О количественной оценке экстремальных потоков катастрофических прорывов ледниково-подпрудных озер

В.В. Бутвиловский

Лейбниц-Институт полимерных исследований, г. Дрезден, Германия

 Гипотеза катастрофических прорывов вод древних горных ледниково-подпрудных озер и их экстремально мощного стока с гор на прилегающие равнины нашла во многих древнеледниковых регионах свое геолого-геоморфологическое подтверждение и стала вполне полноправной составляющей палеогеографических реконструкций [22, 2, 12, 4, 1, 13, 21, 11, 16; и др.]. Основой этих реконструкций является не только геолого-геоморфологическое проявление экстремальных потоков в тех или иных долинах, но и оценка количественных параметров потоков (уровни, глубины, направление и характер движения, скорости, расходы и длительность стока), причем последним уделяется все большее и большее внимание. Расчеты параметров делались многими американскими, российскими, английскими и немецкими исследователями [22, 18, 19, 13, 16, 11, 20, 21; и др.]. Для этого применялись эмпирические формулы Шези, Маннинга, Коста, Клейга и Мэтьюза, компьютерные программы НЕС-2  и HEC-RAC (Hydrologic Engineering Center of the US Army Corps of Engineers – River Analysis System), использовались топографические параметры поперечных и продольных профилей долин, данные по высотам следов палеоуровней потоков, расчетные данные по объемам вод подпрудных озер, различные гидрологические допущения и предположения касательно режима и гидравлических свойств потоков. Полученные значения средних скоростей движения вод в долинах рр. Чуи и Катуни варьируют от 16-30 до 37 м/сек, глубина суперрек оценивается от 60 до 400 м или от 280 до 400 м, расчетные расходы воды составляют от 1-3 до 8-18 млн. м³/сек, длительность стока – от 2-3 суток и более. Максимальное значение расхода потока воды вблизи Курайской котловины оценено Ю. Хергертом в 20,5 млн. м³/сек при скорости 72 м/сек.

Анализируя методики расчетов других исследователей, А.Н. Рудой и В.А. Земцов [17] правильно указывают на недостатки применяемых формул и исходных гидрологических допущений. В частности, подчеркивается недостаточно точная определяемость коэффициента шероховатости русла, применяемого во многих гидрологических эмпирических формулах. Кроме того, все эмпирические формулы выведены для современных аналогов (точнее, микроаналогов) древних подпрудных водоемов и их прорывов-осушений и соответствуют прежде всего именно этим аналогам, будучи недостаточно репрезентативными для определения параметров позднеплейстоценовых катастрофических прорывов и стоков [17]. Указывается также и на недостатки применения компьютерных расчетов по системе HEC-RAS, которая слабо учитывает гидрологический характер столь мощных стоков. На этом основании делается вывод, что полученные немецкими исследователями «гидравлические параметры прорывных паводков, на наш взгляд, нужно рассматривать как весьма приближенные» [17, стр. 5].  

Новейшей попыткой предложить более объективную методику расчетов и более точные результаты являются исследования А.Н. Рудого и В.А. Земцова [17], обработавших с помощью компьютерных технологий огромное количество топографических и других данных. С использованием оболочки HEC-RAS 4.0 ими разработана модель неустановившегося движения воды потоков и процесса опорожнения Чуйского и Курайского озер в результате разрушения ледниковой плотины. Расчеты неустановившегося движения сделаны «на основе решения системы уравнений, включающей уравнение неразрывности и уравнение сохранения импульса сил (давления, гравитации и трения)» [17, стр. 6]. «Согласно расчетам, наблюдается постепенное распластывание паводочной волны вниз по течению со снижением максимальных расходов от 3,5·10⁶ у плотины до 2,5·10⁶ м³/сек… Дилювиальный поток прошел по расчетному участку реки приблизительно за 3 суток» [17, стр. 9].  

Эти расчеты исходят из ряда принятых параметров и допущений и, в лучшем случае, формально соответствуют принятой авторами модели. Но соответствуют ли расчитанные количественные характеристики количественным и качественным показателям реальных явлений, происходивших при катастрофическом прорыве и стоке позднеплейстоценовых подпрудных озер? Возможно и соответствуют, но с точки зрения строгой научной методологии, пожалуй, не более, чем остановившиеся часы, которые два раза в сутки показывают точное время.

