Факторы наледеобразования. Виды и описание

Образование наледей — это сложный физико-механический процесс, который зависит от многих природных и техногенных факторов. Главными из них являются: геологическое и мерзлотно-гидрологическое строение наледного участка, температура воздуха, осадки, рельеф местности, экспозиция склонов, нарушение природных условий строительными и другими работами.

В зависимости от метеогидрологических условий каждого года тот или другой природный фактор или их сочетание являются определяющими в развитии наледного процесса. Изучение закономерностей воздействия различных факторов на наледный процесс позволяет найти пути направленного его регулирования и выбрать наиболее эффективные способы борьбы с вредными воздействиями на сооружения.

1. Геологическое и мерзлотно-гидрологическое строение наледного участка. Геологическое и мерзлотно-гидрологическое строение наледного участка является главнейшим фактором, так как заключает в себе потенциальные возможности наледеобразования. "Это определяется, — отмечает О. Н. Толстихин, — во-первых, тектоническими структурами, составом и мощностью слагающих их геологических формаций, образующих гидрологические структуры — вместилища вод; во-вторых, неотектоникой и связанными с нею зонами молодых тектонических нарушений, во многих случаях являющихся путями движения подземных вод и очагами разгрузки".

Места тектонических разломов горных пород и разгрузки подземных вод в районах с суровым климатом, как правило, являются участками образования больших наледей. Такие наледи являются своеобразными индикаторами выходов глубинных вод и могут служить поисковым признаком еще неустановленных сбросов, разломов и выходов подмерзлотных вод. Однако в местах тектонических выходов подземных вод наледи формируются не всегда. На крупных реках с постоянным зимним стоком подмерзлотные воды, смешиваясь с поверхностным потоком, образуют общий сток реки подо льдом. На водотоках меньшего размера при малом дебите источника и наличии мощного слоя аллювия наледеобразование также может не возникнуть.

Для образования наледей грунтовых вод необходимым геологическим условием является неглубокое залегание водоупора (многолетней мерзлоты, скальных или слабоводопроницаемых грунтов). При залегании водоупора выше глубины сезонного промерзания и наличии потока грунтовых вод в зоне сезонного промерзания образование наледи неизбежно. Если водоупор залегает глубоко и над ним мощный слой аллювия, наледь обычно не возникает.

Для образования наледей поверхностных вод благоприятной является геологическая обстановка, когда дно долин имеет ступенчатый продольный профиль с большим количеством порожистых участков и выходов на поверхность дна реки коренных пород, а также ущелья в долинах рек. Накопление аллювия по длине таких рек крайне неравномерное как по мощности, так и по крупности. Участки долин, заполненные мощным слоем аллювия, чередуются с участками, обнаженными от насосов, где на порогах коренных пород речной поток выклинивается на поверхность, образуя наледи.

Причиной образования наледей могут быть землетрясения, при которых сейсмические волны деформируют или полностью разрушают ледяной покров. Возникающее при этом движение льдин закупоривает русло реки, вода выходит на поверхность и образует наледь. Такие явления наблюдались на Аляске, где при землетрясении 27 марта >964 г. было разрушено несколько мостов. Железобетонные пролетные строения мостов упали в воду, закупорили русло, и около них образовались наледи.

2. Температура воздуха. Температура воздуха — важнейший и определяющий фактор наледеобразования. Наледи образуются в результате промерзания речных или грунтовых потоков и при замерзании воды на поверхности, поэтому роль температуры здесь очевидна. Она является определяющим параметром, характеризующим тепловое состояние процесса промерзания и наледеобразования. Интенсивность роста объема наледей находится в прямой зависимости от температуры воздуха.

На рис. 25 показан график роста и разрушения объема наледи на р. Анмангынде в зависимости от температуры воздуха, составленный по данным стационарных наблюдений Колымского УГМС за период с 1962 по 1967 г. Из графика видно, что рост наледи четко соответствует изменениям среднедекадных температур воздуха.

