Реферат: Новые результаты моделирования гидравлических характеристик дилювальных потоков из позднечетвертичного Чуйско-курайского ледниково-подпрудного озера

НОВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИКДИЛЮВИАЛЬНЫХ ПОТОКОВ ИЗ ПОЗДНЕЧЕТВЕРТИЧНОГО ЧУЙСКО-КУРАЙСКОГОЛЕДНИКОВО-ПОДПРУДНОГО ОЗЕРА

А.Н.Рудой, В.А. Земцов

Томскийгосударственный университет, Томск, Россия

ran@mail.tomsknet.ru

Спомощью последней версии компьютерной программы HEC-RAS4.0 выполнена имитация прорыва ледяной плотины и впервые определеныгидравлические параметры дилювиальных потоков при неустановившемся режимедвижения воды.

An imitation of ice dam breach has been maid on a basis ofapplication of the last version of HEC-RAS 4.0 program. For the first time,hydraulic characteristics of outburst diluvial floods have been estimated forunsteady flow.

Введение

Почтивсе межгорные котловины Южной Сибири и Северной Монголии становились вледниковые эпохи плейстоцена ледниково-подпрудными озерами. Вслед заклиматическими и гидростатическими изменениям ледниковых плотинзаполнения-опорожнения котловинных озер происходили систематически, а сбросыозерных вод были катастрофическими. Сразу за деформациями плотин и сбросомозер, согласно сохраняющимися климатическими условиям, ледники вновьвыдвигались в магистральные долины стока и подпруживали котловины.Ледники-плотины, как полагают авторы, возникали за счет сёрджейледников-притоков в главные долины. Крупнейшие котловинные озера (Чуйское,Курайское, Уймонское, Дархатское и др.) имели объемы в сотни кубическихкилометров, а расходы прорывных паводков – дилювиальных потоков – достигали миллионовкубических километров в секунду. Эти потоки трансформировали долины стока,создавая новые геологические тела, датирование которых показало наличие крупныхпотопов по долинам рек Чуя и Катунь в интервале 23 – 7 тыс. л.н., в течениекоторого произошло не менее 5 крупных дилювиальных событий. Суммарный объемводы, одновременно и неоднократно сбрасывавшийся на юг Западной Сибири толькоиз котловин Алтая, составлял до 10 тыс. км3. Все котловины ЮжнойСибири могли периодически поставлять на север около 60 тыс. км3паводковых вод. Этот сценарий разрабатывается в рамках теории дилювиальногоморфолитогенеза, созданной А.Н. Рудым [9]. Эта теория в настоящее времяпризнается подавляющим числом специалистов во всем мире и развивается, посуществу, в двух научных направлениях – палеогляциогидрологическом(четвертичная гляциогидрология) и геолого-геоморфологическом. Оба этихнаправления в настоящее время решают свои специфические задачи, первичныерезультаты которых обобщены в новейших монографиях ([2, 3, 10, 22] и др.).Одной из главных проблем теории дилювиального морфолитогенеза по-прежнемуявляется корректная реконструкция палеогидравлических характеристикдилювиальных потоков. В настоящее время к моделированию палеогидравлическиххарактеристик дилювиальных потоков приступили специалисты кафедры гидрологииТомского государственного университета под руководством В.А. Земцова.

Историяпроблемы достаточно подробно описана в работах первого автора [10, 11]. Дляпонимания хода наших новых построений, изложим ее вкратце. Первые определениярасходов дилювиальных потоков позднечетвертичного североамериканского озераМиссула для различных участков производились по известной в гидрологии формулеШези [25]. Полученные величины были огромны: от 2 до 10 млн. м3/с.Тем не менее, неопределенность коэффициента шероховатости русла приводила кзначительным неточностям. Позднее В.Р. Бейкер [14] на основании статистическогоанализа большого количества натурных данных вывел эмпирические зависимостимежду размерами гряд (высотой и длиной волны) и глубиной и скоростью потоков, вруслах которых эти гряды формировались.

В.Р.Бейкер определил и диапазон условий, в пределах которых справедливы этивзаимоотношения. Согласно зависимостям В.Р. Бейкера, для участка гигантскойряби Платово-Подгорное на 12 – 14–метровой левобережной террасе р. Катунь впредгорьях Алтая были получены средние скорости потока около 16 м/с, глубиныоколо 60 м и расходы воды, с учетом современной морфологии долины, не менее 600000 м3/с. Участок Платово-Подгорное находится почти в 300 км от возможных мест прорыва. Поток здесь распластывался, его глубины и скорости падали. В горахскорости и глубины потопов были гораздо больше. Для поля дилювиальных дюн иантидюн на участке рр. Малый Яломан – Иня в Центральном Алтае, согласнозависимостям В.Р. Бейкера, были получены глубины потока более 400 м и скорости – около 30 м/с, а расходы, соответственно, – более 1 млн. м3/с [10, 11].

Дляоценки расходов дилювиальных потоков при прорывах приледниковых озер частоприменяют эмпирические формулы Дж. Клейга и У. Мэтьюза [19] и Дж. Коста [20], вкоторых предполагается прямая связь между объемами сброшенных озер и расходамийокульлаупов в створах прорыва плотин.

