ОСОБЫЕ СЛУЧАИ РАСЧЕТА МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ

СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ХОД РУСЛОВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ НА МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДАХ

Согласно воззрениям современной гелиогеофизики изменчивость гидрологического режима всей нашей планеты, и в частности водности рек, во многом обусловлена космическими причинами — опосредованным влиянием процессов, протекающих в недрах нашего светила, представляющего собой типичную карликовую звезду спектрального типа «&> («желтая»).

Нижняя, доступная для непосредственного наблюдения оболочка Солнца — фотосфера состоит из светлых зерен — гранул, которые в процессе изменения фотосферы, раздвигаясь, образуют темные области, так называемые поры. Рост одной или нескольких пор приводит к образованию пятна или группы пятен. В течение определенного периода времени суммарная площадь групп пятен возрастает до некоторого своего максимального значения, после чего идет процесс ее уменьшения до тех пор, пока данный участок фотосферы вновь не придет в невозмущенное состояние. Другие образования фотосферы — факелы, также как и пятна, возникают, растут и исчезают. Считают, что активные области фотосферы — это медленно расширяющиеся вихревые образования [51].

Изменчивость качественных и количественных характеристик солнечных пятен и факелов, получившая название солнечной активности, носит циклический характер. В среднем один раз в 11,1 года число пятен (и факелов) достигает своего максимального значения, в течение последующих 7 лет число их снижается до минимума, после чего в среднем через 4 года вновь наступает максимум очередного цикла.

Поскольку между деятельностью Солнца и геофизическими процессами существует (нередко тесная) причинно-следственная связь, то для возможности использования этой связи в целях выполнения различных геофизических прогнозов установлены количественные характеристики (индексы) солнечной активности. Один из самых простых и широко используемых на практике индексов солнечной активности — это относительные числа солнечных пятен (числа Вольфа) [11, 51], представляющие собой сумму общего числа солнечных пятен а и удесятеренного количества их групп Ь:

где а — полное число пятен на диске Солнца независимо от их размера; b — число групп пятен; к — множитель, нормирующий отсчеты разных обсерваторий.

Важность этого индекса обусловлена тем, что непрерывные наблюдения за его ходом во времени ведут с 1848 г., а полный ряд непрерывных наблюдений восстановлен директором Цюрихской обсерватории Рудольфом Вольфом с 1700 г., и тем, что множество геофизических явлений обнаруживают тесную связь с ходом чисел Вольфа. К числу других важных индексов солнечной активности относят также площадь солнечных пятен Х5 за данный отрезок времени, индекс средней продолжительности жизни одной группы пятен а, индекс средней максимальной площади одной группы S и т.д. Солнечная активность находит свое проявление и в других оболочках Солнца. Поэтому современной гелиофизикой, кроме фото- сферных, установлены и другие индексы (хромосферные, корональ- ные), однако известные за существенно более короткий срок непрерывных наблюдений.

Поскольку водность рек обычно тесно связана с ходом чисел Вольфа, в дальнейшем будем использовать именно этот индекс солнечной активности.

Активные области Солнца излучают добавочную к норме радиацию, находящую свое отражение в увеличении электромагнитных волн (рентгеновских, ультрафиолетовых и радиоволн). Однако, помимо этого, солнечная активность состоит еще и в выбросе дополнительного количества электрически заряженных частиц — корпускул, которые, разгоняясь до параболической скорости (617 км/с), отрываются от Солнца и уходят в межзвездное пространство. По современным воззрениям гелиогеофизики корпускулярное излучение Солнца является едва ли не определяющим в гелиогеофизиче- ских связях, в том числе и в солнечно-гидрологических.

Основное определяющее свойство солнечной активности состоит не только в ее цикличности вообще, а в многоцикличности. Классический 11-летний цикл отнюдь не является единственным ритмом солнечной активности. Для Солнца характерна единая, сложная система «гармоник» различного порядка.

Самый короткий (5—6)-летний цикл солнечной активности, проявления которого первоначально были установлены во многих геофизических процессах, был впервые обнаружен М.С. Эйгенсоном в ходе индекса а в 1953 г. и связан с корпускулярной активностью Солнца, являясь, в свою очередь, составной частью наиболее исследованного 11-летнего цикла. Наряду с 11-летним, едва ли не самым важным является (88—89)-летний (вековой) цикл солнечной активности, состоящий из восьми 11-летних циклов. Соседние 11-летние

и соседние вековые циклы образуют «двойные» (22—23)-летние и (170— 180)-летние циклы. Обнаружены проявления в некоторых геофизических процессах и следы многовековых ритмов солнечной деятельности. Так, А. В. Шнитников 149] установил наличие цикла длительностью около 1850 лет. Многоритмичность солнечной деятельности подчиняется некоторой «иерархии», когда длительность каждого последующего по порядку цикла в 2—3 раза больше ритма предыдущего порядка. О сложном, многоцикличном характере солнечной активности можно составить некоторое представление по кривой хода солнечной активности с 1700 г. (рис. 8.1).