Рис. 25. График роста и разрушения объема наледи на р. Анмангынде в зависимости от температуры воздуха

Низкие отрицательные температуры воздуха наибольшее влияние оказывают на ход развития наледей, питающихся надмерзлотными водами. Это определяется степенью стеснения водоносного горизонта сезонным промерзанием. Максимальное развитие наледей указанного типа обычно отстает от пика минимальных температур, так как понижение температуры грунта на границе максимального промерзания запаздывает.

Температура воздуха влияет на форму наледных тел. При небольших морозах наледеобразующая вода, выходя на поверхность, растекаемся на большую длину и ширину и наледь растет больше по площади. При сильных морозах наледеобразующая вода замерзает быстрее, растекается на меньшее расстояние и наледь растет больше в высоту, чем по площади.

3. Осадки. Продолжительность формирования наледей и их размеры зависят, в первую очередь, от наледного питания, которое определяется дебитами подземных источников, водностью водотоков и степенью их промерзания. Водность водотоков и ресурсы подземных вод зависят от предшествующего увлажнения, которое путем стока и инфильтрации формирует водные ресурсы. Чем больше в предшествующий осенне-летний период выпало осадков, тем интенсивнее при прочих равных условиях будет происходить процесс наледеобразования зимой.

Некоторые исследователи приводят данные, когда максимум наледеобразования отмечался при небольших осадках. По-видимому, это объясняется неоднозначной связью наледеобразования с осадками. Наледеобразование зависит не только от осадков, но и от температуры воздуха, условий промерзания. Большинство исследователей подтверждают прямую зависимость наледеобразования от предшествующего увлажнения (А. Г. Левин, В. Р. Алексеев, Б. Л. Соколов, А. С. Кузнецов и др.).

Многолетние наблюдения за развитием наледей на автомобильных дорогах Магаданской области и Восточной Якутии позволили автору отметить четкую зависимость интенсивности наледеобразования от осенне-летних осадков предыдущего года. Это особенно замечалось на малых и средних водотоках с надмерзлотным питанием. В годы с большим предшествующим увлажнением наледи на малых и средних водотоках развивались значительно интенсивнее и достигали больших размеров, чем в зимы, которым предшествовали относительно сухие осенне-летние периоды.

И. М. Папернов, анализируя многолетние наблюдения на Анмангындинской наледи, получил прямолинейную связь между суммой атмосферных осадков предыдущего года (Σ_х ) и максимальным объемом данной наледи (V_н) в текущем году (рис. 26). Определенную связь между объемом Большой Ингамакитской наледи и осадками отмечают В. Р. Алексеев и М. Ш. Фурман. Анализируя многолетнюю изменчивость наледей Восточных Саян (бассейн Оби), В. Р. Алексеев также отмечает прямую зависимость развития наледных процессов от количества атмосферных осадков и температурного режима грунтов.

Рис.26. Зависимость объема наледи р. Анмангынды от суммы осадков предыдущего года (по И. М. Папернову, 1970) 1 - данные 1965—1966 гг.; 2 - 1963— 1964 гг.; 3 -1964-1965 гг.; 4 - 19621963 гг.; 5 - 1966-1967 гг.

В сложном взаимодействии комплекса факторов наледеобразования именно осадки предопределяют возможность образования наледей и их размеры, так как осадками определяется водность поверхностных водотоков и производительность водоносных слоев подземных вод, питающих наледи.

4. Снежный покров. Высота снежного покрова и время его выпадения играют большую роль в наледных процессах. Снег является хорошим теплоизолятором - благодаря своим теплоизоляционным свойствам он предохраняет водный и грунтовый потоки от глубокого промерзания и создает неблагоприятные условия для образования наледей.

Рано выпавший снежный покров, особенно если он лег на непромерзшую землю, хорошо защищает грунт от промерзания. Чем раньше выпал снежный покров и чем больше его толщина, тем дольше сохраняется талый слой грунта, необходимый для фильтрации грунтовых вод между границей сезонного промерзания и поверхностью многолетней мерзлоты или другого водоупора. При большой толщине снежного покрова необходимый для фильтрации грунтовых вод слой талика может сохраняться в течение всей зимы и тогда наледный процесс совсем не возникает или, если промерзание будет неглубоким, возникнет в конце зимы. Ч

Выпадение снежного покрова в начале зимы замедляет наледный процесс и уменьшает его размеры, а выпадение его во второй половине зимы на глубоко промерзший грунт уже не влияет на появление наледей, а лишь сохраняет в грунте низкую температуру и этим удлиняет действие наледей.