Внастоящее время предпочтение отдается формуле Клейга и Мэтьюза, как болееточной. В основе этой модели лежит уравнение регрессии, выведенное порезультатам наблюдений десяти прорывов современных ледниково-подпрудных озер.Недостаток этой модели (как и других, ей подобных) для целей четвертичнойгляциогидрологии заключается в том, что: 1) она не учитывает топографию каналовпрорыва и уже на некотором удалении от озерной ванны вниз по долине стокасильно занижает значение расходов воды; 2) зависимость выведена эмпирическимпутем для современных приледниковых озер, размеры которых по крайней мере надва порядка меньше четвертичных.

Поматериалам полевых и картографических работ Алтайской российско-американскойэкспедиции 1991 г. были выполнены вычисления расходов дилювиальных потоков припрорыве всей Чуйско-Курайской системы четвертичных ледниково-продпрудных озер [15].В гидрологических расчетах профилей водной поверхности использоваласькомпьютерная программа НЕС-2 [22]. Ход вычислений основывался на решенииуравнения удельной энергии, выведенного из уравнения Бернулли дляустановившегося плавно изменяющегося течения. Основанием для вычислений были 17поперечных профилей через долину р. Чуя, выбранных на участке длиной около 18 км приблизительно между “Золотаревской будкой” и пос. Чибит по “новой долине Чуи”. Детальныегеометрические данные канала стока по семи профилям были получены изтопографических карт масштаба 1: 25 000.

Вычисленныйнами максимальный расход для Чуйско-Курайского йокульлаупа оказался равен18×106 м3/с. Эта оценка превышает таковую длямаксимального расхода дилювиального потока из ставшего уже хрестоматийнымсевероамериканского озера Миссула, который был оценен в 17 × 106м3/с [24]. Сравнение расходов центрально-азиатских исевероамериканских гляциальных суперпаводков представляется вполне корректным,так как для обоих регионов задача решалась по единой методике, а в полевыхэкспериментах участвовали одни и те же специалисты.

Материалыдетальных полевых работ немецких исследователей [22, 23] в целом подтверждаютнаши данные. При своих вычислениях эти специалисты приняли объемЧуйско-Курайской озерной системы всего в 607 км3 и исходили при этомиз абсолютных отметок береговых линий Чуйского и Курайскоголедниково-подпрудных озер в 2100 м. Тем не менее, и при минимальных объемахозер Ю. Хергет с коллегами получили очень представительные результаты.

Онипроанализировали 85-километровый участок долины р. Чуи до устья. Основанием длявычислений были 244 поперечных профиля, снятые с крупномасштабнойтопографической карты и с помощью GPS-системы на местности. Высоты поверхностей потоков принимались исходя изотметок береговых дилювиальных валов. Для обработки результатов была использована программа HEC-RAC – HydrologicEngineering Center of the US Army Corps of Engineers – River Analysis System [17].По всем профилям былиполучены расходы потоков в интервале 8 ´ 106 м3/с – 12 ´ 106 м3/с.Глубины потоков варьировали от 280 до 400 м, а средние скорости течения на разных створах были 9 – 37 м/с. Число Фруда колебалось в соответствие с энергиейпотока (топографией долины) от 0, 20 до 0, 85. Пик гидрографа стока насубкритическом участке показал расход воды в 20,5 ´ 106м3/с прискорости 72 м/с [23], что превышает и данные наших расчетов дляЧуйско-Курайской системы озер [15], и данные для оз. Миссула [24].

Основнойнедостаток этих последних работ заключался в том, что система HEC-RAS и ее предшественники позволяли моделировать толькоустановившийся режим движения воды, будь он спокойным или бурным, что несогласуется с физической природой движения паводка как существеннонеустановившегося потока. Поэтому полученные в результате моделирования указаннымиисследователями гидравлические параметры прорывных паводков, на наш взгляд,нужно рассматривать как весьма приближенные.

Цельработы. Целью работы является, таким образом, компьютерная имитация прорываледяной плотины, подпруживающей Чуйско-Курайское ледниково-подпрудное озеро впозднем плейстоцене, и определение гидравлических параметров дилювиальногопотока при неустановившемся режиме движения воды.

Последняяверсия моделирующей системы HEC-RAS 4.0 [30] позволяет моделироватьпотоки с неустановившимся движением воды, включая собственно паводки,образующиеся при прорыве плотин разного происхождения. При этом возможнаимитация разных сценариев разрушения плотины, включая ее мгновенное разрушениепри достижении определенного уровня воды в озере и более медленное разрушение врезультате фильтрации вводы в теле ледяной плотины.

Методика.Для имитации прорывных паводков Чуйско-Курайского ледниково-подпрудного намивпервые разработана модель неустановившегося движения воды в оболочке HEC-RAS 4.0. Применение такой расчетной схемы для участкаводной системы, включающего Чуйскую и Курайскую озерные котловины и долину р.Чуя до места ее слияния с Катунью позволило также впервые имитировать процессопорожнения Чуйского и Курайского озер в результате разрушения ледниковойплотины.

