Статья: Изменение уровней воды и уклонов водной поверхности при заторных явлениях на р. Лене

Температурный режим в течение периода, непосредственно предшествовавшего вскрытию, в анализируемые годы существенно различался. В 1958 г. имело место похолодание с 11 по 16 мая вплоть до отрицательных в течение двух суток значений, что препятствовало процессу постепенного ослабления прочности ледяного покрова. И в дальнейшем, в период формирования и развития заторов льда, среднесуточная температура воздуха лишь в отдельные сутки превышала норму. В 2010 г., как накануне, так и по ходу вскрытия, температура воздуха имела положительные значения, существенно превышала норму и способствовала интенсивному уменьшению прочности ледяного покрова. Таким образом, температурный режим в 1958 г. значительно способствовал формированию и поддержанию ледового затора, чем в 2010 г.

По состоянию на начало 2010 г. имелись данные авиаразведки, свидетельствующие о том, что на участке р. Лены от с. Табага до с. Кангалассы насчитывается 7 очагов заторообразования: на 1463, 1467, 1478, 1486, 1492, 1504 и 1511-м километрах от устья реки [Рождественский, Бузин, Шалаши- на, 2010]. Из перечисленных мест два относятся к участку Табага - Якутск, который ранее считался менее затороопасным, чем участки Покровск - Табага, Якутск - Кангалассы, Кангалассы - Намцы [Антропогенный фактор в заторообразовании ... , 2012].

Среднемесячные расходы воды в мае 1958 г. по г/п Табага составили в модульных коэффициентах 1,20, а в 2010 г. - 1,35 при норме 12 тыс. м3/с. Как видим, водность реки в 2010 г. на 13 % превышает водность в 1958 г.

Можно сделать следующие выводы об условиях формирования наивысших уровней весеннего половодья в 1958 и 2010 гг. По совокупности факторов, связанных с ледовым режимом, условия для образования мощных ледовых заторов при прохождении волны половодья и, соответственно, максимальных уровней воды, существенно превышающих норму, более явно выражены в 1958 г.: намного большая толщина льда и температурный режим накануне вскрытия, препятствующий значительному уменьшению прочности ледяного покрова. Факторы, характеризующие влияние водного режима, напротив, более выражены в 2010 г.: более высокие общая водность реки в мае и интенсивность нарастания водности. С очень большим приближением можно оценить условия 1958 и 2010 гг. как примерно равные, во всяком случае не влекущие за собой значительного превосходства условий в каком-либо из этих двух случаев.

В 1958 г. затор льда на рассматриваемом участке Лены возник в естественных условиях, при отсутствии какого-либо антропогенного вмешательства (в русле реки не производились строительные работы, связанные с масштабными перемещениями грунта, не осуществлялись мероприятия по ослаблению ледяного покрова).

В 2010 г. голова затора формировалась, как показала ледовая разведка 18 мая, на песчаных островах, возведенных в зимний сезон 2009-2010 гг. для защиты подводного перехода магистрального газопровода и судов, оставшихся на зимней стоянке на створе подводного перехода. Если в 1958 г. суточные повышения уровня воды составили порядка 100-200 см, то в 2010 г. суточный рост уровня воды достигал более 3 м.

Хронология формирования наивысших уровней воды по гидрологическим постам Покровск, Табага, Якутск, Кангалассы и Намцы за 1958 и 2010 заторные годы представлена на рис. 2.

Наивысший уровень воды по г/п Покровск в 1958 г., равный 9803 см по Балтийской системе (далее - БС), наблюдался в 02 ч 25 мая, по г/п Табага - 9598 см БС в 22 ч 24 мая.

В 2010 г. уровень воды по г/п Покровск достиг наивысшего значения в 01 ч 20 мая и был равен 10 115 см БС, а по г/п Табага - в 03 ч 20 мая (9709 см БС).

Максимальный уровень воды при весеннем вскрытии р. Лены в 1958 г. по г/п Табага установился примерно на четыре часа раньше, чем по г/п Покровск (см. рис. 2).

