V. 8. НАЛЕДИ И РЕЧНОЙ СТОК

Подземные воды, разгружающиеся зимой на поверхность и зафиксированные в наледях, оказываются временно выклю­ченными из водообмена. В теплое время года вода тающих на­ледей начинает поступать в реки, увеличивая сток и влияя на их гидрологический режим. Таким образом, наледи выполняют роль естественного сезонного регулятора стока. Они не оказы­вают влияния на величину общих водных ресурсов, а только перераспределяют их в течение года, увеличивая и без того крайнюю неравномерность внутригодового распределения реч­ного стока в пределах криолитозоны.

Регулирующая роль наледного стока неодинакова в разных природных условиях. Обобщая результаты исследования гидро­логической роли наледей, полученные многими исследователя­ми Сибири и Дальнего Востока, Б. Л. Соколов (1975) указы­вает на ряд общих закономерностей, изложенных ниже.

По абсолютным величинам в многолетнем цикле объемы наледного питания (см. V.2) и наледного стока, т. е. поступле­ния воды в речную сеть при таянии наледей, равны между собой.

В отдельные годы или периоды многолетних циклов при усилении наледных процессов в бассейнах рек возможно пре­вышение наледного питания над стоком наледных вод. В по­следующий год или цикл лет при таянии многолетних наледей наблюдается обратное соотношение величин наледного питания и стока. В этом случае имеет место многолетнее наледное ре­гулирование.

Доля наледных вод в формировании годового речного стока возрастает с ростом числа и размеров наледей в речных бас­сейнах. В бассейнах с большим числом наледей она повышает­ся до 15—20%, а в отдельных бассейнах с исключительно боль-

шой наледностью достигает 25-30%. Другими словами, более чем четвертая часть речного стока может регулироваться на­ледями. Количество наледных вод в речных бассейнах Северо-Востока СССР, Прибайкалья и Восточного Саяна изменяется от 2—4 до 60—84 мм. В отдельных небольших по площади на­ледных бассейнах оно может достигать 200мм и более.

Доля наледных вод в речном стоке обычно снижается вниз: по течению наледных рек, так как наледи тяготеют преиму­щественно к верхним частям бассейнов. С увеличением площа­дей водосборов возрастает водность рек, а объем наледных вод ниже речного участка или притока с последней наледью остает­ся постоянным. В силу этого наледное регулирование стока наиболее ярко проявляется в верховьях рек. Из крупных рек, на которых прослеживается наледное регулирование, в первую очередь следует назвать р. Индигирку, где доля наледного сто­ка достигает 4—6% общего годового речного стока и 11% лет­него. На ее притоках доля годового наледного стока возрастает до 16—20%, а весеннего до 30% и более. Наибольшее влияние наледного стока наблюдается во время весеннего половодья, когда идет не только таяние, но иразмыв наледей речными водами. В течение лета происходит падение доли наледного стока вследствие постепенного уменьшения размеров наледей.

Наледообразоваиие как фактор перераспределения стокапроявляется наиболее ярко в холодный период года. К концу зимы в наледях аккумулируется до 40—85% стока зимнего се­зона. Вероятно, что в некоторых бассейнах, находящихся в особо суровых условиях, эти величины достигнут 90—95%. «Зимой расходы наледного питания на промерзающих реках в несколько раз, иногда в десятки раз, превышают расходы речного стока. Например, на образование наледей в бассейне р. Индигирки у п. Юрты в декабре—январе расходуется 95 м³/с, в то время как речной сток в это время составляет всего около 10м³/с На промерзающих реках наледообразование по сущест­ву представляет единственную форму зимнего режима» (Соко­лов, 1975).

Фиксация значительной части, а иногда и всех естествен­ных водных ресурсов зимнего периода в наледях была подме­чена многими гидрогеологами и гидрологами. Изучение этого явления привело О. Н. Толстихина к мысли о возможности ис­пользования наледной составляющей подземного стока для ре­гиональной оценки естественных ресурсов подземных вод.

