Гончаров Владимир Савельевич

Научный руководитель исследований фильтрации через Усойский завал в 1968, 1978 и 1986 годах.

 

 

 

 

 

 

Скомаровский Андрей Николаевич

Технический руководитель исследований фильтрации через Усойский завал в 1978 и 1986 годах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В.С. Гончаров, А.Н. Скомаровский

ВНИИ гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО) МПР России. E-mail: vseginge@rol.ru

 

Изучение фильтрации через Усойский завал

 

Предлагаемая статья представляет собой изложение результатов камеральных и полевых работах, выполненных сотрудниками ВСЕГИНГЕО в период с мая 1985 г. по июнь 1987 г.. По ряду объективных причин и субъективных обстоятельств результаты исследований не были опубликованы.

Исследования являлись логическим продолжением работ 1968 и 1976 годов. Основной их целью было получение информации, позволяющей с наибольшей полнотой и достоверностью оценить роль фильтрации в геодинамических процессах на Усойском завале и, по возможности, выявить особенности фильтрационной структуры завала, имеющие значение для прогноза дальнейшего развития событий. Общее представление об объектах и видах выполненных исследований дает Схема фактического материала (Рис. 1).

Авторы выражают искреннюю благодарность Юрию Максимовичу Казакову за настойчивость, проявленную им при убеждении авторов в необходимости публикации этих материалов, и за многие труды по подготовке статьи к размещению на Web.

 

 

 

Введение

Фильтрация - один из основных процессов, определяющих современное и будущее состояние Уcойского завала. Предупреждая в настоящее время перелив воды через гребень завала и поверхностный размыв его, фильтрация все же способствует, в конечном счете, снижению его устойчивости. Установившееся в настоящее время квазистационарное состояние завала может быть нарушено, в первую очередь, под воздействием сейсмических явлений, способствующих уплотнению тела завала и его «оседанию» за счет заполнения структурных пустот и пустот, выработанных фильтрующейся водой. При этом нельзя исключить возможность активизации эрозии низового откоса завала выклинивающимся фильтрационным потоком и, как следствие, - продвижение «головы» каньона вплоть до уреза воды в верхнем бъефе. Многовековой опыт гидротехники выработал незыблемый постулат: «Если на низовом откосе плотины происходит что-либо неуправляемое, плотина обречена». 

 

Взаимосвязь озер Сарезского и Шадау с областью фильтрационной разгрузки 

К параметрам, определяющим пространственные характеристики гидравлической взаимосвязи озер с областью фильтрационной разгрузки, следует отнести, в первую очередь, мощность водонепроницаемой толщи завала и положение зон питания фильтрационного потока. Несомненный интерес представляет также выявление непосредственных связей зон питания с конкретными водопроявлениями в нижнем бьефе завала.

Оценка мощности водонепроницаемой толщи. Вопрос о бурении скважин в теле завала для изучения его структуры обсуждается давно. В 1985 г. полевой отряд ташкентского института САО Гидропроект смонтировал на перемычке между озерами Сарезским и Шадау буровую установку, но бурение так и не было начато.

Рис.1. Схема фактического материала

 

В связи с отсутствием данных прямых исследований структуры завала, воспользуемся для ориентировочной оценки мощности водонепроницаемой толщи анализом исторических сведений о развитии фильтрации. Данные наблюдений в районе Усойского завала в период с 1911 по 1951 г. приведены в таблице 1 (данные за 1939, 1940 и 1951 г.г. – без точной привязки к месяцу).

 

Таблица 1. Данные гидрометрических наблюдений в районе Усойского завала (по литературным источникам)

 

Дата,

месяц, год

оз. Сарезское

оз. Шадау

Превышение

уровня оз. Шадау, м

Расход по-

верхн.стока,

м3

отметка

уровня, м

глубина,

м

отметка

уровня, м

глубина,

м

09.1911

2970

172

н/д

н/д

н/д

0

10.1913

3078

280*

3175

92

97

0

05.1914

3097

299

н/д

н/д

н/д

0,8

09.1914

3120

322

н/д

н/д

н/д

2

10.1914

3131

333

н/д

н/д

н/д

3

11.1914

3133

335

н/д

н/д

н/д

3,5

08.1915

3148

350

н/д

н/д

н/д

н/д

08.1915

3150

352

3183

100

33

2

05.1916

3144

346 (?)

н/д

н/д

н/д

10

09.1923

3211

413

н/д

н/д

н/д

15-20

08.1925

3244

446

3263

180

19

25-30

09.1926

3275

477*

3276

145*

1

70*

05.1927

3261

463

3261

178

0

67*

10.1927

3270

472

н/д

н/д

н/д

73*

09.1930

3278

480

н/д

н/д

н/д

60-70*

08.1932

н/д

н/д

н/д

н/д

н/д

50*

09.1934

3284

486*

3283

220

-1

80*

1939

3287

489*

3287

н/д

н/д

н/д

1940

3287

489*

3287

204

0

н/д

1951

3295

497

3295

212

0

н/д

 

Примечания к таблице: высотные отметки – условные; «*» - имеются достоверные сведения о прямых измерениях данного значения; «н/д» - «нет данных», т.е. данные отсутствуют или, по крайней мере, не известны авторам.

 

Г.А. Шпилько - первый из исследователей завала - сообщал, что в апреле 1914 года «...у подножия завала впервые были обнаружены несколько ручейков чистой воды, выходившие из-под завала». В мае того же года ручьев было уже шесть. Исходя из описаний, суммарный расход ручьев не превышал 0,8 м3/с. На поверхности завала также наблюдались выходы трех небольших ручьев. В течение лета и осени 1914 года видимый в районе завала поверхностный сток постепенно увеличивался, достигнув суммарно (судя по описаниям водотоков) 2-3 м3/с. В то же время на самом завале образовались два «озерца».

По поводу наблюдаемых процессов Г.А. Шпилько высказал предположение, что "...вода просачивается из бассейна, имеющего высокий уровень, каковым может быть только Сарезское озеро" [1, 2]. Однако анализ данных наблюдений показывает, что в рассматриваемое время относительно более высокий уровень воды был не в Сарезском, а в озере Шадау.

Графики динамики уровней воды в озерах и расхода поверхностного стока на завале приведены на Рис. 2 и 3.

Рис.2. Динамика уровней воды в озерах Сарезском и Шадау

 

Рис.3. Динамика поверхностного стока на завале

К времени появления поверхностного стока на завале (апрель 1914 г.) максимальная глубина Сарезского озера достигла, примерно, 300 метров. Сентябрь того же года – подъем уровня, примерно, на 20 м; октябрь – еще на 10 м; август 1915 г. - еще 20 м. Таким образом, суммарный подъем за этот период составил, примерно, 50 метров.

В оз. Шадау вследствие орографических условий уровень изначально был выше, чем в оз. Сарезском. Так, в октябре 1913 г. по данным съемки, выполненной Г.А. Шпилько, превышение составляло около 100 метров, а в августе 1915 г. - около 30 м. Отсюда следует, что уровень Сарезского оз. в апреле - мае 1914 г. был, как минимум, на 75-80 метров ниже уровня оз. Шадау. Всего же за рассматриваемый период (апрель 1914 – август 1915 г.) подъем уровня оз. Шадау был весьма небольшим: около 10 метров.

Наиболее примечательно в этот период то, что повышение уровня в Сарезском оз. на 50 (!), а в оз. Шадау на 10 метров очень слабо повлияло на суммарный расход поверхностного стока, который увеличился, примерно, от 1 до 3-5 м3/с.

Для объяснения происхождения первых водопроявлений следует, на наш взгляд, обратить внимание на селевой ("муровой") поток из воронки обрушения. Движущей силой потока являются воды атмосферных осадков, таяния снега и льда в котловине над воронкой обрушения (область питания существовавшего до обрушения ручья Усойдара). Очевидно, что до обрушения в котловине были мощные многолетние отложения льда. Линия отчленения пород прошла через эту котловину, вскрыв ее (Рис. 4). Часть скопившегося в котловине льда обрушилась, была погребена в теле и рассеяна по поверхности завала.

 

Рис. 4. Воронка обрушения и вскрытая при обвале котловина над ней.

 

Оставшийся во вскрытой воронке лед начал интенсивно таять. Сформировавшийся поток, вынося большую массу обломков пород и мелкозема, растекался из воронки двумя рукавами. Основная часть потока сходила в юго-западном направлении и растекалась по поверхности завала. Вторая, меньшая часть стекала в юго-восточном направлении и попадала в Сарезское озеро.

