Озеро Мерцбахера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Озеро Мерцбахера

А.Н. Диких - докт. геол. наук

В.А. Кузьмиченок - канд. техн. наук

Annotation

ледниковый озеро плотина мерцбахер

The problems concerning genesis, regimen and disaster breakouts of the glacial lake Merzbakher are considered. The square and volumetric sizes of the lake on the basis of aerial pictures made in different time are given. The quantitative features, approving hypothesis of glacial dam surfacing at the lake filling, that stipulates its quick discharge, are done. The analysis of the developed methods, forecasting the breakouts dates, is made.

Озеро расположено в центральной части Тянь-Шаня, в районе слияния ледников Северный Энилчек и Южный Энилчек. Оно было открыто Готфридом Мерцбахером в 1903 г. во время его экспедиции в Центральный Тянь-Шань с целью уточнения орографии хребтов в районе наивысшего поднятия этой горной системы (рис. 1). До начала 30-х годов ХХ в., т.е. до появления в Центральном Тянь-Шане альпинистов и участников Украинской правительственной экспедиции, оно оставалось практически неизвестным. Экспедиция, выполняя обширный комплекс геологических, геоморфологических и гляциологических исследований, а также альпинисты, попавшие сюда впервые для оказания помощи в проведении исследовательских работ и спортивных восхождений, не могли обойти вниманием озеро, открытое Мерцбахером. Во-первых, оно привлекало внимание своими размерами и, во-вторых, служило серьезным препятствием к продвижению к леднику Северный Энилчек и далее к пику Хантенгри. М.Г.Погребецким в честь первооткрывателя озеро было названо именем Мерцбахера [8].

Рис. 1. Географическое положение озера Мерцбахера.

Озеро уникально и поэтому постоянно привлекает к себе внимание исследователей, занимающихся гляциологическими и гидрологическими проблемами Центрального Тянь-Шаня. Уникальность озера заключается в его генезисе, размерах, мобильности и регулярных разгрузках, которые в условиях освоения долины р. Энилчек, средней и нижней части р. Сары-Джаз приобретают характер катастрофических.

Своим происхождением озеро обязано отчленению ледника Северный Энилчек от Южного Энилчека, в результате чего часть льда последнего стала затекать в освободившееся устье долины и перегородило его. Это не только изменило режим стока талых вод с ледника Северный Энилчек (большая часть вод, медленно накапливаясь, образовывала озеро, а при его прорыве быстро уходила в сток, формируя катастрофический паводок), но и способствовало дополнительному поступлению воды с ледника Южный Энилчек, что в конечном итоге ускорило образование озера таких размеров.

Временем образования современного озера мы склонны считать период после окончания на Тянь-Шане малой ледниковой эпохи, т.е. начало или середина XIX в. Вообще, история существования озера до конца не ясна. Основываясь на стратиграфической колонке озерных отложений [1], можно предположить, что озеро возникало не менее двух раз. Подтверждением этому служит наличие на донном ледяном субстрате метрового слоя галечника с вкраплениями валунов грубой окатанности, причем выше по долине в пределах озерной котловины слой состоит сплошь из моренного материала. Образование этого слоя можно связать только с существованием праледника, его последующего разрушения, образования современного глетчера, также разрушающегося.

Естественно, что с динамикой приконцевой части связывается и изменение размеров озера. Основываясь на обнаружении озерной фауны Poludina и Lamneus в отложениях, расположенных выше современного уровня на 25-70 м, А.А. Жавжаров [5] отмечает, что в прошлом размеры озера были значительно больше современных. По нашему мнению, фауна указанных видов не только не доказывает, что размеры озера Мерцбахера были больше современных, но и опровергает тезис о наличии ледникового озера. Дело в том, что представители озерной фауны Poludina и Lamneus живут и развиваются только в водоемах с температурой не ниже +5°, а температура воды высокогорных ледниковых озер значительно ниже.

По данным непосредственных измерений, температура поверхностного слоя воды озера Мерцбахера в июле 1985 г. находилась в пределах 1,4-2,3°С. Во время прорыва в силу некоторого перемешивания температура воды снизилась до 0,5-0,9°С.