Изменчивость солнечной радиации прежде всего оказывает влияние на верхние слои земной атмосферы. Как установлено, все слои атмосферы взаимосвязаны, поэтому корпускулярное и волновые воздействия на верхнюю атмосферу приводят к соответствующим физическим изменениям нижних слоев. Установлено, что усиление солнечной активности определяет усиление общей атмосферной циркуляции, что в конечном итоге обусловливает и изменение гидрометеорологического режима. По М.С. Эйгенсону, солнечная активность энергетически относительно незначительна по сравнению с собственной внутренней энергией земной атмосферы. Однако эта вынуждающая сила, попадая в резонанс с ее собственными колебаниями, в значительной степени усиливают общую атмосферную циркуляцию.

Ход солнечной активности в отклонениях от 250-летней нормы (1700-1958) (по А.В. Шнитникову)

Рис. 8.1. Ход солнечной активности в отклонениях от 250-летней нормы (1700-1958) (по А.В. Шнитникову)

Проявления солнечной активности в различных геофизических процессах поистине безграничны. Одним из самых чувствительных геофизических индексов солнечной активности являются атмосферные осадки, что непосредственно определяет гидрологические режимы рек, озер, уровней грунтовых вод и т.д., которые обычно обнаруживают тесную связь с солнечной активностью. В качестве примера на рис. 8.2 представлен ход уровней оз. Виктория.

Ход уровней оз. Виктория (7) и солнечная активность [2) (по В.Ю. Визе)

Рис. 8.2. Ход уровней оз. Виктория (7) и солнечная активность [2) (по В.Ю. Визе)

Один из наиболее важных выводов современной гелиогеофизики состоит в том, что солнечно-гидрологические связи хотя и «несомненны, тем не менее, не одинаковы для разных географических районов и в разные эпохи. Одни авторы для одних районов и одних отрезков времени обнаруживали положительную корреляцию, а другие для иных районов и иных эпох устанавливали отрицательную связь с солнечной активностью» (М.С. Эйгенсон) [49J. Так, например, в изменении уровней воды в оз. Виктория (см. рис. 8.2) до 1925 г. отмечена четкая положительная связь с ходом 11-летнего цикла солнечной активности, затем возникают следы (5—6)-летнего цикла, а в некоторые годы связь даже меняет свой знак на обратный. С другой стороны, А.В. Шнитников нашел, что уровни шведских озер Венерн, Меларен и Ваттерн обнаруживают в течение (100— 150)-летнего периода также четкую 11-летнюю цикличность, однако максимумам солнечной активности отвечают уже низкие уровни озер, и наоборот, минимумам активности — высокие уровни, т.е. в этом случае связь отрицательная. Следует отметить также чрезвычайно важное явление удлинения продолжительности циклов уровней озер по мере удаления от океана в глубь континента, обнаруженные А.В. Шнитниковым. Так, в уровнях Мазурских озер обнаружена цикличность с периодом порядка 13—20 лет, а в Казахстане и Западной Сибири длительность циклов уровней озер уже составляет 25—45 лет (рис. 8.3).

По мнению М.С. Эйгенсона, ритмику уровенного режима озер определяют совместно «солнечная активность плюс физико-географический фон» [49].

Гидрологическим режимом рек, так же как и озер, во многом «дирижирует» солнечная активность. В водности рек Средней Азии, таких как Амударья, Сырдарья и Чирчик, К.В. Бродовицким и П.П. Предтеченским обнаружена (5—6)-летняя цикличность (рис. 8.4).

В стоке р. Волги и, соответственно, в уровнях Каспийского моря по исследованиям Б.Д. Зайкова обнаружено влияние 11-летнего и (88—89)-летнего (векового) циклов солнечной активности (рис. 8.5).

Сложный характер солнечно-гидрологических связей проявляется в гидрологическом режиме рек, так же как и в уровенном режиме озер. Так, Т.Н. Кочукова, исследовав данные более чем по 200 водомерным

постам, обнаружила различные связи стока рек с солнечной активностью. В.Г. Андриянов нашел положительную связь водности р. Темзы с вековым ходом чисел Вольфа, однако для р. Нила эта же связь оказалась отрицательной. Аналогично А.М. Резни- ковским обнаружена связь средних расходов рек с вековым циклом чисел Вольфа, причем эта связь оказалась положительной для рек Сибири и отрицательной — для рек Европы и Средней Азии.