Судя по имеющимся данным, оба рукава потока существовали, по крайней мере, до 1956 г. В последующем, из-за переформирования верхнего участка русла сход потока по западному рукаву прекратился и до настоящего времени действует только второй рукав. При этом частота схода потока и его расход даже в течение последних двух десятилетий (1968-1986 г.г.) резко сократились. Причиной тому, по нашему мнению, - сработка запасов льда в котловине.

По сугубо ориентировочной оценке, основанной на предварительных данных электроразведки и геоморфологических реконструкциях, селевой поток вынес на поверхность завала около 150 млн. м³ твердого материала. Если принять, что объемная влажность селевой массы 50%, то, следовательно, такое же количество жидкой фазы (воды) принесено потоком на завал. Примем, что период активного действия селевого потока составляет 50 лет (1911 – 1960 г.г.). Тогда, с учетом суточной и сезонной периодичности действия потока – условно, 12 часов в сутки и 6 месяцев в году - получим осредненный расход жидкой фазы: 0,4 м³/с. Полученное значение по порядку величин вполне соответствует расходу поверхностного стока на начальной стадии его формирования.

Вторая, менее значимая составляющая поверхностного стока в рассматриваемый период обусловлена таянием части льда, обрушившегося вместе с породами завала. О наличии погребенного льда свидетельствует ряд известных в настоящее время выходов его на поверхность завала. По данным инженерно-геологической съемки, проведенной Ю.М. Казаковым в 1990 установлено около десяти выходов льда практически на поверхность завала. На таяние части льда, расположенного на поверхности или вблизи поверхности завала, указывают следы эрозионной деятельности поверхностных вод и характерные провальные формы рельефа. Существование таких форм отмечали уже исследователи завала в конце 20-х - начале 30-х годов. Правда, объяснения их происхождению не приводились. 

Практически последние сведения, относящиеся к начальному этапу формирования и развития поверхностного стока, датируются 1916 годом. Автор сообщения - И.Д. Ягелло, сменивший в должности начальника Памирского отряда Г.А. Шпилько, ушедшего на фронт Первой мировой войны. Согласно этому сообщению глубина оз. Сарезского около 350 м, а расход потока, образовавшегося ниже завала, - около 10 м³/с. Данные о положении уровня оз. Шадау не приводятся [3]. Полагаем, что оценка глубины оз. Сарезского автором этого сообщения несколько занижена. Более вероятно, на наш взгляд, значение, близкое к 360 - 370 метрам. В свою очередь, заметное увеличение расхода стока свидетельствует о начале развития фильтрации.

Завершение периода интенсивного развития фильтрации, по-видимому, с запасом по времени, следует отнести к 1923 - 1925 годам. Первая из этих дат приводится нами на основании сообщения Н.Л. Корженевского, посетившего в 1923 г. район Сарезского озера. Исходя из рассказов местных жителей, автор приходит к выводу о том, что "...река Бартанг может считаться восстановленной" [4]. Это означало, что расход потока ниже завала достиг 15-20 м³/с, т.е. значения, соответствующего по данным Г.А. Шпилько, расходу воды до Усойской катастрофы. Глубина оз. Сарезского в сентябре месяце составляла по данным Н.Л. Корженевского 413 метров.

Спустя два года, в августе 1925 г. топограф В.С. Колесников визуально оценивает расход стока в 25-30 м³/с. Отсюда он заключает, что «…расход воды в нижнем бъефе равен зимнему расходу реки до 1911 года». При этом автор сообщает, что глубина оз. Сарезского достигла 446 м, а превышение уровня оз. Шадау – около 19 метров [5]. .

Ситуация существенно изменилась к 1926 году. По данным О.К. Ланге, проводившего в этом году исследования на Усойском завале, в сентябре месяце максимальная глубина оз. Сарезского достигала 477 м, измеренный расход реки Бартанг 70 м³/с, превышение уровня воды оз. Шадау над уровнем оз. Сарезском составляло 1 метр [6]. Отсюда можно сделать вывод, что оз. Сарезское в полной мере "подключилось" к фильтрации воды через завал в период между августом 1925 г. и сентябрем 1926 г. Глубина воды в озере при этом была в пределах от 446 м до 477 м

Обращает на себя внимание период резкого снижения расхода стока, относящийся к 1928-33 годам (Рис.3). По-видимому, именно в это время происходили наиболее значительные изменения структуры завала, обусловленные развитием фильтрации

Из приведенного выше анализа можно сделать предварительное заключение о том, что в толще Усойского завала условно выделяются три зоны, характеризующиеся различной степенью водопроницаемости. Первая из них, приуроченная к отметкам от 2798 м до 3150 м (интервал глубин 500 – 350 м), - практически водонепроницаема. Вторая, расположенная в интервале отметок 3150 – 3250 м (интервал глубин 350 – 450 м), может быть охарактеризована как слабоводопроницаемая. И, наконец, третья, расположенная выше отметки 3250 м, - зона высокой водопроницаемости.

Подтверждением заключения, сделанного на основе анализа литературных источников, служат экспериментальные данные, характеризующие интенсивность водообмена в Сарезском озере.

В качестве перспективных способов оценки интенсивности водообмена нами рассматривались:

- определение распределения температуры воды по глубине озер Сарезского и Шадау методом термометрии;

- определение распределения химического и изотопного состава воды по глубине озер методами химического и изотопного анализа проб;

- измерение скорости движения воды непосредственно на верховом откосе завала методом термоанемометрии.

Термометрия. Первая попытка количественно оценить мощность водопроницаемой толщи пород завала по данным термометрии была предпринята сотрудниками ГМС Ирхт. В 1943 и 1946 г.г. ими были выполнены наблюдения за режимом температуры воды по глубине оз. Сарезского и разовые измерения температуры воды в водопроявлениях в нижнем бьефе завала. Исходя из полученных данных, В.В. Акуловым было высказано предположение, что «…основная масса воды, поступающей в завал, идет на глубине 50-60м.» [7].

В ходе наших исследований 1986 г. температуру воды в озерах измеряли в трех точках: Т-1 и Т-2 - на оз. Сарезском и Т-3 - на оз. Шадау (Рис.1). Топографическая привязка точек не производилась. Измерения выполняли термометром сопротивлений с пределом абсолютной погрешности ± 0,2ºС. Результаты измерений представлены на Рис 5.

 

Рис. 5. Распределение значений температуры воды по глубине озер Сарезское и Шадау

 

Полученные данные не только подтверждают, но и дополняют выводы В.В. Акулова. Так, на термограмме от 07.07.86 г. на точке Т-1 отмечаются аномальные (повышенные) значения температуры как в интервале глубин 40-55 м, так и на глубине 70-75 м. Отмечается подобная аномалия, приуроченная к глубинам 60-70 м, и на термограмме в точке Т-2, Наличие подобных аномалий объясняется, на наш взгляд, «подтягиванием» воды из приповерхностных, более теплых слоев к расположенным на этих глубинах мощным областям питания фильтрационного потока.

Полученные результаты показали, что температурные наблюдения в озерах могут дать ценную дополнительную информацию для выявления положения глубоководных зон питания фильтрационного потока. Однако требуемый результат может быть получен только в том случае, если измерения выполняются по сгущенной сети постоянных, привязанных в плане точек в варианте наблюдений за режимом параметра. В качестве средства измерений целесообразно применить стационарные термокосы длиной до 250-300 м.

В 1985 г. термометрические наблюдения на оз. Сарезском провела Южная геофизическая экспедиция УГ ТаджССР, но результаты этих работ авторам не известны.

Анализы химического и изотопного состава воды. Состав воды, в отличие от ее температуры, в значительно меньшей степени зависит от сезонных факторов, что способствует повышению достоверности оценок, основанных на данных химических и изотопных анализов.

Пробы воды для анализа химического состава отбирали из озер Сарезского и Шадау в режиме разового опробования. Глубина опробования: оз. Сарезское – 300 м; оз. Шадау – 190 м. На изотопный анализ пробы по глубине были отобраны только из оз. Сарезском. Из оз. Шадау отобрана всего одна проба. Анализ проб выполнили гидрохимическая и изотопная лаборатории ВСЕГИНГЕО. Химический анализ включал стандартное определение содержания шести макрокомпонентов, а также содержания железа, меди, марганца, свинца, кадмия и никеля. Анализ изотопного состава выполнен на содержание трития. Наиболее интересные, на наш взгляд, результаты анализов представлены на Рис 6. и 7.