Расчетнеустановившегося движения ведется на основе решения системы уравнений,включающей уравнение неразрывности и уравнение сохранения импульса сил(давления, гравитации и трения). Система «русло – пойма» делится на дваотдельных потока, для каждого из которых записываются уравнения неразрывности исохранения импульса сил, решаемые методом конечных разностей. В HEC-RAS используется схема решения этих уравнений водномерной постановке, позволяющая получать стабильные результаты [17].

Длярасчета неустановившегося движения потока требуется задать граничные иначальные условия. Граничные условия задаются на концах расчетного участка и,при необходимости, внутри него (внутренние граничные условия). В качественачальных условий предварительно по схеме установившегося движения в программе HEC-RAS вычисляются расходы и уровни воды во всех заданныхпоперечных сечениях потока перед образованием паводка. При этом все поперечныесечения потока на расчетном участке должны быть заполнены водой.

Авторамиразработана модель участка длиной 235 км, включающего Чуйскую, Курайскую котловины и долину р. Чуя. В качестве топографической основы использоваласьцифровая модель современного рельефа указанных котловин и долины Чуи до еевпадения в Катунь в форме SRTM-матриц,полученных с космического корабля (http://srtm.csi.cgiar.org). Эти данные позволяют адекватнопредставить долину Чуи с поймой, но собственно современное русло реки почти непрослеживается. Для создания исходного файла геометрии потока для HEC-RAS 4.0 использовалась программа ГИС ArcView 3.2а и специализированное приложениек ней – HEC-GeoRAS 4.0 [32].

Геометрияпотока моделируется путем задания его центральной линии и поперечных сечений срасстояниями между ними. В поперечных сечениях, перпендикулярных центральнойлинии, задаются границы «мертвых» зон, обычно приуроченных к устьям долинвпадающих в главную долину притоков, где скорости основного транзитного теченияблизки к нулю. Геометрия озерных котловин выше подпруживавшей их дамбы такжемоделируется посредством задания их поперечных сечений, чтобы расчетнеустановившегося движения выполнялся как в пределах самой системы озер, так ив потоке ниже запруды, что точнее имитирует процесс опорожнения озер. Всего по причинесложного рельефа местности потребовалось задание 429 поперечных сечений. Длякаждого поперечного сечения коэффициенты шероховатости Маннинга n приняты равными 0,04.

Послезадания геометрии потока по схеме установившегося движения воды выполняется расчетначальных условий, непосредственно предшествующих моменту возникновенияпрорывного паводка. Расчет производился для докритического (спокойного) режимадвижения воды, поэтому граничные условия заданы только для нижнего створарасчетного участка – в виде нормальной глубины при уклоне на нижнем участкеЧуи. Постоянный расход во входном створе и на всем протяжении расчетногоучастка принят равным 5·104 м3/с, чтобы обеспечить«заводнение» долины потоком на всем ее протяжении перед тем, как перейтисобственно к расчету распространения паводочной волны. Такую величину расходаможно считать допустимой, так как расходы воды в период прорывного паводказначительно превышают ее более чем на порядок. При вычислении гидравлическиххарактеристик потока при установившемся режиме дополнительно выполненаинтерполяция между заданными поперечными сечениями с шагом 200 м.

Исходяиз предположения, что ледниковая запруда находилась на р. Чуя в районе с.Акташ, плотина, высотой 2200 м, «установлена» на расстоянии 112 км вверх по течению от устья Чуи (рис. 1). Наиболее неопределенными во всем процессе исследованияявляются характеристики прорыва дамбы: способ разрушения (в результате переливаводы через гребень или фильтрации по трещинам в теле плотины), форма и размерыпрорана, необходимый для его образования период времени, уровень воды вподпрудном озере выше плотины и др. Значения параметров разрушения дамбы наиболее существенновлияют на гидрограф стока ниже дамбы. Однако вниз по течению различия междуразными вариантами сглаживаются. На уровни воды заметно влияют также задаваемые значениякоэффициентов шероховатости ложа потока. В результате возможна имитация весьмамногочисленных вариантов возникновения и распространения прорывного паводка.Авторами имитировался ряд разных вариантов и сценариев прорыва, реалистичностькоторых оценивалась, исходя из соответствия рассчитанных уровней воды наприустьевом участке р. Чуя меткам высоких вод, опубликованным в [23].

/>

Рис.1. Трехмерное изображение моделируемого участка в программе HEC-RAS перед разрушением дамбы

Figure 1. 3D image of the study area in the HEC-RAS programjust before the dam breach

Вкачестве одного из наиболее приемлемых вариантов оказалось разрушение плотины втечение 2 часов в результате фильтрации воды по трещинам в теле плотины приначальном уровне воды в озере 2040 м. Максимальные уровни воды на расстоянии 10 км выше по течению от устья Чуи были приняты около 1100 м, что согласуется с положением меток высокихвод. Предельная отметка разрушения дамбы принята равной 1600 м, что примерно на 200 м превышает современные средние отметки дна долины на отрезкеблокирования стока.