Точности и возможности реконструкций, анализу надежности и достоверности фактических данных, возможности и объективности их интерпретации уделялось большое внимание и в моих работах [2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10 и др.]. Причем неоднократно подчеркивалось, что реконструкции, расчеты, интерпретации могут быть весьма приблизительны или даже ошибочны, и почему это так. Расчеты параметров экстремальных потоков делались и мною [6, 9, 8 и др.]. В диссертационной работе [8] приводятся таблицы со всеми вводными данными по уровням, глубинам, ширине потоков, по площадям их поперечного сечения и профилям расчетных створов, гидравлическим радиусам, крупности отложенного грубообломочного материала, уклонам потоков, шероховатости ложа, коэффициентам шероховатости, коэффициентам Шези (используя эти данные, каждый может проверить расчеты). Там же даны расчеты средних скоростей потоков и их расходов для 38 профилей по шести различным известным гидравлическим и эмпирическим формулам, причем обсчитывались потоки не только по долинам Чуи и Катуни, но и Аргута, Башкауса и спиллвеев Улаган-Чулышман [8, приложение 8, рис. 84]. К примеру, максимальные глубины потоков были оценены в 390-360 м по долине Чуи и от 360-310 до 300-270 м — по долине Катуни; максимальные средние скорости соответственно — 42-25 м/сек и 40-17 м/сек, максимальные расходы – 19-16 млн. м³/сек (Чуя) и 12-8 млн. м³/сек (Катунь). Как видно, результаты этих расчетов и оценок достаточно близки к новейшим результатам многих других исследователей и принципиально не отличаются от них. Они отличаются лишь тем, что были получены на несколько лет раньше и поначалу были названы оппонентами экстремистскими и неправильными [11, 14 и др.]. Почему же теперь полученные оппонентами такие же в принципе цифры оказались вдруг правильными, а исследования немецких ученых, выдавших на гора, пожалуй, самые «экстремисткие» результаты, оцениваются как очень представительные? [см. 17]. Корректным такой разный подход к оценке близких к друг другу результатов назвать трудно, скорее он имеет некие «политические» цели. Только какое отношение они имеют к научному предмету исследований?

Я не спорил с оппонентами по поводу конкретных количественных оценок скоростей и расходов алтайских катастрофических потоков и не собираюсь утверждать, что чьи-то результаты лучше или хуже. Более того, всегда считал и считаю расчитанные мною параметры весьма приблизительными и ориентировочными [9, стр. 151]. Таковы же, на мой взгляд, и результаты расчетов других авторов. Неточности в реконструкциях и расчетах (в смысле их соответствия реальным ситуациям, явлениям, процессам) неизбежны, и зачастую просто нет особой научной целесообразности спорить и доказывать «абсолютную» правильность конкретной количественной оценки явлений, полученной на основе расчетов, если в их основу положены идеализированные теоретические или экстраполяционные эмпирические формулы, репрезентативность которых данному явлению и условиям неизвестна или недостаточна, и исходные параметры, соответствие величин которых реальному явлению не может быть определено достаточно точно. В этом случае мы все вынуждены ошибаться, причем неизвестно кто больше и насколько. В чем мы не должны ошибаться, так это в своих наблюдениях, в сборе геолого-геоморфологических данных, в изучении и опробовании объектов и в оценке возможности их интерпретации. Именно на основе таких фактов, полученных в результате детального геолого-геоморфологического картирования, наши реконструкции будут вызывать больше доверия.

Вообще то говоря, целью симмуляции и количественной оценки данных явлений должны являться не только совершенствование точности расчетов экстремальных потоков для каких-то принятых исходных параметров и условий, но прежде всего как можно более объективное определение возможных исходных параметров потоков, их кинематики, динамики и рельефообразующей деятельности. Можно договориться, что при таких-то принятых параметрах с применением такой–то системы расчетов допустимо считать полученные расчеты достаточно точными. Ну и что?! А будут ли они действительно соответствовать тем реальным событиям, которые происходили в позднем плейстоцене?… Только весьма приближенно и то далеко не всегда. Возьмем, к примеру, оценку уровней и объемов подпрудных водоемов. Можем ли мы определить их достаточно точно на момент прорыва? Нет. Мы можем принять их значения только условно. Отражают ли верхние уровни наблюдаемых сейчас следов воздействия потоков действительно их максимальные уровни?… Скорее всего они занижают их на десятки метров (следы эрозии на самом верхнем уровне проявляются слабо и после 10-15 тыс. лет денудации уже вряд ли отчетливо опознаваемы; песчано-илистые накопления зон эрозионной тени, отложенные вблизи максимальных уровней, в любом случае смыты в последующем на десятки метров). Несомненно, что неточность определения уровней потоков уже в 15-30 м существенно скажется на точности определения «реальных» скоростей и расходов вод. Подобные сомнения можно высказать и в отношении соответствия современной топографии поперечных сечений долин их топографии во время максимальных расходов суперпотоков, которые были способны за считанные минуты и часы изменять форму своего ложа на десятки метров как по латерали, так и по вертикали. Кроме того, пока недостаточно известна гидрофизика движения таких суперпотоков. Неисключено, что она качественно отличается от известных физических представлений о гидравлике потоков, созданных на базе лабораторного моделирования и измерений движения современных рек. И так далее…