И еще один довод в пользу невозможности существования именно ледникового озера на тех высотах, где была найдена озерная фауна. Чтобы уровень озера достиг положения древних озерных отложений, необходимо повысить современную поверхность ледника Южный Энилчек не менее чем на 70-80 м. Это может произойти только при климатических условиях, обеспечивающих положительный баланс ледников, но в таком случае оба потока сольются и озера не будет. Озерная ванна может начать образовываться только при значительном понижении поверхности ледников, приводящему к разделению потоков.

При такой схеме развития озера его площадные и линейные размеры возрастали по мере отступания конца языка ледника Северный Энилчек. С этим связано и расхождение оценок величин размеров озера и объемов аккумулированной в нем воды. Судя по отчету сотрудников Управления гидрометеослужбы Кыргызстана, проводивших исследования на озере в 1966 г., его длина составляла 3050 м, а площадь зеркала - 2,59 км². При максимальном стоянии уровня площадь озера оценена в 3,63 км², а объем - в 347,2 млн. м³. Впоследствии С.Э. Айрапетьянц и Е.К. Баков [1] оценили площадь в 4,5 км², а Г.Н. Голубев отмечает, что длина озера составляет около 4 км, средняя ширина - 1 км, т.е. площадь его несколько меньше 4 км² [4]. Все указанные исследователи при определении площадных и линейных размеров опирались на топографические карты стотысячного масштаба, а при определении объемов - на промеры глубины или на гидрограф прорыва. Во всех случаях, особенно при оценке объемов, полученные величины страдали субъективизмом и не всегда выдерживали критику.

Достаточно надежно рассчитать объем озерной ванны можно двумя методами: непосредственным измерением глубины озера в большом числе пунктов с одновременной их геодезической привязкой или стереотопографическим. В связи с большим количеством айсбергов на поверхности озера выполнение промерных работ с лодки по всей акватории практически невозможно.

Реализация второго метода вероятна только при наличии материалов аэрофотосъемки на периоды заполненного и свободного от воды озера. Используя материалы аэрофотосъемки, проведенной в 1981 г., через несколько дней после прорыва озера, стереотопографическим методом в масштабе 1:10000 построена карта дна озера. Положение береговой линии озера в момент его максимального заполнения дешифрировалось по прямым и косвенным дешифровочным признакам на аэрофотоснимках 1943, 1956 и 1970 гг., отображающих заполненное озеро. На основе стереоскопического определения отметок дна по регулярной сетке (шаг 100 м) была создана цифровая модель дна озера. Всего было определено 378 точек регулярной цифровой модели и дополнительно к ней определены пикеты по тальвегам двух достаточно выраженных ложбин (водотоков) дна озера [7].

По цифровой модели дна озера на ЕС ЭВМ вычислены объем озера в момент его максимального заполнения, данные для построения батиграфической кривой, данные для построения графика зависимости объема воды от уровня заполнения озера. С использованием ЕС ЭВМ составлена карта дна озера (рис. 2).

Рис. 2. Карта дна озера Мерцбахера.

Вычисленный объем озерной ванны составил 0,129 км³, средняя квадратическая погрешность его определения - 0,005 км³. Площадь озера равна 3,81 км², средняя глубина - 33,85 м, максимальное понижение находится у подпорной стенки и составляет 76 м, минимальная глубина 0 - 5 м отмечается у северо-восточной оконечности озера.

В результате медленно, но постоянно изменяющихся объемов и площадей за счет утонения поверхности ледника Южный Энилчек и отступания конца языка Северного Энилчека размеры озера также не остаются постоянными. Более того, в зависимости от объемов накопленных вод они меняются ежегодно и этим определяется мобильность озера. В различные годы в озере перед прорывом накапливается от 120 до 237 млн. м³ воды. Причина такой разницы пока не выяснена, но, на наш взгляд, она обусловлена особенностями механизма прорыва, по поводу действия которого существует несколько гипотез. Прорывы происходят практически ежегодно, но в разное время. Самый ранний прорыв приходится на май, наиболее поздний - на декабрь. До 1982 г. чаще всего разгрузка озера отмечалась в сентябре, в последние годы сроки сброса воды смещаются на август.