Согласнорасчетам, наблюдается постепенное распластывание паводочной волны вниз потечению со снижением максимальных расходов от 3,5·106 у плотины до2,5·106 м3/с (рис. 2). Дилювиальный поток прошел порасчетному участку реки приблизительно за 3 суток. При этом произошло практическиполное опорожнение озер, динамика которого также хорошо прослеживается порезультатам моделирования. Изменение продольного профиля водной поверхности впроцессе опорожнения Чуйской и Курайской депрессий хорошо видно на рис. 3, 4 –максимальный подъем уровня воды практически на всем участке р. Чуя ниже плотиныдостигается примерно через 5 – 6 часов после начала ее разрушения.

/>

Рис. 2. Рассчитанные расходы (пунктирная линия) и уровни воды(сплошная линия) во время паводка на р. Чуя на расстоянии соответственно 10, 50и 100 км ниже места прорыва

Figure 2. Modeled dynamics of waterflow (dashed line) and stage (continuous line) during the Chuja flood at thedistance of 10, 50 and 100 km downstream of the ice dam failure

/>

Рис. 3. Рассчитанныепрофили водной поверхности на участке моделирования через 5 и 10 часов посленачала разрушения плотины. По оси абсцисс показано расстояние от места слияниярек Чуя и Катунь, по оси ординат – высотные отметки

Figure 3. Calculated water surfaceprofiles for the modeled reach in 5 and 10 hours after the start of dam breach.The main channel distance is indicated from the confluence of Chuja and Katunrivers

/>

/>

Рис. 4. Рассчитанные профили водной поверхности на участкемоделирования через 1 и 2 суток после начала разрушения плотины. По оси абсцисспоказано расстояние от места слияния рек Чуя и Катунь, по оси ординат –высотные отметки

Figure 4. Calculated water surfaceprofiles for the modeled reach in 1 and 2 days after the start of dam breach.The main channel distance is indicated from the confluence of Chuja and Katunrivers

Возможнаягеохронология. Летом 2004 года нами были отобраны образцы на 10Ве-датировкипо дилювиальным отложениям Центрального и Юго-Восточного Алтая. Результатыпервых анализов по поверхности дилювиальных берм и глыб на «высоких террасах»Катуни показали хорошую сходимость дилювиального события, произошедшего около15 тыс.л.н. Образцы отбирались с поверхности мусковит-биотитовых гранитоидов. Результатыпредставлены в табл. 1

Таблица1

Результаты10Ве-датирования дилювиальных отложений Центрального Алтая [12]

Индекс Адрес Местонахождение Абс.отм., м Абс. возраст, лет KBBS1.1

Яломанская котловина

50º28’719’’

86º37’681’’

Гигантская валунная берма (самый крупный валун) 783 15270±1050 KBBB1.2

Яломанская котловина

50º28’563’’

86º37’681’’

Гигантская валунная берма (второй по величине валун) 782 15900±930 KBBS2.1

Яломанская котловина

50º28’620’’

86º37’403’’

Валун на дилювиальной террасе 828 14970±850 KBBS2.2

Яломанская котловина

50º28’670’’

86º37’403’’

Валун на дилювиальной террасе 831 15260±830

Независимои одновременно другая международная группа проанализировала этим же методомдропстоуны на днищах Чуйского и Курайского ледниково-подпрудных озер, а такжена отмеченных участках Яломанской котловины [26]. Среднее значение по семидатировкам равно 15800±1800 лет. Как видим, наши датировки совпадают с толькочто приведенной. Однако указанные исследователи делают вывод о том, чтоЧуйско-Курайcкая система ледниково-подпрудных озериспытала лишь один прорыв около 15 тыс. лет назад, причем вся вода от этогопрорыва катастрофически поступала в Карское море и вызвала его опреснение иизменение температурных характеристик.

Впоследние 25 лет для абсолютного датирования из дилювиальных отложений Алтаяотбирались и другие образцы, результаты анализа которых в аспекте возрастадилювиальных событий приведены в табл. 2.

Теориядилювиального морфолитогенеза доказывает то, что гляциогидрологическая ситуацияв ледниковом плейстоцене гор Южной Сибири определяла множественные исистематические катастрофические прорывы котловинных ледниково-подпрудных озервремени поздневюрмского оледенения и по долинам Чуи и Катуни, и по долине Бии.

 Этатеория в общих чертах подтверждается массивом абсолютных датировок (TL, 14C, 10Be), полученных в других районах Алтая (табл.2). Предварительный анализэтих дат с учетом последних публикаций [10-12] позволяет наметить хронологиюводноледниковых потопов на Алтае: около 7 тыс.л.н.; около 12 тыс.л.н.; около 15тыс.л.н.; около 17 тыс.л.н.; после 22 тыс.л.н. и после 23 тыс.л.н. Вдействительности, паводков с расходами более 1 млн. м3/с было гораздобольше, поскольку каждый прорыв котловинного ледниково-подпрудного озера могследовать сразу же за подпруживанием котловин и блокированием стока. Ошибки жеопределения абсолютного возраста паводковых событий на несколько порядков превышаютдлительность водноледниковых катастроф [10], которая составляла от несколькихминут и дней ([22, 28], (а также — настоящая работа) до нескольких недель [18].