Стоит ли тогда заниматься симмуляцией этих катастрофических явлений и расчетами их характеристик? Несомненно! Только вряд ли необходимо отдавать таким исследованиям столь большой научный приоритет, как это было предложено, к примеру, на Второй международной встрече по глобальной континентальной палеогидрологии в г. Толедо (Испания) в сентябре 1996 г [17]. Они имеют скорее научно-популярное значение. Вычисляемые характеристики потоков впечатляют грандиозными величинами и вызывают огромный интерес к гипотезе и восхищение ее разработчиками. Да, популярность привлекательна и популяризация идеи очень увлекательна, но какое отношение имеют они к науке? В любом случае меньшее, чем это может показаться на первый взгляд. Магией цифр и красочных сценариев можно впечатлить в основном интеллигентного обывателя, который легко убеждаем во многом (чем невероятнее, тем легче поверит); специалиста же надо убеждать фактами, логикой, четкими определениями, корректностью утверждений и выводов. Наверное все же стоит согласиться с тем, что важнейшими задачами разработчиков данной гипотезы являются корректные решения ее исходных научных проблем; решения, которые позволили бы создать теорию этих необычных явлений.

Еще раз подчеркну, что в основе всего этого должна лежать детальнейшая площадная картина фактического материала, которую можно получить прежде всего путем крупномасштабного картирования. Такие целенаправленные работы были начаты мною на Алтае в 1979 году, проводились на протяжении 15 лет и пока лишь участками охватили долины Башкауса, Чулышмана, Чуи, Катуни, Чарыша, Ануя, Бии, Телецкого озера и др. общей площадью около 4-5 тыс. км². И крайне желательно, чтобы детальные работы были продолжены как в горах, так и на прилегающих равнинах, которые еще очень мало исследованы в этом отношении.

Начатый опыт детальных работ был коротко обобщен в докторской диссертации и монографии 1993 года [8, 9]. К сожалению, далеко не все имеющиеся данные удалось включить и не всё было достаточно хорошо и подробно изложено и обосновано, тем не менее, было представлено довольно много фактического материала, предложены новые идеи, объяснения, реконструкции. Однако эти данные, идеи, реконструкции коллегами почему-то нередко замалчивались (и замалчиваются), искажались (и искажаются) или выдавались (и выдаются) за собственные «америки», а автор назывался (и называется) неуемным фантазером, мистификатором и т.д… Странная, мягко говоря, ситуация, и во имя чего?… А.Н. Рудой и М.Р. Кирьянова [15, стр. 57-58] совершенно правы, напомнив «слова ироничного Томаса Г. Гексли…: Сразу после публикации нововведение воспринимается как абсурдное и противоречащее догмам религии и морали, а автора называют дураком и невеждой». За что же мне-то такая честь? Ведь основателем гипотезы будет справедливо признать Дж. Т. Парди, еще в 1911 году обосновавшего идею катастрофического прорыва озера Миссула. На Алтае же сделано лишь то, что должно было быть сделано уже давно.

Конечно, гипотеза очень интересная и красивая, но в научном отношении ничем не лучше многих других. Жаль, что последние 15-20 лет уводят в сторону от развития ее главного предмета. Потому и написана эта короткая статья с надеждой, что исследования вернутся к более важной части научного предмета гипотезы и пойдут в более эффективном теоретическом и прикладном направлении.

Литература

1. Барышников, Г.Я. Развитие рельефа Северо-Восточного Алтая в кайнозое [Текст] / Г.Я. Барышников. — Автореф. дис. канд. геогр. наук. — Новосибирск, 1985.- 16 c.

2. Бутвиловский, В.В. Новые данные о генезисе и эволюции Тужарского ледниково-подпрудного озера (Юго-Восточный Алтай) [Текст] / В.В. Бутвиловский, А.К. Ламмерт, Г.Г. Русанов. — Вопросы географии Сибири. Томск: Изд-во Томского ун-та, 1984. — С. 27-36.

3. Бутвиловский, В.В. Катастрофические сбросы вод ледниково-подпрудных озер Юго-Восточного Алтая и их следы в рельефе [Текст] / В.В. Бутвиловский. — Геоморфология. 1985. № 1. — C. 65—74.

4. Бутвиловский, В.В. Катастрофические прорывы и стоки приледниковых озер Юго-Восточного Алтая [Текст] / В.В. Бутвиловский. — Геология и геофизика. 1986. N. 4. — С. 27-36.

5. Бутвиловский, В.В. Последнее оледенение Горного Алтая и обусловленные им катастрофические рельефообразующие процессы [Текст] / В.В. Бутвиловский. —  Региональная геохронология Сибири и Дальнего Востока. Новосибирск: Наука, 1987. — С. 154-160.

