Известия РАН. Серия географическая, 2020, T. 84, № 3, стр. 395-403

ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

Тема воздействия карста на изменение гидрологических характеристик рек изучена недостаточно, в чем повинна слабая гидрологическая изученность карстовых рек и методические трудности учета влияния карста. Изучение карста и его влияния на речной сток затруднен в связи с многофакторностью образований карста. Здесь имеет место чередование карбонатных и некарбонатных пород, задернованного и покрытого карста, стратиграфическое распределение карбонатных пород по отношению к некарбонатным, одновременное развитие карстовых областей в горизонтальном и вертикальном направлениях и т.д.

Основной причиной слабой изученности влияния карста на гидрологические параметры является неоднородность закарстованных массивов.

Исследованием влияния карста на сток занимались многие ученые. Назовем наиболее известные работы. Подход Г.Н. Гигинейшвили [5] заключается в учете соотношения $\frac{{{{\sigma }_{{\text{ф}}}}}}{{{{\sigma }_{{\text{э}}}}}},$ которое, по его мнению, отражает степень влияния карста на режим стока. Здесь ${{\sigma }_{{\text{ф}}}}$ − среднеквадратическое отклонение среднемесячных от среднегодовых расходов воды:

Выражение (1) является не чем иным, как коэффициентом вариации среднемесячного стока, который во многом в условиях тропиков определяется равномерностью покрытия ливнем исследуемой территории. Учитывая, что в среднемноголетнем разрезе для восточных провинций Кубы существует определенная закономерность в распределении по территории атмосферных осадков, такой подход для нормы стока, на наш взгляд, может быть принят. Однако нельзя не отметить, что в анализе $\frac{{{{{\sigma }}_{{\text{ф}}}}}}{{{{{\sigma }}_{{\text{э}}}}}}$ будут участвовать реки разных размеров, а, следовательно, и разных коэффициентов вариации ${{С}_{V}}.$ Следовательно, в коэффициенте вариации будет присутствовать доля размера водосбора, поэтому выделить влияние карста на сток весьма затруднительно.

Работы В.А. Балкова [2] основаны на учете влияния карста на минимальный сток. Увеличение или уменьшение минимального стока карстовых рек на фоне рек без карста, по его мнению, и есть реакция влияния карста на сток.

Огромный вклад в основы карстоведения заложил Г.А. Максимович [12]. В его двухтомнике отмечается, что “в гидрогеологической истории Земли можно отмечать четыре основные эры развития коллекторов: трещинную, поровую, карстовую и антропогенную”, каждой эре им дана характеристика. Так, антропогенная эра развития коллекторов характеризуется возникновением искусственных полостей в земной коре. Г.А. Максимович предложил морфометрическую десятичную классификацию карстовых бассейнов и дал им характеристику. Этим автором представлена гидрогеология карста с видами карстовых вод. Он дал описание карстовым пещерам и описал литогенез натечных карбонатных образований пещер. Им рассмотрены энергетическое использование карстовых вод и вопросы водоснабжения, описаны типы карстовых областей и карстовые озера. Среди кубинских специалистов, занимающихся карстом, необходимо назвать Х.Л. Батиста [3], Garcia Miguel Osvaldo Aseanio [13], C. Ducloz [14], A. Nuñez Jiménez [15] и др.

Трудности решения задачи по учету влияния карстовых образований на сток рек возникают уже на этапе привлечения данных наблюдений на водомерных постах в зонах распространения карста. Они состоят в неполноценном учете многообразия проявления карстовых явлений (естественно, не только на Кубе), а также в отсутствии правильной организации наблюдений на карстовых водосборах. Существует необходимость систематизировать основные виды карстовых образований и организовать на карстовых реках определенные виды гидрологических наблюдений. Это могут быть парные водомерные посты с наличием карста и без него, водно-балансовые участки и т.д. Иными словами, учет карстовых процессов в гидрологии при имеющихся материалах наблюдений неоднозначен. Несмотря на это, попытаемся изложить один из подходов к учету карста в гидрологических расчетах.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для учета влияния карстовых образований на изменение стока рек использованы данные наблюдений на реках Кубы, где карстовые явления, особенно в западных областях, широко распространены [13]. В восточных областях острова в основном распространен покрытый карст, то есть тип карста, в котором карстующиеся породы с поверхности земли прикрыты рыхлыми нерастворимыми отложениями.

