық объектілерін қорғау; аймақты дамытудың бас жоспарын дайындау кезінде қолдану.

 


SUMMARY

 


Yafyazova Roza Kaiyumovna

 

ESTIMATION OF DEBRIS-FLOW ACTIVITY AND FORECASTING

OF ITS CHANGE UNDER GLOBAL CLIMATE WARMING

 

05.26.02 – Safety in extreme situations

 

Object of research are rainfall-induced and glacial-related debris flows.

Subject of research is debris-flow activity.

Purpose of research is development of a method for the superlong-term debris-flow activity forecast and proposals for reduction of debris flows-caused damage, under sharp increase of debris-flow activity in 21 century.

Author of dissertation used the complex research method including traditional geographical and geological methods, mathematical modeling, analysis of theory and practice of reservoir filling by debris-flow mass and laboratory experiments.

In dissertation foundation of new scientific concept in debris-flow study was established – paleo-debris-flow study investigates debris-flow activity of the last geological age through the history of debris-flows formation under various climatic conditions. The methodology of superlong-term forecasting of debris-flow activity on the basis of geomorphological and geological data and also paleoclimate and predicted climate was developed. It was established that rainfall-induced debris-flow activity will increase in tens times under climate warming. Analysing method proposed in the dissertation for calculation of levering surface of debris-flow deposits in the reservoir allowed unbiased estimation of vulnerability of settlements located on the debris cones on the northern slope of the Iliysky Alatau. It was revealed that vulnerability in most cases mismatches real debris-flow threat even under present-day climate. The concept of protection against debris flows under conditions of their activation for 21 century is proposed.

The scientific importance of work is determined by formation of new scientific concept in debris-flow study – paleo-debris-flow study allowing forecasting of debris-flow activity on the basis of geomorphological and geological data and using the past climate and climate change forecast data.

In the work author made a conclusion about discrepancy between existing debris-flow check dams and the real debris-flow danger on the northern slope of the Iliysky Alatay Mountains even under the present climate. Author highlights the necessity of total reconsideration of existing defense strategy against debris flows. Preventive measures should play for the leading role in the proposed defense strategy against debris flows. Author recommends the land-reclamation of the rainfall-induced debris flows starting zones, reduction of risk of glacial-related debris flows formation. The timely implementation of the proposed defense measures against debris flows will ensure protection under global warming. The paper includes the risk estimate for Almaty city under possible break out of Lake No.6 located on Manshuk Mametova glacier and the technique for safe emptying of this lake.

The basic positions and results of researches were reported and discussed at the sessions of scientific section of Scientific-Technical Council of “Kazhydromet” and at 23 Conferences.

Results of researches were used for the development of the nature conservation program for Almaty city protection against the disastrous phenomena which is currently under implementation. The Debris-flow hazard map which was developed with participation of the author is used to forecast debris flows, to estimate the vulnerability of economic objects. Also author participated in the development of the Textbook for organization and implementation of debris flows study in Kazakhstan, which allows receiving of data on debris flows by uniform technique.

Field of application: protection of population and economic objects; region development plan and programmes.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Подписано в печать 28.05.2009 г.

Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Объем 2,3 п.л. Тираж 100 экз.

Заказ № 117. Цена договорная.

 

Отпечатано в типографии ТОО «378»

05000, г. Алматы, пр. Райымбека, 212

тел. 330-03-12, 330-03-13