V. 9. НАЛЕДИ И ЕСТЕСТВЕННЫЕ РЕСУРСЫ

ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Под естественными ресурсами понимается обеспеченный' питанием приток или отток подземных вод, которым характе­ризуют естественную производительность (расход) водоносных

горизонтов (комплексов, трещинных зон, гидрогеологических структур) или величину питания подземных вод. Естественные ресурсы непрерывно возобновляются в процессе круговорота влаги в природе. Они составляют наиболее важный элемент баланса, характеризующий восполнение запасов подземных вод (Куделин, 1960). Количественно естественные ресурсы вы­ражаются расходом подземного потока или слоем воды (в мил­лиметрах), поступающим на уровень подземных вод в области питания за годовой период. Одним из основных методов их оценки является метод расчленения гидрографа речного стока. Он основан на предположении о том, что в зимнее время в пе­риод устойчивой межени реки питаются за счет притока грун­товых и артезианских вод. Этот метод получил глубокое науч­ное обоснование и стал основой расчетов и составления карт подземного стока на территории СССР. (Подземный сток на территории СССР, 1966).

Применение этого метода для территории распространения криолитозоны встретило ряд трудностей. К числу их О. Н. Тол-стихин относит: 1) особый режим рек, который связан с пол­ным перемерзанием многих из них и прекращением поверх­ностного, а иногда и подземного стока; 2) фиксацию подзем-ного стока наледями зимой и наледное регулирование стока летом; 3) крайне слабую и неравномерную изученность режима большинства рек.

В преодолении этих трудностей ряд исследователей (Б. И. Куделин, 3. Г. Устинова, В. Т. Пигузова и др.) напра­вили свои усилия на изучение наледного стока в реки и раз­работку рациональной схемы расчленения гидрографов пере­мерзающих рек криолитозоны, другие ученые (О. Н. Толсти-хин, Б. Л. Соколов, В. Е. Афанасенко) пошли путем примене­ния прямых оценок естественных ресурсов по характеристикам наледей.

Естественные ресурсы обычно оценивают в модульных ве­личинах, имеющих размерность л/с-км². В условиях наледного регулирования подземного стока полный модуль подземного стока в зимний период (М_п) равен:

где М₃ — зимний модуль реки (жидкий сток); М_н — модуль на-ледообразования, представляющий собой количественное выра­жение процесса наледного регулирования подземного стока в реку.

Расчленение гидрографов рек мерзлой зоны предложена было первоначально по ориентировочной схеме (Подземный сток..., 1966), по которой величина наледного стока определяет­ся площадью треугольника ABC (рис. 32). По ней были со­ставлены «Карта подземного стока» (1966) и «Карта средних: многолетних коэффициентов подземного стока» (1964) для

w

районов криолитозоны. В дальнейшем Б. Л. Соколов (1975) на основании анализа режима наледей и полевых измерений уточнил эту схему. Он считает, что наледная составляющая подземного стока соответствует площади фигуры АВЕД. Про­веденные им расчеты по уточненной схеме для бассейнов рек Яны, Индигирки и Колымы показали, что ресурсы подземных вод бассейнов этих рек выше в среднем в 1,8 раза, чем были

получены по первой ориентиро- вочной схеме. При этом доля на- ледного стока в уточненной вели­чине подземного стока состав­ляет 40—80%, а доля подземно­го стока в речжм возросла для рек бассейна Яны до 15—16%, Ин­дигирки до 28—30 и Колымы до 10—12%.

____________ _______ Уточнения в расчленении гид-

1ГиГмГ\/ VI vTi[унГиГх~хГп\ мес рографов для наледей, фор-Рис. 32. Схема расчленения мирующихся за счет различных гидрографа в условиях налед- источников, предложены также ного регулирования подзем- В. М. Пигузовой и В. В. Шепеле-ного стока, составленная по _вьш (Методика изучения -на-

^1а™^РеДр^НИМАгая^М_к^На^Он^ГОЛ(по ^дей, 1975). Однако да сих пор Б. Л. Соколову, 1975); 1 — все схемы расчленения гидро­поверхностный сток, 2 — под- графов рек мерзлой зоны с харак-

земныи сток в реку, 3 — на- _терн0Й ДЛЯ НИХ наледнОЙ СО-
ледныи сток ^г „

ставляющеи еще далеки от совер­шенства.