Таблица2

Абсолютныедатировки дилювиальных, дилювиально-озерных и озерных отложений Алтая [12][1]

Адрес Метод Абс. возраст, лет

Гигантские знаки ряби течения

Яломанской котловины

TL

7400±0.8

6200±0.7

Гигантская рябь течения

Платово-Подгорное

10Be

14C

12700±200

17900±1799

12510±160

36000±4000

Мергели и ископаемые остатки в Северном Алтае, ассоциированные с образованием Айских эворзионно-кавитационных котлов

14C

13890±200

12750±65

Курайская котловина, растительные остатки из озерных отложений в пинго (ур. Джангысколь)

14С

10845±80

10960±50

Дилювиально-озерная толща

в левобережье р. Инюшка

14С

TL

23359±400

(средняя пачка)

22275±370

(верхняя пачка)

22400±3200 (верхняя пачка)

Долина р. Бии в районе с. Чоя

14C

Подстилающий аллювий — 18620±300

Перекрывающий дилювий –

17600±500

17200±245

Другаяпроблема сопоставления датировок по дропстоунам из котловин Юго-ВосточногоАлтая и из Яломанской котловины состоит в том, что связь гляциальныхсуперпаводков из Чуйского и Курайского ледниково-подпрудных озер с образованиемдилювиального рельефа Центрального Алтая пока еще далеко не доказана. Ведь вышеЯломанской котловины по катунскому каналу дилювиальных стоков расположены обширныеУймонская, Абайская и Канская котловины, которые также в ледниковое время подпруживалисьльдом и продуцировали мощные йокульлаупы, производившие большую геологическуюработу, впечатляющим примером которой, в частности, могут быть трехсотметровыетолщи дилювия, заполняющие долину р. Катуни выше устья р. Чуи [10].

 Взаключение отметим, что, возможно, приведенные новые 10Ве-датировкипоказывают время одного из самых мощных гляциальных суперпаводков Алтая,относящегося к последним по времени и крупнейшим по объемамледниково-подпрудным озерам в Чуйской и Курайской котловинах, посколькупроанализированные дропстоуны лежат на поверхности их днищ, не «утоплены» вдонные осадки. Это также означает, что краевые моренные комплексы, обрамляющиеюжную периферию этих котловин и относившиеся к максимуму последнего оледенения(например, в работах П.А. Окишева), в действительности: 1) моложе 15 тыс. лет,потому что они террасированы береговыми линиями с датированными дропстоунами;2) никак не могут регистрировать ледниковый максимум в горах Алтая, так какледники максимального оледенения подпруживали котловины более молодых озер(датировки приведены в настоящей статье). В центральных частях котловины озерледники горного обрамления выходили в эти хронологические интервалы на плав, тоесть становились «шельфовыми» и не продуцировали конечные морены. Максимальныеабсолютные высоты поздневюрмских береговых линий в Чуйской котловине, каксказано, достигают 2250 м, т.е. намного превышают отметки днищ современныхтрогов окружающих гор (например, долина р. Актру имеет по простиранию висячегопо отношению в Курайской впадине трога отметки 2000 – 2150 м).

Обсуждениерезультатов. В задачи данного исследования не входило вычисление максимальныхрасходов дилювиальных потоков. Как видим, применение более корректной моделирасчета гидравлических характеристик дилювиальных потоков на ключевом участке,с одной стороны, показало геологическую достоверность реальности труднопредставимых себе расходов и скоростей воды при прорыве ледниково-подпрудныхозер (в чем многие в России, в частности, еще сомневаются), и, с другой, — безусловно,катастрофический характер опорожнения этих озер.

Вчастности, геолог И.А. Новиков в одной из последних монографий определеннописал, что точка зрения А.Н. Рудого и В.В. Бутвиловского на большие масштабы прорывовпалеоозер ошибочна, последние сильно преувеличены, реальные скорости и объемыводы меньше чем на порядок (то есть, гораздно менее 1 млн м3/с) [4].Вместе со своим коллегой он предложил альтернативные данные [5], где еще болееопределенно пишет, что плотины были преимущественно тектоническими, аопорожнения не носили катастрофический характер ([5] с. 236).[2]

Втретьих, эта модель показывает путь для вычисления гидравлических параметровпри любых объемах озер и метках стояния высоких вод в долинах стока. Здесь длярасчета были приняты минимальные абсолютные высоты уровней озер и,соответственно, плотин. Такой подход был применен сознательно, чтобы продемонстировать,что и при таких, пессимистических, оценках объемов озерных вод, расходыдилювиальных потоков были колоссальными.

Досих пор большая часть оценок площадей и объемов ледниково-подпрудных озер,занимавших межгорные впадины горных сооружений юга Сибири, производилась погипсометрии озерных террас. При этом различия в определениях максимальныхабсолютных высот зеркала крупнейшего и наиболее изученного в горах СибириЧуйско-Курайского ледниково-подпрудного озера поздневюрмского возраста у разныхисследователей составляют десятки и сотни метров. Такие различия дают иогромные несовпадения (в сотни кубических километров) в объемах озер, площадикоторых при самых острожных подсчетах могли достигать нескольких тысячквадратных километров. Объемы воды катастрофически прорывающихсяледниково-подпрудных озер являются одним из непременных параметров любыхмоделей расчетов гидравлических характеристик прорывных суперпаводков, поэтомуточная топографическая привязка геологических следов ледниково-подпрудных озерисключительно важна для палеогидрологических реконструкций.