Рис. 2. Хронологический график изменения уровня воды в период вскрытия р. Лены в 1958 и 2010 гг.

В 2010 г. срок наступления наивысшего уровня воды по г/п Покровск опережает на два часа время достижения наивысшего уровня воды по г/п Табага.

Сравнение временных интервалов наступления наивысших уровней воды и средних скоростей (УВ) их распространения при весеннем вскрытии р. Лены по гидрологическим постам Якутск, Кангалассы и Намцы по годам показывает следующее:

- в 1958 г. наивысшие уровни воды по времени суток на г/п Якутск, Кангалассы и Намцы были отмечены 24 мая в 17 ч (9428 см БС), 24 мая в 18 ч (9054 см БС) и 25 мая в 13 ч (8572 см БС) соответственно (см. рис. 2, а, табл. 2);

- в 2010 г. наивысшие уровни воды по времени суток по этим же гидрологическим постам достигали 20 мая в 17 ч (9401 см БС), 21 мая в 11 ч (9234 см БС) и 21 мая в 12 часов (8644 см БС) соответственно (см. рис. 2, б, табл. 2).

Таблица 2. Длительность (Д!) и средняя скорость (Ув) распространения максимального уровня воды волны половодья

Из представленных данных видно, что формирование максимального уровня воды распространяется от места возникновения затора вверх по течению и зависит от морфологии реки, определяемой наличием рукавов, множества островов и осередков (см. рис. 1), сложной конфигурацией рельефа дна, длительностью существования затора, а также характером половодья. А ниже по течению реки от места возникновения затора распространение максимального уровня воды по времени зависит от динамики образования затора, длительности его существования, а также от величины максимального уровня воды выше затора. Эти же факторы в совокупности определили среднюю скорость распространения максимального уровня половодья между гидрологическими постами (см. табл. 2).

Разность наивысших уровней воды по рассматриваемым гидрологическим постам в 2010 г. и наивысших уровней воды, возникших в 1958 г., следующая: Покровск - плюс 212 см, Табага - плюс 128 см, Якутск - минус 28 см, Кангалассы - плюс 180 см, Намцы - плюс 88 см (см. рис. 2).

Максимальные скорости подъема (Уд) и спада (УС) уровней воды весеннего наводнения в 2010 г. в основном выше по сравнению со скоростями подъема и спада уровней воды, имевших место в 1958 г. Наблюдаемая разница в скоростях подъема и спада объясняется, скорее всего, особенностями добегания волны половодья при ледоходе до мест отсутствия подвижек льда ниже г/п Намцы по руслу реки. Кроме того, в результате распространения высоких уровней воды вниз по течению реки максимальная скорость подъема уровня воды по г/п Намцы достигла 119 см/ч (табл. 3).

Таблица 3. Максимальные скорости подъема (УП) и спада (Ус) уровня воды

Далее по методике определения местоположения возникновения затора [Кусатов, 1977] нами рассмотрены и проанализированы изменения уклонов водной поверхности по гидрологическим постам от Покровска до Намцев, возникших в заторные 1958 и 2010 гг. (рис. 3).

Рис. 3. Хронологический график изменения уклона водной поверхности р. Лены по участкам между гидрологическими постами в 1958 и 2010 гг.

Сравнительный анализ изменения уклонов водной поверхности в эти заторные годы показывает следующее:

- общий характер изменения уклонов водной поверхности (I) в 1958 и 2010 гг. существенно отличается, а также различно количество пиков подъема и спада I;

- значения I в 1958 г. до возникновения затора на участках Покровск - Табага и Табага - Якутск выше на 2,8-10"5 и 2,7-10"5 соответственно, чем значения I после разрушения затора. На участках Якутск - Кангалассы и Кангалассы - Намцы наблюдается обратная картина: значения I до возникновения затора ниже на 2,6-10"5 и 1,2-10"5 соответственно, чем значения J после разрушения затора (см. рис. 3, а);

- динамика изменения J в 2010 г. отличается от динамики 1958 г. До возникновения затора значения J на участках Покровск - Табага, Табага - Якутск и Якутск - Кангалассы выше на 1,9-10"5, 2,7-10"5 и 0,7-10"5 соответственно, чем значения J после разрушения затора. Между Кангалассами и Намцами значение I до возникновения затора ниже на 1,0-10"5, чем значения 3 после разрушения затора (см. рис. 3, б).

Из этих данных видно, что особенности формирования и разрушения заторов предопределяют характерные изменения уклонов водной поверхности при весеннем вскрытии р. Лены в районе рассмотренных гидрологических постов. Кроме того, следует подчеркнуть, что наивысший уровень воды на г/п Якутск вызван повторной остановкой заторного льда между с. Кангалассы и с. Намцы 24 мая. Это подтверждается наибольшим уклоном на участке Кангалассы - Якутск. А наивысший уклон на участке Якутск - Табага является результатом подпора половодья (см. рис. 3, а).

Сравнение максимальных значений уклонов водной поверхности (./тах) в заторные 1958 и 2010 гг. показывает, что 1тах в 2010 г. на участках По- кровск - Табага, Табага - Якутск, Якутск - Кангалассы и Кангалассы - Намцы выше на 1,9-10"5, 4,7-10-5, 0,6-10-5 и 4,0-10-5 соответственно, чем 3тах, зафиксированные на этих участках в 1958 г.

Минимальные значения уклонов водной поверхности 1т1П в 2010 г. на участках Покровск - Табага, Табага - Якутск, Кангалассы - Намцы также выше на 2,2-10"5, 2,5-10"5 и 2,6-10"5 соответственно, чем 3т1П, зафиксированные в 1958 г. А 3т1П между г/п Якутск и г/п Кангалассы в 2010 г. ниже на 3,2-10-5, чем 3т1П, зафиксированный в 1958 г. (табл. 4).

Таблица 4. Изменение уклона (I) водной поверхности

Наблюдаемые значительные снижения 1т1П между гидрологическими постами Табага и Якутск в 1958 г. и между гидрологическими постами Якутск и Кангалассы в 2010 г., на наш взгляд, связаны, скорее всего, с разницей мест возникновения заторов и динамикой их разрушения. В 2010 г. экстремально мощный затор возник на участке Табага - Якутск, где отмечена наибольшая величина уклона воды. При прорыве затора волна вскрытия перемещалась на нижние участки, создавая высокие уклоны водной поверхности. В 1958 г. голова затора находилась на участке Якутск - Кангалассы.

Для оценки интенсивности увеличения Уш и уменьшенияУа уклонов водной поверхности нами использованы соотношения (1).

Анализ интенсивности подъема Уш и спадаУа уклонов водной поверхности по гидрологическим постам также показывает, что Уш и Ус, в 2010 г. в основном превышают их значения, фиксировавшиеся в 1958 г. (табл. 5). Характерно то, что в 1958 г. затор, возникший ниже пос. Жатай, частично разрушался, то есть происходили кратковременные прорывы заторного скопления льда. Отражение этого процесса четко видно на графике изменения уклона водной поверхности между гидрологическими постами Якутск и Кангалассы (см. рис. 3, а). Этот гидродинамический процесс вызвал резкое увеличение интенсивности спада уклона водной поверхности до 2,1-10"5/ч с последующим ростом интенсивности подъема уклона водной поверхности примерно до 0,8-10"5/ч (см. табл. 5). Частичное разрушение затора происходило под напором накапливаемой энергии водного потока. Следовательно, в 1958 г. скопление льда перемещается, и снова формируется затор из-за гидроморфологических особенностей русла реки на участке Жатай - Кангалассы (см. рис. 3, а).

Таблица 5. Максимальная интенсивность увеличения (Ущ) и уменьшения У, уклона водной поверхности