О. Н. Толстихиным (1974) на основании анализа гидрогео­логических структур Северо-Востока СССР была показана связь наледей с подземными водами зоны свободного водообмена. Путем статистической обработки данных была получена зави­симость площадей наледей от меженного дебита, формирующих наледи источников, имеющая вид

где Q — дебит неледоооразующего источника, л/с; F_n — пло­щадь наледи, км²; Ъ — эмпирический коэффициент, зависящий от климатической и геоморфологической обстановки образова­ния наледей и представляющий величину, обратную удельной поверхности наледи, л/с-км². Для наледей площадью более 1 км² Q — 93F_Hy а площадью менее 1 км² Q=129/V

Предложенный О. Н. Толстихиным метод расчета естест­венных ресурсов по питанию наледей является модификацией метода суммарного родникового стока, который заключается в изучении среднего многолетнего дебита источников и распро­странения его на площадь формирования родникового стока (Справочное руководство гидрогеолога, 1967). Суммарный рас-

ход источников (Qjj) определяется следующим выражением

где qi — расход одиночного источника, м³/ч или л/с. В модуль­ных величинах подземный сток равен

где М — модуль подземного стока, л/с-км³; F_n — площадь пита­ния источников, км². Тогда ресурсы подземных вод, выражен­ные через площади наледей, составят

Это выражение, по мнению О. Н. Толстихина, применимо толь­ко для подсчета естественных ресурсов Северо-Востока СССР. В дальнейшем Б. Л. Соколовым были статистически обра­ботаны данные по 350 обследованным наледям Северо-Востока СССР, Забайкалья, Южной и Центральной Якутии, Приморья и Дальнего Востока. В результате была получена уточненная степенная зависимость объемов наледей от их площадей и оп­ределены погрешности метода:

где V и F— объем и площадь наледей соответственно, тыс. м³ и тыс. м². Объемы воды V_B, сосредоточенные в наледях, соот­ветственно равны У_в = 0,864Я'⁰⁹⁴ (м³) или .864F¹'⁰⁹⁴ (л). Тогда средний за ^му расход источника, питающего наледь, составит

где т — время формирования наледи, с. Средний за зиму сум­марный расход наледообразующих источников для изученной площади F равен

Метод определения ресурсов по площади наледей приме­ним в условиях распространения сплошных мерзлых толщ, где использование метода суммарного родникового стока в «чистом

9 Н. Н,. Романовский 129

виде» невозможно по ряду причин, ьажнеишими из них, по О. Н. Толстихину, являются: трудность, а иногда и невозмож­ность замера зимой дебитов источников, скрытых под наледя­ми, рассредоточенных и постоянно мигрирующих; отсутствие методов измерения расходов воды, выходящей на наледи и рас­текающейся по ним тонким слоем; необходимость большого объема сезонных и круглогодичных полевых исследований по изучению дебитов источников, что обусловливает в отдаленных и труднодоступных районах Сибири большую стоимость работ^ а иногда и огромные организационные сложности. К числу пре­имуществ методов оценки ресурсов по наледям относится, в пер­вую очередь, возможность широкого применения аэрофотосним­ков (АФС) и космических снимков (КС), позволяющих изу­чать наледи на больших территориях. На АФС и КС, сделан­ных в начале периода снеготаяния, наледи дешифрируются легко, а их площади определяются с большой точностью. При этом затраты на маршрутные замерочные работы и режимные наблюдения за ростом наледей невелики и дают достаточно надежный материал.

Расчет ресурсов по наледям помимо учета источников под­земных вод глубокого стока включает и подрусловые воды, составляющие значительную, а в некоторых типах гидрогеоло­гических структур основную часть ресурсов (Толстихин, 1975).