Как следует из рис. 1, на исследуемой территории имеют место незакарстованные территории, карст, расположенный между слоями, и карст с дренажом в нижележащие слои.

ОПИСАНИЕ КАРСТОВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ

Описание выполнено применительно к территории Западной Кубы, с районами, обозначенными на рис. 1 (использована работа [13]).

Всего автор [13] выделяет 5 карстовых зон.

1. Карст с местным дренажом. Этот вид карста развит на основании эрозии в горных и предгорных районах, и дренаж увязывается с локальной речной сетью. Интенсивность закарстованности зависит от развитости речной сети. Тектонические трещины способствуют образованию разных карстовых форм − как горизонтальных, так и вертикальных. Типичными районами такого вида карста являются территории Сьерра-де-лос-Органос и Сьерра-де-Кубитас.

2. Карст с дренажом через трещины. Независимо от вида карста присутствие тектонических дислокаций, которые разрушают закарстованные массивы, создает условия для образования особого вида закарстованности.

3. Карст, расположенный между слоями, не подверженными эрозии, который развит ниже уровня основания эрозии. Такой вид карста развивается в предгорных районах и прибрежных равнинах. Он характеризуется чередованием закарстованных и незакарстующихся слоев. Связь между закарстованными слоями происходит за счет трещиноватости массива. Если некарстующиеся слои значительной мощности и непроницаемости, то тогда создаются водоупорные слои, например, в районе Янура-де-Камагуей.

3а. Карст с прилегающим дренажом, развит на основании эрозии. Этот вид карста локален и имеет разновидность предыдущего. Он прилегает к руслам рек и уменьшается по мере удаления от них.

4. Карст с дренажом в нижележащие слои, развит в артезианских бассейнах. Приурочен к прибрежным равнинам, дренаж приурочен к разгрузке водоносного горизонта к морю и (в небольшой степени) в малоразвитую речную сеть. Карбонатные породы имеют падение в сторону моря, создавая артезианский гидрогеологический бассейн, разгружающийся на большую глубину, вызывая закарстованность массива с поверхности и на всю мощность карбонатных пород. Наиболее активная зона достигает мощности 40–50 м. В зоне аэрации характерны вертикальные карстовые формы, в зоне колебания уровня грунтовых вод развиваются разные формы карста. Типичным районом, где развит такой вид карста, являются равнины Пинар-дель-Рио и Гавана-Матансас.

Материалом для исследования влияния карстовых образований на слой инфильтрации послужил среднегодовой сток рек Восточной (22 водомерных поста опорной гидрологической сети) и Западной (14 постов) Кубы. Период наблюдений на постах с учетом приведения коротких рядов к многолетнему периоду по атмосферным осадкам составляет 42−50 лет.

Для качественного и количественного анализа влияния карстовых образований на речной сток в статье использована линейно-корреляционная модель водного баланса [9, 10]. Эта модель представляет собой уравнение прямой, основными параметрами которой являются свободный член ${{b}_{{}}}$и коэффициент регрессии k. По этой модели определяются 3 слоя впитывания: на стадии водообразования ${{R}_{T}},$ на стадии спада стока ${{R}_{{\tau }}}$ и после конца стока за счет объемов воды, оставшейся в замкнутых понижениях ${{R}_{0}}.$ Кроме этого, можно определить слой суммарного испарения $E,$ слой инфильтрации в подземные воды $U,$ слой испарения с водной поверхности ${{E}_{b}}$ [9, 10]. Величина ${{R}_{0}}$ отражает ту часть стока и атмосферных осадков, которая задержана поверхностными замкнутыми понижениями на водосборе. Мы рассчитываем, что в ${{R}_{0}}$ входит некоторый объем карстовых вод на водосборе. Методика оценки слоя ${{R}_{0}}$ рассмотрена в [7] и приведена ниже. Предварительно отметим [10], что свободный член уравнения регрессии равен:

Для определения указанных слоев впитывания, содержащихся в параметре b, последовательно выполним следующее [10]. Учитывая зависимость слоя впитывания b от величины атмосферных осадков P, исключим из b влияние P. Представляется, что процесс накопления влаги в почве должен зависеть от степени развитости рельефа. Поэтому после исключения влияния P, выявим зависимость $\frac{b}{P} = f({\text{Ф}})$ от геоморфологического фактора Ф, характеризующего индекс развитости микрорельефа. Геоморфологический фактор [4], равный отношению длины склона водосбора l к корню квадратному из уклона водосбора I_вод:

где l – длина склона водосбора, км; I_вод – уклон водосбора, %.