Так,в самой последней работе ([22] со ссылкой на работы П.Э. Карлинга [18])максимальные высоты абразионных террас в котловинах не превышают 2100 м, при этом максимальный объем названного озера достигал 607 км3. Очень близкиеобъемы приводятся в работах П.А. Окишева и П.С. Бородавко [7] при оценке высотыозерных террас также в 2100 м (хотя в монографии первого есть и другая цифра – 2050 м [6]). По данным И.С. Новикова и С.В. Парначева [5], предельный уровень береговых линийдостигал здесь 2150 м. А.Н. Рудой по аэрофотоснимкам определил предельныйуровень береговых линий в 2200 м, при котором суммарный объем озер составилболее 1030 км3 [27-29]. Г.Г. Русанов [13] при крупномасштабномгеологическим картировании обнаружил абразионные террасы на некоторых участкахюжного склона Курайского хребта на горизонтали 2250 м.

Междутем очень информативным показателем высот зеркала озер являются полядропстоунов, часто четко привязанные к определенным гипсометрическим уровням, атакже остатки озерных отложений на бортах впадин на разных высотах.Петрографический состав дропстоунов могут служить показателем направленияпалеотечений от мест коренного залегания. Так, еще во время съемочным работ1978-1979 гг. были закартированы дропстоуны на северном макросклоне хр.Сайлюгем, в урочищах Оюм и Бураты, точно привязанные к горизонталям 2020, 2030и 2060 м. Это – роговики, гранодиориты и гнейсы (полевое определение Г.С.Романцовой [8]).

Научастке борта Чуйской впадины между устьем долины Бураты и вершиной и с абс.отм. 2129,7 м, расположенном в 2 км южнее Чуйского тракта, борт котловиныосложняют два лога, открывающихся на восток, с пологими и плоскими днищами,выполненными до высоты 2100 м озерными разнозернистыми неокатанными песками,насыщенными дресвой, плохо окатанной галькой и гравием местных пород. Эти логабыли в прошлом заливами Чуйского ледниково-подпрудного озера.

Наэтом участке от подножья борта котловины и до абсолютной отметки 2120 м тянется серия из более десятка озерных террас. В направлении с севера на юг от вершины сотметкой 2129,7 м к устью долины Бураты отмечен четкий перекос террас, особеннонижних наиболее крупных и хорошо выраженных в рельефе. С севера на юг вдольборта котловины на протяжении 600-900 м они повышаются на 5-10 м.

Озерныетеррасы огибают и вершину с отметкой 2129,7 м, располагаясь серией по ее северному и западному склону. На западном склоне этой вершине на абсолютной высоте 2070 м на площадке озерной террасы имеется плохо окатанный валун, диаметром по крупной оси околометра, сложенный гранито-гнейсами, и занесенный айсбергом с Курайского хребтаили с западной части Южно-Чуйского хребта (верховья бассейнов Елангаша иЧагана). На склонах хребта Сайлюгем, имеющих западную и северо-западнуюэкспозицию, и опускающихся в Чуйскую котловину, следы ледниково-подпрудногоозера четко выражены до абсолютных отметок 2100-2120 м. Выше этих горизонталей интенсивно развита современная солифлюкция, ни озерных песков, нитеррас и дропстоунов здесь не обнаружено. Вероятно, как полагает первый автор,во время последнего оледенения эти склоны хребта на разных участках от высот 2000 м и выше были покрыты ледниковым льдом, обрывавшимся в озеро, о чем свидетельствуют сглаженные иотполированные до блеска выходы коренных пород, сохранившиеся местами донастоящего времени.

Призаполнении водой котловин до горизонтали 2100 м и выше ледниково-подпрудные озера в Курайской и Чуйской котловинах соединялись и образовывали единое озеро. Какотмечал еще 20 лет назад Г.Г. Русанов (личное сообщение), ледниковая плотиназанимала все понижение между Курайским и Чуйским хребтами, заполняя древнюю исовременную долины Чуи ниже урочища Боротал, при этом полностью перекрываярасположенное между ними плато Белькенек с абсолютной высотой 2264 м. В ходе геологической съемки на этом плато были повсеместно установлены свежие следы древнегооледенения в виде ледниковых шрамов и штрихов, и также разнообразной эрратики,распространенной до высоты 2250 м. Петрографический состав этой эрратики, поданным Г.Г. Русанова, указывает на то, что в образовании ледниковой подпрудыучаствовали ледники, спускавшиеся с Курайского и Северо-Чуйского хребтов.

Такимобразом, абсолютные отметки ледниковой плотины, блокировавшей сток по долинеЧуи в районе плато Белькенек в конце максимума последнего оледенения превышали 2300 м, возможно, как допускают А.Н. Рудой и В.В. Бутвиловский – и 2400 м. В последнем случае при максимальном заполнении впадин сток из них мог осуществляться черезводораздельные спиллвеи, установленные этими исследователями. Отсутствие же наэтих высотах на бортах впадин абразионных и аккумулятивных террас объясняетсятем, в максимумы трансгрессий озерные воды контактировали не с кореннымибортами впадин, а с глетчерным льдом, спускавшимся в котловины со всех сторон ипереходившие на плав… В этих случаях максимальные объемы озерных вод моглидостигать 3500 км3. Достоверные, не вызывающие сомнений и выраженныев рельефе и отложениях уровни заполнения Чуйской котловины водамиледниково-подпрудного озер, приурочены к горизонтали 2250 м. Даже при этих высотах зеркала площадь Чуйско-Курайского водоема достигала нескольких тысячквадратных километров.