В то же время описываемый метод имеет ряд ограничений: 1) этим методом оцениваются ресурсы водно-критического пе­риода, которые меньше рассчитанных на год. Между тем дру­гими методами, в том числе методом расчленения гидрографа^ оцениваются среднегодовые ресурсы. Это затрудняет сопостав­ление результатов; 2) он применим только для_г районов с суро­вой климатической и мерзлотной обстановкой, где основная часть естественных ресурсов в зимний период щ выходит за контуры криогидрогеологических структур, а фиксируется в их пределах в виде наледей; 3) в условиях островных, а иногда и прерывистых мерзлых толщ этот метод или неприменим, или должен сочетаться с методами генетического расчленения гид­рографов.

Для определения площадей наледей должны использовать­ся АФС и КС, сделанные весной до начала активного таяния наледей. На АФС, сделанных в более поздние сроки (июле, августе), площади наледей в разной степени сокращены. По наледным полянам определение размеров наледей дает сильна искаженные значения. Так, в северных районах, в структурах, испытывающих активные. новейшие движения, где наледи ос­тавляют яркие следы в ландшафтах и подвергаются многолет­ней миграции, площади наледных полян существенно больше максимальных размеров наледей (см. V.7). Напротив, вблизи южной окраины криолитозоны наледи оставляют слабые следы в ландшафтах, особенно если ежегодная миграция значитель-

на. Здесь площади наледных полян, дешифрируемых на сним­ках, меньше, чем размеры наледей.

Оценка естественных ресурсов подземных вод по наледям дает наилучшие результаты для районов с суровыми условия­ми, где наледообразование идет по северному типу. При нале-дообразовании по умеренному типу ежегодная миграция на­ледей, изменение их формы, площадей и объемов льда мо­гут привести к заниженной оценке, особенно для неболь­ших по площади территорий. Напомним, что в теплые снеж­ные зимы наледи часто сме­щаются вниз по долинам, объ­емы льда в некоторых из них сокращаются. В холодные ма­лоснежные зимы наблюдается обратная картина. Это поло­жение может быть проиллюст­рировано фрагментом карты, составленной А. Г. Топчиевым для Чульманского адартези-анского бассейна прерывисто­го промерзания (рис. 33). Плановое положение наледей и их размеры, относительные значения которых отражены на карте в величине кружков, были зафиксированы зимой

1964/65 г. гидрорежимной экс­педицией МинГео СССР, а по­вторно — зимой 1974/75 г. на основании дешифрирования космических снимков. Осенне-летний период 1964 г. был бо­лее дождливым, чем 1974 г., а

зима 1964/65 г. более теплой и снежной, чем зи[ма 1974/75 г. Поэтому подавляющее большинство наледей подземных вод образовывались зимой 1964/65 г. ниже по до­линам, иногда переходя в бассейны рек более низкого поряд­ка, чем зимой 1974/75 г. Ряд наледей зимой 1964/65 г. зафик­сирован вообще не был. Между тем подсчеты естественных ресурсов по наледям за оба указанных периода для всей ад-артезианской структуры дают расхождения, находящиеся толь­ко в пределах ошибки расчетов. Последний вывод требует дальнейшей проверки, но тем не менее он позволяет сделать обоснованное предположение, что для гидрогеологических струк-

тур прерывистого промерзания (см. VI.2 и 3), ограниченных криогидрогеологическими массивами глубокого промерзания, изменения наледной составляющей подземного стока в целом для структуры небольшие, существенно меньшие, чем в преде­лах отдельных ее частей.