Для построения графика $\frac{b}{P} = f({\text{Ф}})$ использованы данные, относящиеся к водосборам рек Вологодской области и Восточной Кубы. Эти водосборы выбраны исключительно по причине наличия у них сведений по типам почв. График зависимости $\frac{b}{P} = f({\text{Ф}}),$ приведенный на рис. 2, состоит из семи групп точек, имеющих разные наклоны. Необходимо отметить, что эти группы точек дают основание утверждать, что каждая из семи зависимостей характеризуется значительной редукцией и говорит о существенном влиянии рельефа и типа почв [6, 7] По нашему мнению, значения зависимостей $\frac{b}{P} = f({\text{Ф}})$ при Ф → 0 будут характеризовать (для данного типа почв) впитывающую способность за период водообразования R_T, не искаженную влиянием поверхностного задержания R₀. Отсюда при Ф → 0 на оси $\frac{b}{P}$ мы определяем R_T как отрезок, отсекаемый линией связи на оси ординат зависимости b/P=f(Ф) . Нам известно значение b, а по разности b – R_T = R₀ получаем слой поверхностного задержания после окончания стока R₀.

Каждую из этих точек на линии можно представить выражением (4), отражающем значение $\frac{b}{P}$ при нулевом геоморфологическом факторе, и получить R₀:

где $\frac{{{{b}_{{4i}}}}}{{{{P}_{i}}}}$ – значение параметра для i-точки на графике; $\alpha $ тангенс угла наклона линий к оси абсцисс.

Значение R₀ можно также довольно просто определить по тангенсу угла наклона линий на графике зависимости $\frac{b}{P} = f({\text{Ф}}).$

Анализ зависимостей, изображенных на рис. 2, выполнен с помощью почвенной карты. На процесс впитывания, в значительной мере зависящего от типа почв, заметное влияние оказывает порозность верхних горизонтов и гранулометрический состав почв.

Значения R₀ в числе других параметров приведены в табл. 1.

Для дальнейших расчетов использована зависимость (3). При больших уклонах водосборов и малых длинах склонов водосбора получаем значение Ф небольшим, что означает почти вертикальные склоны водосборов. При малых уклонах водосборов и большой длине склонов значение Ф оказывается большим, что означает равнинные условия территории водосбора.

При вертикальных склонах водосбора поверхностные воды со склонов исчезнут, а в карстовых пустотах сохранится вода. Во втором случае, наоборот, данные по l и I_вод будут отражать плоский рельеф и медленное стекание с такого водосбора. Однако не исключено, что и на этой территории вода задержится в карстовых образованиях. Учитывая это, представляется необходимым исследовать в первую очередь зависимость ${{R}_{0}} = f({\text{Ф}})$ [9, 10], призванную оценить объем стока, задержанного в карстовых емкостях. Предварительно для этого из значений R₀ необходимо исключить влияние на него атмосферных осадков P. Тогда зависимость можно будет представить как ${{{{R}_{0}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{R}_{0}}} P}} \right. \kern-0em} P} = f({\text{Ф}}),$ график этой зависимости приведен на рис. 3.

На рис. 3 образовались две линии связи. Верхняя линия связи охватывает значения Ф от 20 до 110, а $\frac{{{{R}_{0}}}}{P}$ от 0.04 до 0.23. Нижняя линия отстоит вниз и изменяется Ф = 70–140, а $\frac{{{{R}_{0}}}}{P}$ = 0.03–0.25. Диапазоны изменения верхней линии говорят о том, что водосборы, принадлежащие этому графику связи, частично расположены в пересеченном рельефе ( примерно Ф от 20 до 50 и частично в слаборасчлененном (Ф > 50)). При этом задержанные объемы воды $\frac{{{{R}_{0}}}}{P}$ на водосборах, входящих в верхнюю линию, превышают объемы воды нижней линии, что говорит о значительно больших емкостях. Нижняя линия, как представляется, охватывает водосборы равнинной территории с минимальным слоем задержанного стока. Однако незначительное количество точек на нижней линии не позволяет оценить степень задержания стока карстовыми пустотами и сделать какие-либо выводы.