Заключение.В результате моделирования рассчитаны в динамике такие характеристики прорывныхпаводков, как расходы, скорости движения воды, кривые свободной поверхности,что позволило уточнить ранее полученные другими методами значения и расширитьпредставления о формировании и движении прорывных паводков в долине горнойреки.

Применяяпредложенную нами модель, можно рассчитать гидравлические параметры не толькодля различных уровней зеркала озерных вод, но и максимальные расходы, скоростии глубины дилювиальных потоков, которые, имея ввиду приведенные только чтоабсолютные отметки следов ледниково-подпрудных озер, значительно превосходили приведенныенами цифры порядка 1 млн. м3/с. Данная работа, таким образом, имеетв том числе и методический характер, что подразумевает продолжение исследованийдля различных высотных меток стояния озерных вод и высот поверхностей прорывныхпаводков не только в относительно хорошо изученных котловинах и долинах стока,но и на других подобных территориях.

Итак,все котловины Южной Сибири могли катастрофически, одновременно и неоднократнопоставлять на север десятки тысяч кубических километров паводковых вод. Возможныдва палеогидрологических сценария:

1)  регулярное поступление огромных массводы в поздне- послеледниковое время в акваторию Полярного бассейна в случаеотсутствия ледниковой преграды на севере Азии, которая блокировала бы сток Обии Енисея;

2)  регулярный и катастрофический сбросколоссального количества вещества и энергии на юго-запад, через Мансийскоеледниково-подпрудное озеро в Западной Сибири, Тургайский, Узбойский и Манычскийспиллвеи в бассейн Средиземного моря.

Обасценария подразумевают сильные изменения температуры, солености и циркуляции всоответствующих секторах Атлантики или Северного океана.

 Резюмируяв целом, отметим, что в реконструированной, крайне агрессивной природной средев позднем плейстоцене и раннем голоцене южного обрамления Западной Сибириогромной важности проблему, на наш взгляд, представляет восстановление реакциибиоты на палеогеографические изменения, причем как отдельных видов, так исообществ.

Авторывыражают искреннюю благодарность Е.А. Епимаховой, принимавшей участие вподготовке исходной информации и выполнении расчетов.

ЛИТЕРАТУРА

1.  БутвиловскийВ.В. Палеогеография последнего оледенения и голоцена Алтая:событийно-катастрофическая модель. — Томск: Томск. ун-т, 1993. 252 с.

2.  Галахов В.П.Имитационное моделирование как метод гляциологических реконструкций горногооледенения. – Новосибирск: Наука, 2001. 136 с.

3.  Зольников И.Д.,Мистрюков А.А. Четвертичные отложения и рельеф долин Чуи и Катуни. –Новосибирск: СО РАН, 2008. 182 с.

4.  Новиков И.С.Морфотектоника Алтая. – Новосибирск: Наука, 2004. 313 с.

5.  Новиков И.С.,Парначев С.В.Морфотектоника позднечетвертичных озер в речных долинах и межгорных впадинахЮго-Восточного Алтая. — Геология и геофизика, 2000, т. 41, № 2, с. 227-238.

6.  Окишев П.А. Динамика оледенения Алтая в позднемплейстоцене и голоцене. – Томск: Томск. ун-т, 1982, 209 с.

7.  Окишев П.А.,Бородавко П.С. Реконструкция «флювиальных катастроф» в горах Южной Сибири и ихпараметры. – Вестн. Томск. госуниверситета, 2001. Т. 274. С. 3-12.

8.  Рудой А.Н.Развитие речных долин бассейна Чуйской котловины в связи с особенностямичетвертичного оледенения / Регион. конф. «Эволюция речных долин Алтайскогокрая и вопросы практики». — Барнаул, 1982. С. 64-67.

9.  Рудой А.Н. Основы теории дилювиального морфолитогенеза.- Известия Русского географического общества, 1997. Вып. 1. С. 12-22.

10.  Рудой А.Н.Гигантская рябь течения (история исследований, диагностика, палеогеографическоезначение). — Томск: ТГПУ, 2005. 224 с.

11.  Рудой А.Н. Гигантская рябь течения (историяисследований, диагностика и палеогеографическое значение) // Материалыгляциологических исследований, 2006. Вып. 101. С. 24-48.

12.  Рудой А.Н.,Браун Э.Г., Галахов В.П., Черных Д.В. Новые абсолютные датировки четвертичныхгляциальных паводков Алтая. — Изв. Бийского отделения РГО. 2006. Вып. 26. С.148-151

13.  Русанов Г.Г.Максимальный уровень Чуйского ледниково-подпрудного озера в Горном Алтае — Геоморфология,2008. №1. С. 65-71.

14.  BakerV.R.Paleohydrology and sedimentology of Lake Missoula Flooding in EasternWashington. – Gel. Soc. Am. Spec. Pap., 1972. Vol. 6. 79 p.