6. Бутвиловский, В.В. Доказательства катастрофических прорывов и стоков вод позднеплейстоценовых ледниковых озер Горного Алтая. [Текст] / В.В. Бутвиловский. —  Вопросы географии Сибири, вып. 17. Томск: Изд-во Томского ун-та, 1987. — С. 21-32.

7. Бутвиловский, В.В. Катастрофические и экстремальные природные явления и процессы в позднем плейстоцене и голоцене (на примере Горного Алтая) [Текст]  / В.В. Бутвиловский. —  Вопросы географии Сибири, вып. 18. Томск: Изд-во ТГУ, 1989. — С. 6-14.

8. Бутвиловский, В.В. Катастрофические и экстремальные процессы в леднниково-межледниковых циклах развития горных стран (на примере Алтая) [Текст] / В.В. Бутвиловский. — дисс. …доктора геогр. наук. Томск: ТГУ, Новосибирск: ОИГГиМ СО РАН, 1993. — 707 с.

9. Бутвиловский, В.В. Палеогеография последнего оледенения и голоцена Алтая: событийно-катастрофическая модель. [Текст] / В.В. Бутвиловский. — Томск: Изд-во ТГУ, 1993.  — 253 с.

10. Бутвиловский, В.В. Особенности проявления прследней ледниковой эпохи в бассейне Коксы и верховье Катуни. [Текст]  / В.В. Бутвиловский, Н. Прехтель. — Современные проблемы географии и природопользования. Вып. 2. Барнаул, 2000. — С. 31-47.

11. Гросвальд, М.Г. Четвертичные ледниково-подпрудные озера в горах Сибири [Текст] / М.Г. Гросвальд, А.Н. Рудой. — Известия РАН, серия геогр. 1996, № 6. — С. 112-127.

12. Ричмонд, Дж. Кордильерский ледниковый покров Северных Скалистых гор и четвертичная история Колумбийского плато [Текст] / Дж. Ричмонд, Р. Фриксел, Дж. Нефф. — Четвертичный период в США.Т.1. Пер. с англ.-М.: Мир, 1968. — С. 218-249.

13. Рудой, А.Н. Закономерности режима и механизмы сбросов ледниково-подпрудных озер межгорных котловин [Текст] / А.Н. Рудой. — Автореф. дис. канд. геогр. наук.М., ИГАН СССР, 1987. — 21 с.

14. Рудой, А.Н. Геоморфологический эффект и гидравлика плейстоценовых йокульлаупов ледниково-подпрудных озер Южной Сибири [Текст]  / А.Н. Рудой. — Геоморфология, 1995. Вып. 4. — С. 61-76.

15. Рудой, А.Н. Дискуссия о водно-ледниковом происхождении скэбленда [Текст] / А.Н. Рудой, М.Р. Кирьянова. — Современные проблемы географии и природопользования. Барнаул: Алтайский университет, 2000. Вып.2. — С.  48-64.

16. Рудой, А.Н. Гигантская рябь течения (история исследований, диагностика, палеогеографическое значение) [Текст] / А.Н. Рудой. — Томск: ТГПУ, 2005. — 224 с.

17. Рудой, А. Н. Новые результаты моделирования гидравлических характеристик дилювиальных потоков из позднечетвертичного Чуйско-Курайского ледниково-подпрудного озера [Текст] / А.Н. Рудой,  В.А. Земцов. — Снег и лёд, 2010. № 1. (109). — С. 111-118.

18. Baker, V.R. Paleohydrology and sedimentology of Lake Missoula Flooding in Eastern Washington [Текст] / V.R. Baker. — Gel. Soc. Am. Spec. Pap., 1972. — Vol. 6. — 79 p.

19. Baker, V.R. Paleohydrology of late Pleistocene Superflooding, Altay Mountains, Siberia. [Текст] / V.R. Baker, G. Benito, A.N. Rudoy. — Science, 1993. — Vol. 259. — Р. 348-352.

20. Carling, P.A. Morphology, sedimentology and palaeohydraulic significance of large gravel dunes, Altai Mountains, Siberia [Текст] / P.A. Carling. — Sedimentology. 1996. — Vol. 43. — P. 647-664.

21. Herget, J. Reconstruction of Pleistocene Ice-Dammed Lake Outburst Floods in the Altai Mountains, Siberia [Текст] / J. Herget. — Geol. Soc. America. 2005. Spec. Pap. 386. — 118 p.

22. Pardee, J.T. Unusual currents in glacial Lake Missoula, Montana [Текст] / J.T. Pardee. — Geol. Soc. Am. Bull., 1942. — V. 53. — P. 1569-1600.