В связи с освоением долины р. Энилчек учет объемов и времени прорыва озера становится актуальной необходимостью. Это связано с тем, что во время прорыва существенно меняется режим стока р. Энилчек. Расходы воды даже по отношению к максимальным расходам возрастают от 3-5 до 10-15 раз (рис. 3). Вода выходит за пределы русла и ее действию подвергаются сооружения, построенные из-за ограниченных размеров дна долины на припойменных участках.

Рис. 3. Гидрограф прорыва озера Мерцбахера.

Надежный прогноз времени прорыва существенно помог бы планированию работ, выполняемых на пойме или припойменных территориях. Предпринято несколько попыток разработки метода прогноза времени прорыва. В основе одних лежат принципы гидравлики и термодинамики [2, 3], других - метеорологические параметры. К последним следует отнести совместные проработки Д.П.Соколова с А.С. Леоновой и особенно детальные В.Г.Коновалова [6]. На первый взгляд, разработка метода прорыва кажется достаточно простой. Дело в том, что разгрузка озера приурочивается ко времени его заполнения, а скорость заполнения напрямую связана с интенсивностью таяния льда, обусловленную, в свою очередь, тепловым режимом конкретного теплого периода. По результатам непосредственных измерений таяния льда и температуры воздуха на леднике Энилчек, выявлена хорошая зависимость между средней пентадной температурой и величиной абляции за этот период. Располагая данными об объеме озерной ванны и площадями льда, с которых происходит сток талых ледниковых вод, в принципе несложно подсчитать скорость заполнения озера и отсюда перейти к дате прорыва. Но здесь есть одно препятствие, которое обойти пока не удается. Сток в озеро происходит не только с Северного Энилчека, но и с Южного, и если площади стока с первого известны, то со второго нет, что ограничивает уверенное использование интенсивности абляции в определении сроков прорыва. Сопоставление величин интенсивности таяния и скорости заполнения озера (подъема уровня) не позволяет выявить надежную зависимость между ними (см. таблицу).

Таблица 1. Интенсивность таяния и скорость подъема уровня летом 1985 г., см

Возможно, одна из причин отсутствия тесной связи обусловлена характером изменения площадей с глубиной. В одних глубинных интервалах нарастание площадей идет медленнее, в других быстрее (рис. 1), поэтому повышение уровня на различных глубинных горизонтах происходит с разной скоростью даже при одинаковой интенсивности таяния.

Эквивалентом интенсивности летнего таяния зимних осадков и льда, а соответственно, и скорости заполнения озера, могут быть суммы температур теплого периода или число дней с положительными температурами. Связь между числом дней с положительной температурой и числом дней между прорывами (временем заполнения) характеризуется очень высоким коэффициентом корреляции - 0,89 ± 0,03. Достаточно высок (0,79) он и для зависимости числа дней между прорывами и суммой положительных температур, накопленных за этот период, т.е. зависимость показывает сумму температур, которая должна быть накоплена, чтобы озеро заполнилось и произошел прорыв.

Несмотря на высокие коэффициенты корреляции, зависимости характеризуются настолько высокими отклонениями вычисленных дат от фактически наблюдаемых, что практического применения иметь не могут.

По нашему глубокому убеждению, поиски эмпирических зависимостей для определения даты прорыва не увенчаются успехом до тех пор, пока не будет выявлен механизм прорыва и связь с факторами, определяющими его действие и поддающимися измерению или расчету.