15.  BakerV.R., Benito G., Rudoy A.N. Paleohydrology of late Pleistocene Superflooding,Altay Mountains, Siberia. — Science, 1993. Vol. 259. Р. 348-352.

16.  BarkauR.L. UNET, One-Dimensional Unsteady Flow Through a Full Network of OpenChannels. Computer Program. — St.Louis, Mo. 1992.

17.  BrunnerG.W. HEC-RASRiver Analysis System – User’s manual, version 3.0 / Hydraulic referece manual.Davis (U.S. Army Corps of Engineers), 2001. 262 P.

18.  CarlingP.A. Morphology, sedimentology and palaeohydraulic significance of large graveldunes, Altai Mountains, Siberia. — Sedimentology. 1996. Vol. 43. P. 647-664.

19.  ClagueJ.J., Mathews W.H. The Magnitude of Jokulhlaups. — J. Glacilogy, 1873. Vol. 13. P. 501-504.

20.  CostaJ.E. Floodsfrom dam failures. // Flood geomorphology. – N.Y.: John Wiley & Sons, 1988.P. 439-463.

21. FeldmanA.D. HECModels for Water Resources System Simulation: Theory and Experience. / Advancesin Hydrosciences. – N.Y., 1981. P. 297-423.

22.  HergetJ. Reconstruction of Pleistocene Ice-Dammed Lake Outburst Floods in the AltaiMountains, Siberia. — Geol. Soc. America. 2005. Spec. Pap. 386. 118 p.

23.  HergetJ. & Agatz H. Modelling ice-dammed lake outburst floods in the AltaiMountains (Siberia) with HEC-RAS. – V.R. Thorndyraft, G. Benito, M. Barriendosand M.C. Llasat. Palaeofloods, Historical Floods and Climate Variability:Application in Flood Risk Assesment, 2003. (Proc. Of the PHEFRA Workshop.Barselona, 16-19th Okt., 2002).

24.  O’ConnorJ.E., Baker V.R. Magnitudes and implications of peak discharges from glacial LakeMissoula. — Geol. Soc. Am. Bull., 1992. Vol. 104. P. 267-279.

25.  PardeeJ.T. Unusualcurrents in glacial Lake Missoula, Montana // Geol. Soc. Am. Bull., 1942. V.53. P. 1569-1600.

26.  ReutherA.U., Herget J.Ivy-Ochs S. et. al. Constraining the timing of the most recentcataclysmic flood event from ice-dammed lakes in the Russian Altai Mountains,Siberia, using cosmogenoc in situ 10Be. — Geology. 2006. Vol. 43. N11. P. 913-916.

27.  RudoyA.N. Mountain Ice-Dammed Lakes of Southern Siberia and their Influence on theDevelopment and Regime of the Runoff Systems of North Asia in the LatePleistocene. Chapter 16. (P. 215-234.) Palaeohydrology and Environmental Change/ Eds: G. Benito, V.R. Baker, K.J. Gregory — Chichester: John Wiley & SonsLtd. 1998. 353 p.

28.  RudoyA.N. Glacier-Dammed Lakes and geological work of glacial superfloods in theLate Pleistocene, Southern Siberia, Altai Mountains // QuaternaryInternational. 2002. Vol. 87/1. P. 119-140.

29.  RudoyA.N., Baker V.R. Sedimentary Effects of cataclysmic late Pleistocene glacialFlooding, Altai Mountains, Siberia // Sedimentary Geology, 1993. Vol. 85. N1-4. Р. 53-62.

30.  USArmy Corps of Engineers. Hydrologic Engineering Center. HEC-RAS, River AnalysisSystem User’s Manual. Version 4.0. Davis, CA, 2008. 747 p.

31.  USArmy Corps of Engineers. Hydrologic Engineering Center. HEC-GeoRAS. Anextension for support of HEC-RAS using ArcView. User's Manual. Version 3.1.Davis, CA, 2002. 154 p.

Аннотация

Вработе впервые выполнена компьютерная имитация прорыва ледяной плотины,подпруживавшей Чуйско-Курайское ледниково-подпрудное озеро в конце позднегоплейтостоцена на основе последней версии моделирующей системы HEC-RAS 4.0. Впервые было определены гидравлическиехарактеристики дилювиальных потоков при неустановившемся режиме движения воды.Величина пиковых расходов на проанализированном участке везде превысила 106м3/с.

Summary

In the study, for the first time, a computer imitation of abreach of ice dam, dammed the Chuja and Kuray lakes in the end of latePleistocene times, has been developed on a basis of application of the last versionof HEC-RAS 4.0 program. For the first time, hydraulic characteristics ofoutburst diluvial floods have been estimated for unsteady flow. Outburst floodpeak discharges everywhere over the study reach exceed 106 m3 c-1.

Авторы:

РудойАлексей Николаевич, дгн, профессор кафедры географии Томского государственногоуниверситета, Томск, 634012, ул. Артема, 15, кв. 99, тел. (382-2)42-59-49;

ЗемцовВалерий Алексеевич, дгн, профессор, заведующий кафедрой гидрологии Томского государственногоуниверситета, Томск