Н.С. Беркин на основе многолетних работ снегомерно-гидрологического отряда Иркутского управления гидрометеослужбы исследовал динамику формирования наледей в долинах рек Северо-Восточного Прибайкалья (бассейны Большого Аная, Чанчура, Правой Иликты и др.). По данным этих работ, для р. Правой Иликты получена четкая зависимость уменьшения объема наледей от увеличения высоты снежного покрова. По наблюдениям с 1956 по 1961 г. высота снежного покрова и объем наледей соответственно составляли:

Аналогичные выводы получены Б. Л. Соколовым при анализе взаимосвязи объемов и площадей различных наледей.

На образование наледей оказывает также влияние ветер. При сильных и частых ветрах снег переносится с одного места на другое. В одних местах грунт оголяется и подвергается усиленному промерзанию, в других — наносятся сугробы, которые в зависимости от времени их отложения или защищают грунт от промерзания, или способствуют сохранению в нем отрицательной температуры.

Насколько велико влияние снежного покрова на образование наледей можно судить по следующему примеру. В Магаданской области зимы 1942—1943, 1950—1951 и 1955—1956 гг. были необыкновенно многоснежными, с частыми снегопадами, пургами и большими снегозаносами на дорогах. На дорогах Магадан — Атка и Палатка — Усть-Омчуг мощность снежных отложений в отдельных местах достигала 2—3 м. Были случаи, когда грузовые автомобили оказывались полностью погребенными под снегом. Показательно, что наледей в эти годы на указанных дорогах было очень мало. Развивались только ключевые наледи с постоянными глубинными источниками питания, а наледей грунтовых и поверхностных вод почти не наблюдалось. Между тем в другие годы на указанных дорогах наледей образуется особенно много.

5. Рельеф местности и экспозиция склонов. Наблюдения и специальные исследования показывают, что наледи распространены преимущественно при горном рельефе местности. В пределах низменных равнин наледи встречаются редко. Особенно широко распространены наледи в пределах расчлененного горного рельефа при сочетании горных хребтов с межгорными впадинами, наличии широких и хорошо разработанных речных долин. Распространены наледи и в предгорных районах.

Связь распространения наледей с горным рельефом объясняется большими уклонами и формированием больших напоров подземных вод, развитием сквозных таликов, питающих подземные воды. Кроме того, эта связь объясняется также наличием в долинах горных рек молодых разломов, через которые происходит питание наледей подземными водами.

На образование наледей влияет экспозиция склонов. Склоны южной экспозиции обычно бывают сухие, и наледи на них образуются редко. Склоны северной экспозиции, как правило, бывают замаренными и часто заболоченными. В районах многолетней мерзлоты они покрыты моховым покровом, под которым не глубоко залегает многолетнемерзлая толща. По многолетней мерзлоте стекают надмерзлотные воды. Промерзание склонов уже в начале зимы приводит к выходу надмерзлотных вод на поверхность и образованию наледей.

6. Техногенные факторы. Техногенные факторы связаны с инженерной деятельностью человека. Производство земляных работ при строительстве дорог и других сооружений, рубка леса и кустарника, движенце тракторов и других машин, прокладка зимников приводят к нарушению растительного покрова и режима протекания грунтовых и поверхностных вод. В таких местах происходит более глубокое сезонное промерзание, на пути водных потоков возникают мерзлотные перемычки и образуются наледи.

После производства строительных работ вследствие нарушения природных условий часто наледи появляются там, где раньше их никогда не было. При возведении земляного полотна дорог в полувыемках и выемках вскрываются водоносные слои и затем на откосах возникают наледи. При строительстве мостов и труб также всегда в той или иной степени нарушается естественный водно-тепловой режим водотоков и создаются благоприятные условия для более интенсивного образования наледей.