V. 10. ГЕОХИМИЧЕСКАЯ РОЛЬ НАЛЕДЕЙ

Формирование наледей сопровождается гидрогеохимичес­кими изменениями наледообразующих подземных вод, завися­щими от их состава, степени минерализации и характера их замерзания. Общей закономерностью является уменьшение ми­нерализации талых наледных вод по сравнению с минерализа­цией исходных наледообразующих вод. Часть кристаллизую­щихся при их замерзании солей остается в виде нераствори­мого остатка, первоначально включенного в наледный лед, а при ее таянии покрывающего мучнистым или кристалличес­ким налетом сначала наледь, а затем каменистую поверхность наледных полян и растительность. Оставшиеся соли белые, желтоватые, а иногда "и более разнообразных и ярких цветов, частично уносятся талыми или дождевыми водами, частично входят в состав «наледного аллювия» и почв, развивающихся на нем. Таким" образом, наледи действуют как естественные природные опреснители и переводят часть минеральных ве­ществ из жидкого стока в твердый. При этом химический сток зимой уменьшается, а весной и летом увеличивается.

Соли, образующиеся на наледях, изучались большим чис­лом исследователей. Наиболее распространенными солями в по­рядке убывания являются соответственно" карбонатные, крем­нистые и сульфатные. В связи с очень широким распростране­нием гидрокарбонатных вод в зоне свободного водообмена криолитозоны наиболее часто встречается СаСО₃, причем как на площадях развития карбонатных, так и изверженных и тер-ригенных пород. Кремнистые соли характерны для наледей, образованных весьма слабоминерализованными водами, районов распространения терригенных и изверженных пород. Сульфат­ные соли на наледях встречаются в местах разгрузки сульфат­ных вод, связанных часто с гипсоносными породами, сульфид­ными месторождениями, угленосными фациями, содержащими пирит и др. Встречаются налеты солей и более специфического состава. В теле наледей, образованных за счет высокоминера­лизованных вод, — мирабилит и гидрогалит с примесью неболь­ших количеств других солей.

Соли различного состава иногда придают наледному льду разнообразную окраску. Например, наледи в местах разгрузки вод с высоким содержанием железа имеют красноватый, жел­тый и бурый оттенки льда.

Наледный лед имеет сложное и неоднородное в гидрохими-

ческом отношении строение. В отдельных слоях и линзах зи­мой лед сильно опреснен, в других — минерализация его повы­шена и между кристаллами льда концентрируются включения солей. Различаются слои и по химическому составу. В талой наледной воде по сравнению с исходной увеличивается относи­тельная концентрация ионов магния, натрия, сульфата и хлора. Связано это со своеобразными условиями замерзания слоя из­лившейся воды, мощностью от первых сантиметров до несколь­ких десятков сантиметров, без возможности отжатия солей вниз и часто при движении.

В процессе льдообразования и движения концентрирующе­гося раствора происходит сложная дифференциация льда опрес­ненного и обогащенного солями, как кристаллизовавшимися, так и растворенными. Специфически происходит также замер­зание воды и дифференциация ее состава во внутриналедных каналах и ядрах наледных бугров. Но главное, что специфика замерзания в каждом из конкретных случаев определяет неод­нородность минерализации наледного льда и локализацию мест концентрации кристаллов солей. Поэтому по анализам налед­ного льда можно получать только приближенное представление о составе и минерализации исходной воды. Гидрохимическое опробование наледей следует проводить как по разрезу, так и по простиранию отдельных слоев. Большое число высыпок со­лей в одних- местах наледных полян и отсутствие их в дру­гих— следствие указанных процессов.

В процессе таяния наледного льда происходит ряд явлений, меняющих первичное распределение минерализации и концент­рации солей. Таяние льда и его испарение под влиянием ин­соляции приводят к временной концентрации солей на поверх­ности наледей. Появление ручейков способствует сносу этих солей. Образование столбчатой текстуры льда за счет длинных вытянутых вертикально кристаллов может обусловить мигра­цию солей и более концентрированных растворов в основание наледи. При этом нивелируются исходные гидрохимические различия нижней и верхней частей ее разреза. В зависимости от первоначального строения льда наледи и особенностей тая­ния указанные процессы могут выступать в разных сочетаниях, быть интенсивными или даже отсутствовать совсем.

Глава VI

Поиск по сайту: