Основы наледного процесса

Наледный процесс. Наледным процессом называется совокупность физико-механических процессов, заключающихся в промерзании грунта или воды, миграции и излиянии наледеобразующей воды на поверхность, ее растекании и послойном замерзании, формировании наледного тела и его термоэрозионным разрушении.

Наледный процесс начинается, когда начинают промерзать водотоки и верхние слои грунта, а заканчивается весной, когда под действием тепла и весенних вод происходит термоэрозионное разрушение тела наледи.

Общая продолжительность наледного процесса делится на два периода: период развития и формирования наледи, который начинается с наступлением устойчивых отрицательных температур воздуха и заканчивается в марте-апреле, и период разрушения, который начинается одновременно со снеготаянием и заканчивается в июне, а иногда в июле, когда однолетние наледи успевают растаять.

Процессы развития и формирования наледей различных генетических типов отличаются своими особенностями.

На поверхностных водотоках развитие наледного процесса в первую очередь зависит от мерзлотно-геологического строения речной долины, условий ее питания и промерзания. В горных районах Северо-Востока, где особенно широко распространены наледи, коренные породы дна долины имеют ступенчатый продольный профиль. Об этом свидетельствует большое количество порожистых участков и выходов на поверхность коренных пород. В связи с этим накопление аллювия по длине рек крайне неравномерное как по мощности, так и по крупности. Сообразно со ступенчатостью продольного профиля участки долины, заполненные мощным слоем аллювия, чередуются с участками, где слой аллювия небольшой (рис. 15). Различная по длине реки мощность слоя аллювия и изменяющаяся высота положения водоупора являются факторами, способствующими образованию наледей на реках.

Развитие наледного процесса на поверхностных водотоках имеет несколько стадий:

1. Наледеобразование при напорном движении поверхностных вод. После образования на реке ледяного покрова живое сечение поверхностного потока на перекатах оказывается стесненным и речная вода через полыньи или у еще непромерзших отепленных растительностью-берегов выходит на поверхность речного льда, растекается, замерзает и образует наледь. В этой начальной стадии наледного процесса режим речного потока нарушается мало и на формирование наледи расходуется очень малая часть речной воды.

С усилением морозов увеличиваются толщина ледяного покрова и стеснение потока поверхностных вод; поток становится напорным, хотя величина напора в этой стадии может быть небольшой (0,1—0,3 м). Начинается небольшое вспучивание тонкого ледяного покрова. Наледеобразующая вода на поверхность изливается все чаще и в большем количестве. Происходит типичное формирование наледи поверхностных вод.

2. Наледеобразование при поверхностно-фильтрационном режиме потока. В этой стадии увеличивающийся при промерзании слой речного льда достигает возвышенных мест на неровном рельефе дна реки (сечение 1-1, рис. 15) и смыкается с грунтом (на отмелях, перекатах). Таким образом на пути речного потока возникают грунтовые перемычки, разделяющие поверхностные воды русла реки на отдельные бассейны. Течение воды из одного бассейна в другой происходит путем фильтрации через грунтовые перемычки. Поток становится переходным к грунтовому — поверхностнофильтрационным. При этом напор и скорость фильтрации возрастают, песчано-гравийный аллювий на перемычке в ряде мест размывается и переоткладывается в глубокие места, а русло на перемычке углубляется и напор в потоке падает.

Рис. 15. Схематический продольный разрез горной реки с образованием наледей: 1 — поверхностный речной поток; 2 — ледяной покров; 3— наледный бугор; 4 — мерзлотная перемычка; 5 — гравийно-галечниковый аллювий; 6 — скальные пароды; Q — подрусловый поток; Q₁ — прорыв наледеобразующих вод

Более глубокое промерзание снова создает грунтовую перемычку на пути потока, на этот раз более широкую, которая в дальнейшем остается неразмытой. Зажатая между слоем сезонного промерзания и водоупором вода в наиболее слабых местах вспучивает лед и образует наледные бугры. Лед пластичен, и тонкий слой его легко изгибается при сравнительно небольшом давлении.

В дальнейшем на вершине наледных бугров возникают продольные трещины, из которых может вытекать вода, а чаще она выходит на поверхность где-нибудь под слоем мха у берегов и на пойме, где мороз еще не глубоко сковал землю.

На этой стадии наледного процесса (первая половина зимы) рост наледи происходит медленно, так как вследствие пучения ледяного покрова в русле поддерживается минимально необходимое живое сечение для стока речных вод.

3. Наледеобразование при грунтовом потоке подрусловых вод. Дальнейший ход промерзания приводит к тому, что поверхностные воды промерзают до дна. Поток становится грунтовым. Питание наледи происходит за счет подрусловых вод.

Так как на гребнях скоплений аллювия глубина поверхностного потока минимальная, то эти места промерзают быстрее и на большую глубину, суживая до предела живое сечение грунтового потока. Напор в грунтовом потоке возрастает, но к этому времени слой льда и мерзлого грунта уже имеет большую и труднодеформируемую толщину. Поэтому вода по аллювию отжимается к берегам и в пойму, выходит на поверхность из-под толстого снежного покрова и заполняет не только русло, но и пойму. Интенсивность наледеобразования и рост наледи на этой стадии значительно увеличиваются.

4. Наледеобразование при замкнутых водоносных таликах. На этой стадии на участках, где глубина воды была небольшой и водоупор расположен неглубоко, сезонное промерзание достигает водоупора. А на участках с Глубоким залеганием водоупора и большой глубиной воды сохраняется слой непромерзшего водоносного грунта - талик. Участки смыкания сезонного промерзания с водоупором постепенно оконтуривают талик, и последний оказывается замкнутым. Дальнейшее промерзание водоносного грунта или слоя воды талика происходит в замкнутой полости. При этом в полости развивается большое давление. Напорная наледеобразующая вода находит слабые места с неглубоким промерзанием и прорывается на поверхность, образуя наледь. На участках замкнутых водоносных таликов происходит интенсивное образование наледных бугров с толстой оболочкой из льда и слоя грунта.

Наледный процесс происходит циклично. Возникающий в потоке напор изменяется в соответствии с циклами излияния воды на поверхность. При излиянии воды напор в промерзающем потоке или замкнутом талике падает. Происходит следующий цикл промерзания и нарастания напора до очередного прорыва воды и ее излияния. Частота циклов и их продолжительность зависят от силы морозов.

Характерной особенностью наледного процесса является неравномерное намерзание наледеобразующей воды по площади. На некоторых участках продолжительность периода наледеобразования в 2-3 раза превышает период покоя, на других участках, наоборот, период покоя в 5—6 раз больше суммарного времени растекания и замерзания. В перерывах между излияниями морозы и нарастание толщины льда приводят к промерзанию трещин, по которым изливается вода, и напорная вода находит другие, более слабые места для прорыва на поверхность. В течение зимнего периода процесс наледеобразования мигрирует по наледной поляне, а мощность льда стремится к выравниванию, никогда не достигая этого. Наледный процесс заканчивается, когда полностью промерзает водоносный слой и глубина сезонного промерзания достигнет водоупора. Однако, когда в русле реки функционирует глубинный источник подземных вод, после промерзания водотока наледеобразование не заканчивается, а продолжается всю зиму.

Развитие грунтовых наледей обусловлено промерзанием первого от земной поверхности водоносного горизонта. Оно зависит от водонасыщения этого горизонта, морозности зимы и глубины залегания водоупора.

В районах распространения многолетней мерзлоты питание этого горизонта происходит надмерзлотными водами, условия промерзания которых различны. В природе встречаются три типа горизонтов надмерзлотных вод (рис. 16).

1. Надмерзлотные воды располагаются в пределах деятельного слоя, который полностью промерзает и сливается с многолетнемерзлой толщей (рис. 16, а). Наледеобразование в этом случае начинается в начале зимы и заканчивается через 2—3 месяца.

2. Надмерзлотные воды располагаются частично в деятельном слое, а другая их часть — между слоем зимнего промерзания и многолетнемерзлой толщей. Зимой в этом случае промерзает только верхняя часть водоносного горизонта, а в непромерзшей части продолжают циркулировать надмерзлотные воды. Если напор их значительный, то воды прорываются на поверхность и образуют наледь (рис. 16, б). При таком горизонте над- . мерзлотных вод наледеобразование происходит во второй половине зимы.

Рис. 16. Типы горизонтов надмерзлотных вод: а — надмерзлотные воды находятся полностью в пределах деятельного слоя; б — часть в деятельном слое, а часть между слоем зимнего промерзания и многолетнемерзлой толщей; в - ниже деятельного слоя в пределах талика; 1 — слой зимнего промерзания; 2 — верхняя граница многолетней мерзлоты; 3 - нижняя граница зимнего промерзания; 4 — многолетнемерзлая порода

3. Надмерзлотные воды находятся ниже границы сезонного промерзания в пределах талика (рис. 16, в). Промерзание грунта в этом случае не нарушает надмерзлотного потока и наледь не возникает.

Е. А. Румянцев на основе многолетних наблюдений за динамикой грунтовых наледей в Забайкалье и Амурской области разработал схемы образования грунтовых наледей в зависимости от мерзлотно-гидрогеологических условий наледного участка и предложил формулы, которые позволяют определять временные и объемные характеристики наледного процесса. Он изучил две схемы развития грунтовых наледей (рис. 17) : схему 1, когда глубина промерзания в конце морозного периода не достигает водоупора ( h_м.п < Н_в), и схему 2, когда глубина промерзания достигает водоупора (h_м.п > Н_в).

В зависимости от соотношения глубин зеркала грунтовых вод и сезонного промерзания грунта в конце морозного периода в каждой схеме рассмотрены три возможных случая; h_B < h_м.п, h_В = 0, h_B > h_м.п.

При этом выяснилось, что образование наледи возможно в первых двух случаях, а в третьем случае, когда h_в > h_м.п, наледный процесс не возникает.

Приведенные на рис. 17 разновидности мерзлотно-гидрогеологических условий показывают, что на образование грунтовых наледей оказывает влияние целый ряд факторов. Отсюда и разнообразие особенностей их развития в природе.

Рис. 17. Возможные схемы образования грунтовых наледей в зависимости от мерзлотно-гидрогеологических условий (Е. А. Румянцев, 1969) 1 — снежный покров; 2 — поверхность земли; 3 — уровень грунтовых вод; 4 — нижняя граница сезонного промерзания; 5 — поверхность водоупора (многолетнемерзлых пород); Н_в - глубина залегания водоупора; h_в — глубина залегания зеркала грунтовых вод; h_м.п — глубина промерзания в конце морозного периода

Кроме мерзлотно-гидрогеологического строения наледного участка, на образование речных и грунтовых наледей влияют климатические условия, а также инженерная деятельность человека, которая часто приводит к нарушению природных водно-тепловых условий наледного участка и активизации наледного процесса.

Наиболее интенсивное развитие наледей, питающихся надмерзлотными водами, происходит в первой половине зимы, а наледей, питающихся подмерзлотными водами, — во второй. Режим наледей смешанных вод зависит от соотношения надмерзлотных и подмерзлотных вод, принимающих участие в формировании наледи, В зависимости от мерзлотно-гидрогеологических условий зимы подмерзлотные воды изливаются на поверхность или только частично, питая существующие надмерзлотные грунтовые потоки, или полностью вблизи коренного выхода, часто образуя очень большие и гигантские наледи.

Иногда образование наледей объясняют наличием многолетней мерзлоты. В связи с этим М. И. Сумгин писал: "Вечная мерзлота не обусловливает наличие речных наледей, а является только фактором, способствующим их образованию".