Рис. 6. Распределение основных макрокомпонентов химического состава воды по глубине оз. Сарезского

 

Данные, приведенные на Рис 6, показывают, что в оз. Сарезском, на глубине около 70-80 м наблюдается смена гидрокарбонатно–кальциево-магниевого типа воды на сульфатно-кальциево-магниевый. Смена состава может быть следствием испарительного режима озера или проявлением субаквальной разгрузки подземных вод сульфатно-кальциевого типа.

Рис. 7. Распределение общей минерализации воды (ОМ) и трития по глубине озер

 

Для проверки этого обстоятельства была приготовлена проба упариванием в естественных условиях воды, отобранной из поверхностного слоя глубиной 0-10 м. Последующий химический анализ этой пробы показал, что в результате упаривания формируется вода сульфатно-магниево-кальциевого типа. Результат этого эксперимента указывает на наличие субаквальной разгрузки подземных вод. Объем этой разгрузки, которая на сегодняшний день совершенно не учитывается в водном балансе озера, может быть оценен по результатам более детальных гидрохимических исследований.

По обследованной глубине оз. Шадау вода сульфатно-кальциево-магниевого типа, что является, по-видимому, следствием выщелачивания гипса в бассейне р. Шадау-дара. Смена типа воды в оз. Шадау, аналогичная наблюдаемой в оз. Сарезском, вероятна на глубине около 50 метров.

Распределение общей минерализации и содержания трития по глубине (Рис 7) однозначно указывает на наличие в оз. Сарезском трех областей, характеризующихся различной скоростью водообмена. Приповерхностная область - глубины 0-100 м, - в которой минерализация составляет 250-370 мг/л, а содержание трития около 40 ТЕ, характеризуется активным водообменом. Глубинная область – глубины 150 м и более, - в которой минерализация от 650 мг/л на верхней границе увеличивается с глубиной до 800 мг/л, а содержание трития около 20 ТЕ (что значительно ниже современного), - область медленного водообмена. Область, относящаяся к глубинам 100-150 м, - переходная и характеризуется затрудненным водообменом.

Исходя из этих данных, положение условной границы между областями активного и замедленного водообмена можно принять ориентировочно на глубине 120-130 м от поверхности воды в оз. Сарезском. В целом, результаты гидрохимических и изотопных исследований достаточно хорошо, на наш взгляд, согласуются с приведенными выше заключениями, основанными на гидрологических наблюдениях за динамикой уровней воды в озерах и поверхностного стока на завале.

 

Положение областей питания фильтрационного потока

Выше отмечалось, что впервые вопрос о происхождении родников в нижнем бьефе завала возник в 1914 г., практически сразу после их появления. Г.А. Шпилько тогда же высказал предположение о связи первых водотоков у «подножия завала» с оз. Сарезским. Однако данные о динамике уровней озер Сарезского и Шадау позволяют поставить под большое сомнение это положение. Наблюдавшееся в это время значительное превышение уровня оз. Шадау (на 75-80 м) дает больше оснований считать именно его побережьe областью питания этих родников.

В 1926 г. А.Н. Волков, сотрудник экспедиции О.К. Ланге, проходя вдоль призавальной части побережья Сарезского оз., обнаружил видимое невооруженным глазом втекание воды из озера в завал. Наблюдалось оно на участке протяженностью несколько десятков метров, но не сплошь по всей длине, а в отдельных местах. Точное положение обнаруженной зоны инфлюации в известных нам материалах экспедиции не обозначено. Отмечается лишь, что зона находилась ближе к северному примыканию завала.

В 1930 г. при осмотре этого места Н.К. Радионов - участник экспедиции, руководимой В.А. Афанасьевым, - визуально определил, что скорость, с которой вода входит в полости между глыбами, достигает 2 м/с. Тогда же впервые было высказано предположение о взаимосвязи трех групп мощных выходов воды в нижней части каньона с озером Шадау. Основанием для такого заключения послужили обнаруженные различия температуры и минерализации воды в этих родниках по сравнению с родниками, расположенными выше по каньону [8].

Аналогичные данные по температуре, полученные в 1932г. Н.А. Карауловым, были интерпретированы иначе [9]. Автор не сомневался, что вся вода поступает в завал из Сарезского озера, а различия температуры в родниках объяснял следующим:

- зоны питания расположены на различных глубинах или

- зоны питания на одной глубине, но поток движется к каньону разными путями.

Спустя два года В.А. Афанасьев, вторично проводивший исследования на завале, наблюдал, что вода "...с поверхности озера устремляется в тело завала огромным потоком, шириной в 20-25 метров"[10].

Сотрудник ГМС Ирхт гидрогеолог А.А. Солдатов в 1939г. тщательно обследовал все побережье завала и обнаружил, что со стороны озера Сарезского втекание воды наблюдается на участке длиной 120 м в 14-ти местах. Автор считал, что кроме видимых мест, вообще весь завал "пропускает" воду, в том числе и на глубине, но там питание мало. Со стороны озера Шадау зон питания обнаружить не удалось, что было объяснено малой долей фильтрации из него (по оценке автора, которую он не обосновывает, - 1-2 м³/с) [11].

Отметим, что все упомянутые выше наблюдения топографически не привязаны к месту их выполнения: «со стороны озера», «в северной части завала» и тому подобное. И есть все основания полагать, что выполнены они были в разных местах, поскольку за период с 1926 по 1939 год уровень оз. Сарезского поднялся, как минимум, на 15 м.

В1939-41 г.г. сотрудники ГМС Ирхт при морфометрической съемке Сарезского оз. провели измерения глубинных и придонных скоростей движения воды гидрометрической вертушкой. Движение воды было обнаружено только в одном заливе озера: на глубине 0,25-0,3 м скорость составила 0,1-0,2 м/с [12]. Залив, расположенный в северной половине завала, был обозначен на плане под наименованием «бухта Соединения».

Наблюдения, выполненные в 1943 и 1946 годах. позволили высказать предположение, что "...основная масса воды, поступающей в завал, идет на глубине 50-60 м. В тело завала вода входит свободным и бесшумным потоком шириной 50-60 м в северо-восточной части его" [7].

В 1956 г. завал посетила экспедиция МИСИ им. В.В. Куйбышева под руководством О.Ф. Васильева. Он же - автор отчета о посещении - отмечает, что "... мест ярко выраженного сосредоточенного входа воды в тело завала, наблюдавшихся в 1926 и в 1934 годах, теперь нет". Однако обнаружены три участка в бухте Соединения и на юг от нее, на которых вода плавно входит в завал со скоростью до 0,5 м/с. Протяженность каждого из участков составляла несколько десятков метров.

Отсутствие старых зон инфлюации О.Ф. Васильев объясняет не затоплением их в связи с подъемом уровня (по его оценке около 7,5 м только за 1940-1950 годы), а изменениями в теле завала и на его напорной поверхности, вызывающими увеличение гидравлического сопротивления [13].

Трассирование. Детальные поиски зон инфлюации в прибрежной полосе завала выполнил в 1968 г. институт ВСЕГИНГЕО [14, 15]. Методика работ основана на формировании вдоль береговой линии, на глубине 2 м протяженного следа флоуресцентного красителя (уранина) и последующих визуальных наблюдениях за его деформацией под воздействием течений. В тех местах, где имелись зоны питания, участки сформированного следа изгибались по направлению к завалу. В зонах с высокими скоростями индикатор быстро рассеивался. Напротив, при отсутствии выраженного потока наблюдалось медленное размывание следа вследствие диффузии и дисперсии индикатора. Всего вдоль верхнего бъефа по озерам Сарезскому и Шадау было пройдено 70 створов, общая протяженность которых составила около 6 км. Положение створов в плане было привязано к реперам («турикам»), установленным топографами.

В прибрежной полосе оз. Сарезского выявлено большое количество мест повышенной инфлюации, суммарной протяженностью около 800 м. Расположены они в основном в северной половине побережья. В шести зонах, в том числе и в бухте Соединения, зарегистрированы скорости движения воды около 0,03 – 0,1 м/с, а в остальных - значительно меньше. Вдоль побережья озера Шадау были выявлены лишь 5 незначительных по протяженности зон, расположенных в северо-западной части побережья. Здесь скорость течения составила сотые доли метра в секунду. На порядок выше скорости зарегистрированы в зоне, приуроченной к западному берегу врезающегося в завал северного залива оз. Шадау.