Таким образом, изображенный на рис. 3 график не позволяет более детально исследовать задержание стока в карстовых емкостях. Вполне возможно, что график зависимости $\frac{{{{U}_{{}}}}}{P} = f\left( {\frac{{{{R}_{0}}}}{P}} \right)$ будет более информативным − рис. 4. Этот график представлен двумя линиями со значимыми коэффициентами корреляции. Верхняя линия выражается уравнением

с коэффициентом корреляции 0.89. Нижняя линия выражается уравнением и коэффициент корреляции 0.90.

Линии на графике почти параллельны, что может говорить об идентичных гидродинамических характеристиках − таких, как скорость и величина фильтрации.

Судя по гидрографическому описанию водотоков, а также по величине R₀, водосборы на нижней линии связи (рис. 4) отражают отсутствие активных карстовых процессов. Логично предположить, что нижняя линия на графике слабо связана с карстовыми процессами, или вообще не связана, а верхняя линия связи характеризует значительную инфильтрационную способность. Мы считаем, что отношение значений верхней линии к значениям нижней позволит определить коэффициент влияния карста на слой инфильтрации и стока. Тогда полученные коэффициенты будут отражать влияние не только на инфильтрацию, но и на слой стока рек и, соответственно, на водный баланс водосбора. Вычисления поправочных коэффициентов изменения слоя инфильтрации приведены в табл. 2. При этом K_U (графа 4 табл. 2) получен делением значений графы 3 на значения графы 2.

Значения коэффициентов в табл. 2 приведены в убывающем порядке согласно методу Г.А. Алексеева [12], согласно которому происходит наименьшее отклонение от наблюденных точек как по ординате, так и по абсциссе. Метод назван автором [12] “методом наименьших прямоугольников”. Согласно этому методу, минимум отклонений от наблюденных точек соблюдается по двум осям, корреляционная связь не имеет разброса. В отличие от метода наименьших квадратов отклонения от наблюденных точек осуществляется только по одной из осей.

Соотношение значений в табл. 2, графе 3 к значениям в графе 2 представляет коэффициент влияния карста K_U на слой инфильтрациии, соответственно на слой стока и водный баланс.

Изменение коэффициента K_U можно проследить на рис. 5. На этом рисунке при нулевом значении R₀/P значение коэффициента K_U = 0.69. Представляется, что при R₀/P = 0 эта величина (0.69) отражает процесс продолжающегося стекания, в том числе и подземным путем через карстовые пустоты из других близлежащих бассейнов. По нашему мнению, для оценки влияния карста на слой инфильтрации можно использовать приведенный на рис. 5 график.

Мы рассмотрели влияние карста на слой инфильтрации. Чаще интерес вызывает влияние карста на сток рек. Для оценки этого влияния рассмотрим выражение для слоя инфильтрации из работ [6, 8, 9]:

где Y – слой речного стока, мм; k – коэффициент регрессии корреляционной зависимости слоя стока от слоя атмосферных осадков.

Коль скоро коэффициент регрессии k характеризует угол наклона линии регрессии зависимости слоя стока от слоя атмосферных осадков, где на оси абсцисс отложены слои атмосферных осадков, то с увеличением k возрастает Y, а слой U будет уменьшаться. И, наоборот, при уменьшении k уменьшится Y и увеличится U.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненного исследования намечен путь возможного учета влияния карста на слой инфильтрации и, соответственно, на слой стока и на водный баланс. Безусловно, для уверенного суждения о достоверности выбранного пути необходимо привлечь данные наблюдений на соседних водосборах, где также распространен карст. Кроме этого, нужно организовать наблюдения на разных видах карста и оценить их влияние на гидрологические характеристики по предлагаемой методике.