Первые исследователи связывали прорыв озера с изменением характера движения ледника Южный Энилчек в летний период, когда увеличивалось число глубоких трещин и разломов, по которым происходил сброс воды. Но результаты непосредственных наблюдений за динамикой ледника перед, во время и после прорыва не подтверждают этих предположений. Наиболее приемлемой, на наш взгляд, является гипотеза, выдвинутая С.Э. Айрапетьянцем и Е.К. Баковым [1] и несколько позже Г.Н. Голубевым [4], объясняющая прорыв всплытием ледяной плотины при заполнении озера. Подтверждением гипотезы могут быть данные геодезических измерений изменения высоты поверхности плотины в момент заполнения озера и после его опорожнения. Измерения велись с базиса, расположенного на коренном склоне правого борта долины, за рейками, забуренными в лед у края плотины и удаленными от него на 200 м. За период с 4 июля по 6 августа 1985 г. край плотины поднялся на 18,06 м, а на удалении на 200 м - только на 8,25 м. После сброса воды край плотины понизился на 15,22 м, а ее удаленная от озера часть - на 8,40 м. Судя по образованным разрывным трещинам в поднятие и опускание был вовлечен участок ледника Южный Энилчек на расстоянии 700-800 м от края плотины. Опускание плотины на меньшую высоту, чем подъем при ее всплытии, может быть объяснено разработкой каналов стока и оседания в них айсбергов, выполняющих роль подпорки тела плотины. Если бы этого не происходило, то плотина работала бы как затвор, открывающийся при повышении уреза воды более чем на 0,9 высоты плотины и закрывающийся при сбросе воды на отметку ниже этого уровня.

Разгрузка озера происходит за 5-7 дней и в дальнейшем в зависимости от состояния каналов стока (остаются ли они открытыми или закрываются) озерная ванна заполняется сразу, или спустя некоторое время. Определение времени начала заполнения имеет большое значение для разработки прогноза даты прорыва, так как оно служит начальной точкой отсчета накопления положительных сумм температур, определяющих период заполнения озерной ванны. К сожалению, механизм процесса закупорки подледных каналов стока остается пока неизвестным, что также усложняет проблему прогнозирования времени прорыва озера Мерцбахера.

Таким образом, основной особенностью водного режима озера Мерцбахера - крупнейшего ледникового озера Тянь-Шаня, являются ежегодные катастрофические прорывы, существенным образом влияющие на водоносность не только р. Энилчек, но и р. Сары-Джаз в целом.

Попытка разработки метода прогноза времени прорыва озера, основанные на информации о сроках прорыва в прошлые годы и данных короткопериодичных гидрологических наблюдений в устье р. Энилчек, пока остается неудачной. Необходимы исследования по разработке математической модели механизма начала и окончания прорыва, для этого следует продолжить сбор информации о процессах и факторах, определяющих режим не только озера Мерцбахера, но и ледников Северный и Южный Энилчек.

Литература

1. Айрапетьянц С.Э., Баков Е.К. Морфология ледникового озера Мерцбахера и механизм его катастрофических прорывов // Некоторые закономерности оледенения Тянь-Шаня. - Фрунзе: Илим, 1971. - С. 75-84.

2. Виноградов Ю.Б. Гляциальные прорывные паводки и селевые потоки. - Л.: ГИМИЗ, 1977. - 154 с.

3. Глазырин Г.Е., Соколов Л.Н. Возможность прогноза характеристик паводков, вызываемых прорывами ледниковых озер // МГИ. Хроника, обсуждения. - М., 1975. - С. 78-85.

4. Голубев Г.Н. Гидрология ледников. - Л.: ГИМИЗ, 1976. - 274 с.

5. Жавжаров А.А. Ледник Северный Иныльчек и озеро Мерцбахера // Центральный Тянь-Шань: Тр. Укр. правит. научн. экспедиции в Центральный Тянь-Шань. - Т. 2. - Харьков, 1935.

6. Коновалов В.Г. Методы расчета и прогноза элементов режима прорывоопасного озера Мерцбахера // МГИ. Хроника, обсуждения. - М. ,1990. - С. 141-147.

7. Кузьмиченок В.А. К вопросу об обработке материалов топографических съемок дна гляциальных озер // Гляциологические исследования в Центральном Тянь-Шане. - Фрунзе: Илим, 1984. - С. 130-137.

8. Погребецкий М.Г. Три года борьбы за Хан-Тенгри, 1935.

Размещено на Allbest.ru