Термоанемометрия. Первые попытки поиска более глубоководных зон питания фильтрационного потока были предприняты нами в 1976 и продолжены в 1986 году [16]. Методика поиска основана на точечных измерениях придонных скоростей движения и температуры воды непосредственно на верховом откосе завала со стороны оз. Сарезского. Обследована прибрежная полоса протяженностью по урезу воды около 3100 м, начиная от устья селевого потока у северного примыкания завала. При этом применяли специально разработанный во ВСЕГИНГЕО макет термометра-термоанемометра.

Измерения проводили с лодки, перемещаемой по закрепленным и привязанным в плане створам, начинавшимся от уреза воды и отстоявшим друг от друга на расстояние около 100м. Расстояние между станциями в одном створе составляло 10 м. В отдельных случаях для повышения детальности исследования его сокращали до 5 м. На каждой станции измеряли глубину до поверхности завала, придонную температуру и скорость движения воды. Всего было пройдено 36 створов длиной от 75 до 145 м; общее количество станций около 400. Максимальная глубина обследования не превышала 65 м.

Данные измерений показывают, что в обследованной полосе, на глубинах от 0 до 50 м имеются многочисленные локальные зоны питания фильтрационного потока. Расположены они преимущественно в северной и средней части побережья на участке протяженностью около 2000 метров. Распределение по глубине точек, в которых зарегистрировано движение воды, и характеристика  выявленных зон инфлюации приведены в таблицах 2 и 3.

 

Таблица 2. Распределение точек, в которых зарегистрировано движение воды

 

Глубина, м

Количество точек, в которых зарегистрирована

скорость движения воды V, мм/с

5 - 10

11 - 20

21 - 30

31 и более

0-10

22

18

3

10

10-20

13

21

3

8

20-30

16

5

3

2

30-40

15

1

-

3

40-50

22

1

-

-

50-60

6

1

-

-

 

Таблица 3. Характеристика выявленных зон инфлюации

Глубина, м

Количество зон, характеризуемых степенью проницаемости

низкой

средней

высокой

0-10

8

2

8

10-20

9

1

4

20-30

1

-

3

30-40

1

-

1

40-50

7

-

1

50-60

1

-

-

Всего:

27

3

17

Примечание. Характеристики проницаемости приняты условно, исходя из значений скорости, зарегистрированной в зоне:

10 - 20 мм/с – низкая проницаемость;

20 - 30 мм/с – средняя проницаемость;

свыше 30 мм/с – высокая проницаемость.

 

По ориентировочной оценке суммарная площадь зон со средней и высокой проницаемостью в обследованной полосе составляет около 20000 м², а зон с низкой проницаемостью – около 50000 м²

Исходя из пространственного расположения точек, в которых зарегистрировано движение воды, представляется, что в большинстве случаев зоны питания имеют протяженную вдоль горизонталей конфигурацию, что обусловлено особенностями строения завала. Зачастую зоны инфлюации приурочены к участкам резкого выполаживания подводной поверхности завала или смены знака ее уклона. Отметим также, что во многих случаях в точках с высокими значениями скорости наблюдается аномально пониженная для данной глубины температура воды. Резкое выполаживание рельефа вкупе с аномальным понижением температуры в определенной мере может рассматриваться в качестве поискового признака зон инфлюации.

Полученные при термоанемометрии результаты промеров глубины могут быть использованы для построения довольно детальной гипсометрической схемы верхового откоса завала в пределах обследованной полосы.

 

Пространственные гидравлические взаимосвязи

Вопрос о гидравлической взаимосвязи верхнего бьфа Усойского завала с областью разгрузки фильтрационного потока возникал неоднократно. Ряд исследователей обоснованно связывал развитие эрозионных процессов в теле и на поверхности завала с условиями гидравлической взаимосвязи. Основаниями для тех или иных заключений о взаимосвязи служили данные как косвенных, так и прямых исследований. К первым относятся данные о распределении температуры и химического состава воды в озерах и водопроявлениях в нижнем бьефе, а также расход стока в нижнем бьефе в сопоставлении с положением уровня воды в озерах. Прямые определения выполняли методом искусственных индикаторов, включавшим ввод индикатора в зонах инфлюации и наблюдения за его появлением в водотоках в нижнем бьефе.

Выше упоминалось, что Н.Е. Радионов, исходя из распределения температуры и химического состава воды в родниках, высказал предположение о питании трех групп родников в низовьях каньона из оз. Шадау.

После 1930 г. измерения температуры воды в родниках, а также определения минерализации и химического состава производилось неоднократно. В целом, результаты этих работ были тождественны: по мере удаления от головы каньона температура воды в родниках понижается, а минерализация растет. Несмотря на очевидные количественные расхождения, практически идентичными были и основанные на этих данных выводы: головные родники питаются верхними, более теплыми слоями воды Сарезского озера, а нижние - более глубокими, с повышенной минерализацией.

Основной недостаток этих исследований, заключался, на наш взгляд, в разовом характере опробований без учета таких факторов, как положение уровней озер и динамики составляющих стока. В связи с чем, нами были выполнены комплексные наблюдения за режимами уровней озер, температуры и химического состава воды в водопроявлениях в нижнем бьефе и режимом составляющих баланса поверхностного стока в каньоне.

Режим уровней. В связи с затяжной весной 1986 г. начало наблюдений совпало с первыми проявлениями сезонного подъема уровней воды в озерах. За время с 24.06 по 31.08.86 г. подъем уровня оз. Сарезского составил 601 см, а оз. Шадау – 599 см. При этом постоянно сохранялось некоторое превышение уровня от 1 до 28 см в первом их них.

Режим температуры. Температуру воды в родниках и в потоке каньона измеряли родниковым термометром (предел основной погрешности 0,2ºС). Измерения выполняли в 17 наиболее крупных родниках в голове и по левому борту каньона, а также в створе С-3 на выходе руслового потока из каньона.

 

Рис. 8. Динамика температуры воды в родниках в восточной части каньона и в замыкающем створе С-3

 

Рис. 9. Динамика температуры воды в родниках в западной части каньона

 

Приведенные выше данные наблюдений за температурой воды в озерах (Рис.5) показывают, что минимум в термоклине в оз. Сарезском составлял 5,2ºС и находился на глубине от 50 до 60 м. Сезонное повышение температуры в приповерхностном слое воды в озере за период наблюдений проявилось на глубине до 45 метров. В оз. Шадау минимум в термоклине составлял 6,3 С  и находился в начале июля на глубине 30-35 м..

Как видим, температура воды в родниках Р-1, Р-2, Р-3, Р-4 в период наблюдений соответствовала минимальной температуре воды в термоклине оз. Шадау. Исходя из этого, можно полагать, что области питания этих родников находятся на верховом откосе завала со стороны оз. Шадау на глубинах от 35 – 40 м. И если это так, то в ретроспективе развития фильтрации первым проявившимся из этой группы родников следует считать Р-4, а последним Р-1.

В свою очередь, температура воды в родниках Р-18, Р-15, Р-13, Р-12, Р-8 близка к минимальной температуре в термоклине в оз. Сарезском. Поэтому можно полагать, что области питания этой группы родников расположены на верховом откосе завала со стороны оз. Сарезского на глубинах 30-60 м. При этом наиболее вероятны большие значения из указанного диапазона глубин.

И наконец, практически не вызывает сомнений, что родники от Р-21 и до Р-40 связаны с зонами инфлюации, расположенными существенно выше по откосу завала, вплоть до уреза воды.

Это предположение косвенно подтверждают аномально низкие значения температуры воды в родниках от Р-21 до Р-40, наблюдаемые в начале периода подъема уровня: от 3,8 до 4,2ºС. Судя по данным, приведенным на Рис. 5, ни в оз. Сарезском, ни в оз. Шадау вообще не отмечены столь низкие значения температуры. Объяснить наблюдаемое явление можно, на наш взгляд, только тем, что значительная часть фильтрационного потока, разгружающегося через упомянутые родники, в зимний период перемерзает, так как участки области транзита расположены вблизи поверхности завала, выше глубины сезонного промерзания. О неглубоком залегании зон питания этой части потока свидетельствует и четкая реакция этих родников на повышение температуры воды в приповерхностных слоях озера.

Химический состав воды. Как явствует из изложенного выше, прямые сопоставления значений температуры все же не дают конкретного ответа на вопрос о пространственных гидравлических взаимосвязях родников с областями питания. Представляется, что дополнительные сведения для идентификации гидравлических связей могли бы дать сопоставления данных о химическом составе воды. Хотя бы по той причине, что этот показатель, в отличие от температуры, в значительно меньшей степени подвержен сезонным колебаниям.

В 1968 и в 1976 годах нами были проведены разовые опробования в озерах Сарезском и Шадау, а также в наиболее крупных по дебиту родниках на содержание макро- и микрокомпонентов. Одновременно были отобраны пробы на анализ содержания стабильных изотопов дейтерий (D) и кислород-18 (18О). Наблюдения, выполненные на этом этапе и дополненные результатами опробований в 1986 г., позволили сделать следующие заключения:

- воды родников идентичны по составу и относятся к гидрокарбонатно – кальциево - магниевым с общей минерализацией от 260 до 300 мг/л;

- за время наблюдений значимые изменения состава и общей минерализации воды ни в одном из родников по левому борту каньона не зарегистрированы;

- какие-либо «маркирующие» макро- или микрокомпоненты, позволяющие дифференцировать гидравлические взаимосвязи озер с водопроявлениями в каньоне, не выявлены;

- судя по содержанию изотопов D и 18О, воды озер на глубине до 50 м и в опробованных родниках снежно-ледникового происхождения; вода из родника Р-36 близка по содержанию этих изотопов к воде оз. Сарезского на глубине около 50 м;

- содержание трития в воде родников – на уровне современного: от 36 до 47 ТЕ, что свидетельствует о преимущественном вкладе в фильтрационный расход «молодой» воды из приповерхностных слоев озер.

В целом, косвенные методы, основанные на прямых сопоставлениях температуры и химического состава воды, не позволяют в условиях Усойского завала однозначно судить о гидравлических взаимосвязях. Однако полученные данные с высокой степенью достоверности показывают, что основная часть фильтрационного потока, разгружающегося в каньоне, питается в зонах, расположенных выше границы гидрохимических типов вод, т.е. на глубине не более 70 м со стороны озера Сарезского и не более 50 м в озepe Шадау.

Режим поверхностного стока. Первые инструментальные измерения расхода потока в каньоне были выполнены экспедицией О.К. Ланге в октябре 1926 г. и дали результат: 69,7 м³/с.

Измерения вертушкой, выполненные в сентябре 1930 года экспедицией В.А. Афанасьева, дали значение расхода потока в каньоне 50-70 м³/с.

В августе 1932 г. Н.А. Караулов (тоже с помощью вертушки) оценил расход реки Мургаб у кишлака Барчадив значением 50 м³/с. Одновременно, он пришел к заключению, что непосредственно в голове каньона выклинивается около половины расхода реки Мургаб. Всего же на участке каньона протяженностью 250 м, считая от головы, - около 80% расхода. Общая протяженность каньона составляла в то время около одного километра.

С 23 сентября по 2 октября 1934 г. экспедиция В.А. Афанасьева выполнила вертушкой восемь измерений расхода р. Мургаб в створе у к. Барчадив. Измерения пришлись на период раннего в том году спада уровней воды в озерах. Однако были зарегистрированы весьма высокие значения расхода: от 71 до 90 м³/с.

Анализируя известные данные гидрометрии в каньоне, авторы поставили под сомнение достоверность измерений расхода в каньоне вертушкой в условиях неопределенной геометрии русла и очень высокой турбулентности потока. Что касается измерений расходов родников, то возможность применения вертушки здесь вообще полностью исключена.

Учитывая эти обстоятельства, нами в качестве метода измерения составляющих баланса стока был применен метод искусственных индикаторов (красителей) в следующей модификации: разбавление индикатора в потоке при продолжительном запуске его раствора с постоянным расходом. В качестве индикатора применяли флуоресцентный краситель уранин (флуоресцеин-натрий). Анализы содержания индикатора в отобранных в процессе измерений расхода пробах воды проводили непосредственно на месте работ с помощью разработанного во ВСЕГИНГЕО полевого флуориметра-колориметра.

В качестве примера на Рис. 10 приведены результаты измерений составляющих баланса стока, выполненных 23.07.86 г. Суммарный расход стока в каньоне на эту дату составил 66 м³/с.

 

Рис. 10. Составляющие стока в каньоне

1 – суммарный дебит родников от Р-40 до Р-24 включительно (22 м³/с)

2 – разгрузка в русло на участке от головы каньона до створа С-1 (29,5 м³/с)

3 - суммарный дебит родников от Р-22 до Р-13 включительно (2,3 м³/с)

4 - разгрузка в русло на участке от створа С-1 до створа С-2 (9,2 м³/с)

5 - суммарный дебит родников от Р-8 до Р-1 включительно (2,2 м³/с)

6 - разгрузка в русло на участке от створа С-2 до  створа С-3 (0,8 м³/с)

 

Данные измерений показывают, что суммарные дебиты фильтрационной разгрузки через родники и непосредственно в русло примерно равноценны. При этом очевидно, что оценка расхода разгрузки в русло несколько завышена, так как измерить расходы некоторых малодебитных родников не представляется возможным. Аналогичные в количественном соотношении данные были получены и при измерениях, проведенных в 1968 и 1976 г.г.

Обобщая результаты выполненных нами гидрометрических наблюдений, можно сделать следующие заключения:

- обусловленное подъемом уровня воды в озерах сезонное увеличение расхода фильтрационной разгрузки на головном участке каньона происходит, в основном, за счет увеличения дебита родников;

- напротив, на остальной части каньона расход стока возрастает за счет увеличения разгрузки непосредственно в русло потока.

Механизмы, вызывающие приращения составляющих стока с повышением уровня воды в озерах, различны. Приращение дебита родников в голове каньона обусловлено «подключением» новых высокопроницаемых зон инфлюации. Разгрузка же в русло возрастает, по всей вероятности, вследствие увеличения гидростатического давления в области относительно глубоководных зон инфлюации.

Прямые определения взаимосвязей. Как ни убедительны в основном подтверждающиеся результаты исследований, выполненных косвенными методами, наиболее достоверное заключение о гидравлических взаимосвязях в условиях Усойского завала может быть основано только на данных прямых определений.

Первые опыты прямого определения гидравлических взаимосвязей были выполнены в 1934 году экспедицией В.А. Афанасьева. В поток, входящий в завал со стороны оз. Сарезского (место запуска на плане не зафиксировано), был введен марганцевокислый калий Через одиннадцать с половиной минут визуально было зарегистрировано его появление в голове каньона. Таким образом экспериментально было доказана взаимосвязь зоны питания, в которой был введен индикатор, с родниками в голове каньона. Данные этого эксперимента позволили оценить действительную скорость движения воды в теле завала, которая по расчетам авторов оказалась равной 2,68 м/с.

Тогда же была предпринята попытка подтвердить и наличие взаимосвязи оз. Шадау с нижними родниками. С этой целью вода в десятиметровой полосе призавальной части побережья оз. Шадау, как пишут авторы, «…закрашивалась флуоресцеином». Визуальные наблюдения в родниках в течение четырех суток положительного результата не дали. Несмотря на это, исследователи не пришли к выводу об отсутствии взаимосвязи, допуская, что «…индикатор мог появиться в темное время суток и остался незамеченным».

В1939 г. запуск индикатора («анилинового красителя») в бухте Соединения осуществил А.А. Солдатов. Качество красителя, по заключению самого исследователя, оказалось неудовлетворительным и, соответственно, результаты были сомнительны. Но все же автор приводит рассчитанное по данным этого эксперимента значение действительной скорости: 1,73 м/с.

В 1968 и 1976 годах полевая партия ВСЕГИНГЕО провела в общей сложности десять запусков индикатора в районе бухты Соединения и в бухте, расположенной в 200 м южнее. В семи опытах применяли растворы флуоресцентных красителей родамин-С и уранин в количестве 1-2 кг (1968 г.) и 10 кг (1976 г.) на каждый запуск. Несмотря на то, что при опытах с применением флуоресцентных красителей анализ проб воды на содержание индикаторов проводился с помощью высокочувствительных флуориметров (пороговая чувствительность определения уранина порядка 10-5 г/л), индикаторы в водопроявлениях в каньоне не были зарегистрированы. Это, прямо скажем, очень неожиданное обстоятельство могло иметь одно из двух объяснений:

- несоответствие априорных представлений, принятых при планировании и проведении опыта, реальным параметрам и условиям протекания исследуемых процессов или

- чрезвычайно высокое разбавление индикатора в фильтрующемся потоке.

С целью проверки этих версий решено было повторить опыты с использованием более высокочувствительных индикаторов - радиоактивных изотопов. В 1968 г. в качестве индикатора был применен изотоп рутений-106 (активность 31,4 мКю) и в 1976 г. – дважды - изотоп кобальт-60 в комплексе с ЭДТА (активность 10 и 20 мКю на запуск) [17]. Запуски индикаторов производили в «импульсном» режиме. Радиоактивность проб воды, отобранных из основных родников и из потока в каньоне, измеряли высокочувствительным радиометром РКБ-03.

Результаты первого из серии экспериментов (рекогносцировочного) подтвердили наличие связи бухты Соединения с головным участком каньона. Они же показали, что структура фильтрационного потока далеко не проста. «Трехгорбая» кривая отклика указывала на наличие, как минимум, трех путей движения индикатора от места запуска в каньон с действительными скоростями 1,5; 2,8 и 3,9 м/с.

При аналогичном эксперименте в 1976 г. с достоверностью на уровне 0,99 были получены более высокие значения скорости: от 2,5 до 5,4 м/с (наиболее вероятны значения от 3 до 4 м/с). Большие, нежели в 1968 г., значения скорости могут быть объяснены, в первую очередь, более высоким стоянием уровня воды в озерах.

Второй в 1976 г. запуск радиоиндикатора был произведен в бухте, расположенной южнее бухты Соединения. Индикатор был обнаружен в отдельных родниках в головной, средней и низовой части каньона. Скорость движения индикатора была оценена значениями, лежащими в интервале от 1,1 до 3,1 м/с. Минимальные значения характерны для части потока, движущегося в голове, а максимальные - в низовье каньона.

С целью определения миграционных параметров фильтрационного потока в 1986 г. проведен индикаторный эксперимент по методике «пакетного» (длительного) запуска с постоянным расходом высококонцентрированного раствора уранина. Запуск индикатора произведен в той же бухте Соединения (Рис 16). Исходная концентрация индикатора 150 г/л; продолжительность запуска 2 часа 28 мин. Наблюдения за его появлением в каньоне вели в основных родниках (Р-37, Р-26, Р-21, Р-4) и в русловом потоке, в створах С-1 и С-3. Отбор проб воды на анализ начат с момента запуска индикатора и закончен спустя 5 часов. Анализы проб на содержание индикатора проводили с помощью полевого флуориметра конструкции ВСЕГИНГЕО. Опыт дал отрицательные результаты: ни в одной из отобранных проб значимые содержания индикатора зарегистрированы не были. По не очень достоверным сведениям, экипаж вертолета, работавшего в районе к.Барчадив, на следующий день после запуска индикатора наблюдал движущееся по р.Бартанг пятно ярко-зеленого цвета, присущего раствору уранина. 

Обобщая результаты наших и выполненных ранее экспериментов по прямому определению пространственных гидравлических взаимосвязей, можно сделать следующие основные выводы:

- отдельные зоны инфлюации, расположенные на верховом откосе Усойского завала, в частности, в бухте Соединения, имеют гидравлическую связь с областью разгрузки фильтрационного потока в головной части каньона;

- экспериментально определенные значения действительной скорости движения воды в теле завала лежат в интервале от 1 до 5 м/с, что сопоставимо со скоростью течения в открытых потоках в каньоне;

- данные анализов, выполненных при индикаторных опытах, указывают на очень высокое разбавление индикатора в потоке – порядка 0,1 – 1,0 млрд., - что свидетельствует о сложности структуры потока и взаимодействия его элементов. Не исключена возможность наличия в теле завала значительных по объему полостей (промежуточных дрен фильтрационного потока), в которых происходит смешение его составляющих;

- метод индикаторов при соответствующей информационной и технологической подготовке наиболее перспективен в условиях Усойского завала для решения задач фильтрации и гидрометрии.

 

Фильтрационные свойства завала

Современная изученность условий фильтрации через Усойский завал недостаточна для достоверных оценок динамических характеристик потока и свойств пород в области фильтрации. Однако анализ результатов предыдущих исследований и полученные нами данные позволяют уточнить, по меньшей мере, некоторые из имеющихся на этот счет представлений. Из-за отсутствия на сегодняшний день экспериментальных данных, прямо подтверждающих взаимосвязь оз. Шадау с областью фильтрационной разгрузки, будем исходить из предположения, что весь фильтрующийся поток питается из оз. Сарезского.

Очевидно, что фильтрационные свойства Усойского завала в силу его строения - от водонепроницаемых блоков из глинистых и кремнистых сланцев в его основании до крупных трещин, а возможно и полостей в верхней части - характеризуются очень большой анизотропией: Поэтому для оценки водопроницаемости завала используем некие осредненные характеристики, исходя из следующих данных:

- по данным гидрометеослужбы среднемноголетний расход р. Мургаб равен - 47 м³/с;

- по данным выполненных нами термоанемометрических наблюдений суммарная площадь области питания составляет около 270000 м²;

- средний градиент напора 0,26 (∆H=415 м, L=1600 м);

- среднее из экспериментально определенных значений действительной скорости движения воды в фильтрационном потоке 3 м/с.

Отсюда осредненное по площади области питания значение скорости фильтрации составляет около 14,7 м/сут, а коэффициент фильтрации, соответственно, около 400 м/сут. Эффективная пористость (трещиноватость) равна, примерно, 0,00006.

По точности данные оценки не претендуют более чем на порядок приведенных величин, так как применение в нашем случае классических гидродинамических зависимостей, в общем-то, недостаточно корректно. Однако все же очевидно, что питание фильтрационного потока приурочено, в основном, к ограниченному количеству зон инфлюации, суммарная площадь которых составляет тысячные, в лучшем случае – первые сотые доли процента от общей площади 70-метрового (по глубине) интервала верхового откоса завала.

Для уточнения и детализации приведенных выше интегральных характеристик фильтрационных свойств Усойского завала обратимся к данным гидрологических наблюдений ГМС Ирхт и к результатам наших исследований.

По данным ГМС Ирхт за период 1978-85 г.г. минимальное стояние уровня оз. Сарезского (около 1200 см над нулем рейки) приходится на июнь 1983 г., а максимальное (около 2390 см) – на сентябрь 1978 г. Соответственно, значения расхода р. Мургаб составляли около 38 м³/с и 80 м³/с. Отсюда следует, что повышение уровня Сарезского оз. на 12 м приводит к удвоению расхода р. Мургаб. При этом среднее приращение расхода при подъеме уровня в интервале отметок 1200-1700 см составляет около 2 м³/с на 1 метр подъема. В интервале отметок 1700-2400 см среднее приращение расхода стока составляет уже около 4 м³/с на каждый метр повышения уровня, что свидетельствует о прогрессивном увеличении проницаемости завала по мере подъема уровня.

Анализ данных термоанемометрии приводит к аналогичному заключению: проницаемость Усойского завала увеличивается по мере подъема уровня воды в оз. Сарезском. При этом осредненное значение коэффициента фильтрации возрастает на порядок в интервале глубин 50-30 м и на два порядка в интервале от 30 до 0 м от поверхности по сравнению со значением, рассчитанным для глубин 60-50 м.

Приведенные выше оценки зависимости величины расхода от положения уровня нельзя рассматривать в качестве констант. Так "летние" участки графиков Q(H), относящиеся к 1978-80 годам, в интервале отметок уровня 1400-1900 см имеют среднюю крутизну 3,25 м³/с на 1 метр подъема уровня. Аналогичные участки графиков 1982-84 годов имеют существенно меньшую крутизну: 2 м³/с на 1 метр. Более высокая крутизна наблюдается на графике данных наблюдений в 1985 г.: в среднем 2,75 м³/с на 1 метр. Не исключено, что уменьшение крутизны графиков, относящихся к 1982-84 гг., является следствием ухудшения проницаемости завала в этот период.

Впервые внимание на эпизодические изменения водопроницаемости Усойского завала обратил В.И. Рейзвих, проведя анализ рядов данных наблюдений за уровнем Сарезского оз. (гидропост «Ирхт») и расходом р. Бартанг (гидропост «Барчадив»). На фоне постоянного повышения уровня озера и расхода реки им отмечены не связанные с метеорологическими факторами, повторяющиеся периоды резкого уменьшения расхода с последующим замедленным восстановлением его значения [16].

Как видим. фильтрационные свойства завала изменяются не только в пространстве, но и во времени. Временные изменения имеют двоякий характер: многолетний и сезонный. Многолетние изменения обусловлены общими геологическими и тектоническими причинами и имеют необратимую направленность к уплотнению завала и снижению его проницаемости. В этом плане небезынтересно провести комплексный анализ рядов данных гидрометрических наблюдений и данных о сейсмических событиях в периоды снижения проницаемости завала. С большой уверенностью полагаем, что будет обнаружена непосредственная связь между этими событиями.

Что касается сезонных изменений, то обращает на себя внимание одна особенность зависимости расхода от положения уровня. На графиках Q(H) ветвь зимне-весеннего снижения уровня и расхода располагается левее ветви летнего подъема. Наблюдается некий гистерезис, выражающийся в том, что при одних и тех же отметках уровня в зимнее и летнее время расход фильтрации существенно различен: зимой он меньше, а летом больше. Объяснение такому сезонному изменению проницаемости завала может быть, на наш взгляд только одно, выше уже упомянутое: часть фильтрующегося потока в области транзита, расположенной близко к поверхности завала, в период отрицательных температур перемерзает.

Сезонные изменения проницаемости, на первый взгляд, обратимы. Однако нельзя исключить возможность морозобойного растрескивания, измельчения породы и заполнения измельченным материалом путей фильтрации.

Суффозия и выщелачивание. Вопрос о влиянии фильтрации на устойчивость Усойского завала возникал неоднократно. Так на возможность размыва завала фильтрующейся водой обращали внимание уже первые его исследователи. Г.А. Шпилько считал, что «…вода, просачивающаяся через завал и имеющая из него выход, начнет размывать нетвердые частицы и выносить песок и мелкую гальку. Размыв приведет к углублению ложа потока и к увеличению фильтрационного расхода».

Д.Д. Букинич, посетивший завал дважды в 1915 году, отмечал: "... в более ненадежных условиях находится средняя часть низового склона завала, в которой выбивается ручей и где мелкий щебнистый материал, переполненный мраморами и гипсами, способствующими еще растворяющей деятельноcти воды. Здесь уже теперь небольшие обрушения идут, несмотря на то, что вода выбивается совершенно чистая, фильтрацию нужно считать не вредной" [19].

По-видимому, Д.Д. Букинич счел фильтрацию "не вредной" по следующим соображениям. Во-первых, из-за того, что, как он писал, "...народившийся поток озера нужно считать благоприятным в смысле уменьшения опасности от внезапного катастрофического прорыва". Во- вторых, - из-за отсутствия суффозии, не придав при этом значения отмеченному им же выщелачиванию «мраморов и гипсов».

Действительно, ни в ранних, ни в последующих работах, относящихся к исследованиям Усойского завала, мы не встречаем упоминаний о наличии суффозии, сопровождающей фильтрацию. Отсутствуют и свидетельства о попытках оценить возможный вклад выщелачивания в снижение устойчивости завала.

Основным показателем возможного выщелачивания пород, слагающих завал, может служить изменение содержания гидрокарбонатов, сульфатов, кальцита и кремниевой кислоты в воде, профильтровавшейся через завал. При наличии выщелачивания содержание гидрокарбонатов должно уменьшиться, а остальных компонентов возрасти. Выполненные нами в 1986 г. анализы проб воды, отобранных в каньоне, в створах С-1, -2 и -3, показали, что ни по одному из перечисленных компонентов значимых изменений не наблюдается. Лишь в створах С-2 и С-3 отмечено некоторое увеличение содержание сульфат-иона, что может быть объяснено разгрузкой в средней части каньона родников, области питания которых приурочены к глубинам более 50 м.

В качестве разновидности выщелачивания в условиях Усойского завала следует, по нашему мнению, учитывать упоминавшуюся выше возможность «растворения» льда, погребенного в его теле. Для проверки этой гипотезы требуются специальные экспериментальные работы - например, инфракрасная съемка поверхности завал - или, по меньшей мере, теплофизические расчеты, методикой которых авторы не владеют.

 

Прогнозные оценки фильтрации

Буквально с первых лет образования Усойского завала в определении будущей его судьбы и подпруженных им озер формируются два основных направления. Первое из них выражает озабоченность, связанную с возможностью естественного, неуправляемого спуска Сарезского оз. и оз. Шадау со всеми катастрофическими последствиями для населения, сельскохозяйственных, промышленных, гидротехнических, транспортных и прочих инженерно-технических структур, расположенных в долинах рек Бартанг, Пяндж, Амударья и на прилегающих к ним территориях. Апологеты второго направления, начало формирования которого можно отнести к середине 20-х годов ХХ в., к началу эпохи индустриализации, рассматривают завал и озера в качестве объектов возможного хозяйственного освоения и использования для целей ирригации и гидроэнергетики и проч. При этом предполагается, что ситуация в районе завала и озер стабильна и незыблема во веки веков.

Авторы данной работы относят себя к сторонникам первого из направлений, так как знакомы с исторической геологией и свято верят в незыблемость законов энтропии. В связи с этим излагаемые ниже прогнозные оценки «привязаны» к проектным разработкам инженерных мероприятий по снижению уровней озер с целью уменьшения опасности катастрофического спуска озер. Оценки основаны на допущении, что весь фильтрующийся поток питается из оз. Сарезского.

При снижении уровня воды в оз. Сарезском в результате осуществления проектируемых инженерных мероприятий, фильтрационный расход, естественно, будет уменьшаться. На Рис. 11 приведены графики расчетных зависимостей фильтрационного расхода от положения уровня в оз. Сарезском, исходя из данных термоанемометрии на верховом откосе завала. При этом рассматриваются два варианта количественных характеристик процесса, основанные из двух же возможных версиях формирования и развития фильтрационных процессов на завале в прошлом.

Согласно первой, наиболее вероятной из версий, начало фильтрации относится к сентябрю 1914 г. – маю 1915 г., когда уровень стоял, примерно, на 130 м ниже современного. По второй, обеспеченной, по нашему мнению, большим «запасом прочности», - фильтрация через завал началась в апреле 1914 г. В это время уровень оз. Сарезского был, примерно, на 210 м ниже современного.

 

Рис.11. Уменьшение расхода фильтрационной разгрузки (%)в зависимости от снижения уровня оз. Сарезского

 

Основные выводы

Анализ и обобщение результатов наблюдений и исследований фильтрации через Усойский завал, выполненных в период с 1911 по 1986 годы, позволяют сделать следующие выводы:

1. В призавальной части оз. Сарезского по глубине выделяются три области, характеризующиеся разной интенсивностью водообмена. Первая из них – область активного водообмена – расположена от уреза воды до глубины около 100 м; вторая - переходная область - с глубины от 100 до 200 м и третья – область замедленного водообмена - на глубинах более 200 м;

2. Начало фильтрации с наибольшей вероятностью можно отнести, к сентябрю 1914 – маю 1915 года, причем область питания фильтрационного потока в это время находилась на верховом откосе завала со стороны оз. Шадау. В настоящее время питание фильтрационного потока происходит преимущественно в северной части верхового откоса завала со стороны оз. Сарезского через локальные зоны, приуроченные к контактам неупорядоченных глыб породы, на глубинах от 70-60 м до уреза воды. Суммарная площадь области питания составляет около 270000 м². Осредненная по площади проницаемой части верхового откоса эффективная пористость (трещиноватость) составляет не более 0,0001; осредненное значение коэффициента фильтрации - около 400 м/сут.

3. В ретроспективе неоднократно отмечены эпизодические снижения проницаемости завала, имеющие многолетний (необратимый) и сезонный характер. Необратимые изменения обусловлены уплотнением тела завала за счет заполнения пустот под действием гравитации в сочетании с сейсмическими воздействиями. Сезонные снижения проницаемости вызваны промерзанием части водопроводящих путей в периоды отрицательной температуры.

4. Наиболее значимые изменения в структуре завала произошли в середине 20-х – начале 30-х годов ХХ в., в период интенсивного развития фильтрации, завершившегося резким снижением проницаемости завала, провальными явлениями на его поверхности и формированием эрозионной дрены (каньона) на низовом откосе. Полагаем, что снижение проницаемости явилось следствием заполнения твердым материалом пустот, образовавшихся на стадии формирования завала, и пустот, образовавшихся впоследствии в результате «выщалачивания» льда, погребенного в теле завала при обрушении.

5. Данные гидрохимических опробований не подтверждают предположение о значимом влиянии химического выщелачивания горных пород, слагающих завал, на его проницаемость и устойчивость.

6. Структура потока в теле завала очень сложна. По всей вероятности, основная часть потока движется по локальным, раскрытым трещинам и сообщающимся полостям, разделенным блоками водонепроницаемых пород. Не исключено наличие крупных промежуточных полостей-дрен. Экспериментально определенные максимальные значения действительной скорости движения воды составляют от 1 до 5 м/с.

7. Фильтрационный поток разгружается через родники по правому борту каньона и непосредственно в русло потока в каньоне. В паводковый период суммарный расход разгрузки достигает 60-100 м³/с в зависимости от положения уровня в верхнем бьефе. Основная часть расхода разгрузки (до 75-80 %) приходится на головную (восточную) треть каньона, причем через родники разгружается не более половины этого количества. Эрозия низового откоса под воздействием фильтрационной разгрузки в настоящее время продолжается.

8. Данные гидрохимических опробований и измерений температуры воды в озерах и в водопроявлениях в каньоне, а также результаты опытов с применением искусственных индикаторов не дают однозначных ответов на вопрос о наличии прямой гидравлической взаимосвязи конкретной зоны инфлюации воды на верховом откосе завала с конкретным родником или группой родников.

9. Прогнозные оценки показывают, что при снижении уровня Сарезского озера на 50-60 м от современного, фильтрационный расход сократится на 60-70%. При снижении уровня на 100-130 м фильтрация через завал со стороны оз. Сарезского практически прекратится.

 

Заключение

Фильтрация воды через Усойский завал – один из важнейших факторов, определяющих при прочих равных условиях возможность катастрофического спуска озер Сарезского и Шадау;

С надежностью, достаточной для последующих инженерных проработок, можно утверждать, что снижение уровня оз. Сарезского на 50-60 м от современного обеспечит достижение, по меньшей мере, двух из ряда основных условий безопасного существования Усойского завала и подпруженных им озер. Во-первых, угрожающая эрозия низового откоса завала будет прекращена или, как минимум, стабилизирована. Во-вторых, существенно увеличится запас превышения отметок поверхности завала в его пониженной части над уровнем воды в верхнем бьефе. Как следствие, снизится угроза воздействия возможного экстремального повышения уровня воды, обусловленного гидрометеорологическими факторами (многоводный год) или экзогенными геологическими процессами (обрушения, обвалы, оползни). Однако при принятии инженерных решений необходимо учитывать и то, что снижение уровня воды спровоцирует активизацию экзогенных геологических процессов по бортам озер, последствия чего авторы предсказывать не берутся.

Очевидно, что реализация любого из серьезных инженерных проектов обеспечения безопасности в районе Усойского завала, связана с непомерными затратами сил и средств, а главное – времени. Однако реальная угроза все же существует постоянно. Поэтому в качестве первоочередной меры считаем необходимым организацию комплексного мониторинга завала и озер. Цель мониторинга - получение информации о гидрогеологических, инженерно-геологических, топогеодезических, геофизических, гидрологических, сейсмологических и других показателях, характеризующих развитие опасных процессов. Синтез получаемой информации должен выражаться в оперативной оценке состояния завала с точки зрения возможности возникновения чрезвычайной ситуации и в выдаче соответствующего срочного оповещения.

 

Литература

1. Шпилько Г.А. Землетрясение 1911 года на Памирах и его последствия. (Хронологическая справка и отчет о результатах работ экспедиции Памирского отряда. Генерального Штаба Полковника Шпилько.). Известия Туркестанского Отдела Императорского Русского Географического Общества. – Ташкент: тип. Я.П. Эдельмана, 1914. – Том X, вып. I. - С. 202-231, рис.3.

2. Шпилько Г.А. Новые сведения об Усойском завале и Сарезском озере. Сообщение Члена Туркестанского Отдела И.Р.Г.О. Г.А. Шпилько от 2-го сентября 1914г. Известия Туркестанского Отдела Императорского Русского Географического Общества. – Ташкент, 1915. - Т. ХI, вып. 2, часть 2, - С. 60-62.

3. Ягелло И.Д. Новые сведения об Усойском завале и Сарезском озере в 1916 году. Известия Туркестанского Отдела Императорского Русского Географического Общества. – Ташкент, 1917. – Т. XIII, вып.1. – С. 146-147.

4. Корженевский Н.Л. Из наблюдений на Памире летом 1923 года.// Вестник ирригации. – Ташкент: Туркводхоз, 1924. - №1. – С. 80-87, рис.1, табл.2.

5. Колесников В.С. Краткое описание посещения Сарезского озера в 1925 году. Известия Средне-Азиатского Географического Общества. - Ташкент, 1929. –Т.XIX.- С.1-10, рис.3, библ.

6. Ланге О.К. Современное состояние Усойского завала.  Известия Средне-Азиатского Географического Общества. – Ташкент, 1929. – Т. XIX. – С.11-17, фото 16, библ.

7. Акулов В.В. Некоторые наблюдения над состоянием Сарезского озера в 1946 г. Известия Всесоюзного Географического Общества. 1948. - Т. 80, вып. 3. – С. 246-258, рис.4, табл.2, библ.17.

8. Радионов Н.Е., гидролог. Сарезское озеро. "Социалистическая наука и техника". - Ташкент, 1934. - № 10-11. – С.77-85, рис.2.

9. Караулов Н.А. Энергетические ресурсы Центрального и Восточного Таджикистана. Таджикская комплексная экспедиция 1932 г. - Л.: Госхимтехиздат, 1933. – С.391-424.

10. Афанасьев А. Сарезское озеро."Социалистическая наука и техника". – Ташкент: Комитет Наук УзССР, 1938. - №7. – С.69-77.

11. Солдатов А. Отчет о гидрогеологических исследованиях в районе озера Сарез в 1938-39 г. – Ташкент, октябрь 1939. – 45 с., прил.4, библ.20. Ташкент, фонд УГМС УзССР, инв. № 380.

12. Материалы съемки озера Сарез, 1947 г. Ташкент, фонд УГМС УзССР, инв. №№ 225-227.

13. Васильев О.Ф. Наблюдения за состоянием Усойского завала на Сарезском озере в 1956 г. Известия Всесоюзного Географического Общества. – М., 1960. – Т. 92, вып.5. - С. 427-433, рис.4, библ.5.

14. Гончаров В.С., Дубинчук В.Т. Результаты рекогносцировочных гидрогеологических исследований фильтрации воды через Усойский завал (ГБАО, ТаджССР). Материалы научно-технического совещания по вопросам методики изучения и прогноза селей, обвалов и оползней (тезисы докладов). - Душанбе, 1970. - С.223-226.

15. Гончаров В.С. Опытные работы по изучению фильтрации воды из озер Сарезского и Шадау через Усойский завал. Оценка селеопасности горных озер Таджикской ССР. Отчет по теме № 327-67-Д. Раздел 1. - М.: ВСЕГИНГЕО, 1969. – 67с. Московская обл., пос. Зеленый, Научно-технический архив ВСЕГИНГЕО, инв.№ 3935.

16. Шеко А.И., Гончаров В.С., Постоев Г.П., Скомаровский А.Н. Результаты инженерно-геологических исследований в районе Сарезского озера и долин рек Мургаб и Бартанг за 1975-77 гг. Часть 2. Оценка устойчивости Усойского завала. – М.: ВСЕГИНГЕО, 1977. – 194с., рис.7. Московская обл., пос. Зеленый, Научно-технический архив ВСЕГИНГЕО, инв. № 7391.

17. Гончаров В.С., Скомаровский А.Н. и др. Радиоиндикаторные исследования фильтрации через Усойский завал. Всесоюзный семинар "Ядерные и изотопные методы исследования природных вод". Тезисы докладов. - М.: Атомиздат, 1979. - С.57.

18. Рейзвих В.Н. Сарезское озеро. Гидрологическая характеристика (дипломный проект). - Ташкент: Ташкентский госуниверситет, 1961. - 62с., прил. Ташкент, фонд УГМС УзССР, инв. № 74.

19. Букинич Д.Д. Теперешнее состояние Усойского завала.Известия Туркестанского Отдела Императорского Русского Географического Общества. – Ташкент, 1916. – Т. XII, вып. 2. – C. 260-263, рис.2.