Рис 8.4. Солнечная активность и водность р. Сырдарьи (по К.В. Бродовицкому и П.П. Предтеченскому):

  • 7 — расходы; 2 — осадки;
  • 3 — солнечная активность
Ход уровней озер в Казахстане и Западной Сибири за период с 1700 по 1950 г. (по А.В. Шнитникову)

Рис. 8.3. Ход уровней озер в Казахстане и Западной Сибири за период с 1700 по 1950 г. (по А.В. Шнитникову)

Подобно цикличности уровен- ного режима озер, длительность циклов водности рек возрастает по мере продвижения в глубь континента. Так, Н.С. Шарашкина и А.В. Шнит- ников обнаружили в расходах р. Немана цикличность порядка 13—20 лет. Однако для р. Невы и для других рек северо-запада России эта цикличность составила уже 25—35 лет.

Обнаружено некоторое запаздывание в ходе водности рек по отношению к соответствующим циклам солнечной активности. Это обстоятельство отмечал еще Н.А. Белин-

Влияние 11-летнего и векового циклов солнечной активности на уровни Каспийского моря И) и сток р. Волги (2) (по Б.Д. Зайкову)

Рис. 8.5. Влияние 11-летнего и векового циклов солнечной активности на уровни Каспийского моря И) и сток р. Волги (2) (по Б.Д. Зайкову)

ский, когда при прогнозировании водности р. Волги, Дона, Днепра, Дуная, Сев. Двины и Урала им была использована разность фаз в половину 11-летнего цикла. Это явление объясняется большой инертностью нижней атмосферы, в результате чего последствия каждого очередного максимума солнечной активности находят отражение в стоке рек лишь спустя несколько лет. Явление «запаздывания» обнаружено и в других геофизических процессах, например в ходе уровней грунтовых вод. Так, А.В. Шнитников нашел положительную связь между уровнями грунтовых вод (в колодцах) на ст. Каменная Степь и числами Вольфа (рис. 8.6).

Солнечная активность и уровни грунтовых вод в колодцах на ст. Каменная степь (по А.В. Шнитникову)

Рис. 8.6. Солнечная активность и уровни грунтовых вод в колодцах на ст. Каменная степь (по А.В. Шнитникову): а — числа Вольфа (И/]; б — уровни грунтовых вод (УГВ)

Как видно, налицо явное запаздывание фаз уровней грунтовых вод по отношению к соответствующим циклам солнечной активности. К аналогичным выводам пришли в своих работах В.И. Дуги- нов и В.А. Коробейников.

Таким образом, обобщая исследования по вопросам взаимосвязи изменчивости гидрологического режима с ходом солнечной активности, можно констатировать следующее.

  • 1. Наличие солнечно-гидрологических связей сомнению не подлежит.
  • 2. Вся гамма ритмов солнечной активности находит отражение в ходе водности рек. Однако на разных водотоках проявляются разные гармоники солнечной активности.
  • 3. Солнечно-гидрологическая связь весьма опосредована: солнечная активность — изменение общей атмосферной циркуляции — изменение гидрологического режима и, наконец, стока рек. Поэтому, вследствие исключительной инертности земной атмосферной машины, фазы ритмов стока рек обычно идут с некоторым запаздыванием по отношению к соответствующим ритмам солнечной активности.
  • 4. Солнечно-гидрологические связи переменны во времени и пространстве. Они не одинаковы в разных районах и даже в одном районе и с течением времени могут менять качественный и количественный характер и даже менять знак на обратный.
  • 5. «Физико-географический фон» играет существенную роль в формировании ритмов стока рек, периоды которых могут быть в известной мере трансформированы.
  • 6. Сама солнечная активность весьма далека от строгой периодичности, поэтому, а еще и в силу вышесказанного, тем более, трудно ожидать ее в колебаниях стока рек.

Сложное, опосредованное, но объективно существующее влияние солнечной активности на ритмику стока рек не может не влиять и на ход русловых деформаций на мостовых переходах. Однако связь солнечная активность — русловые деформации (являющаяся производной цикличности стока) еще более опосредована.

Процессы, протекающие в руслах рек на мостовых переходах в ходе реальных паводков, вовсе не «пассивно» отражают цикличность стока, а различные мостовые переходы вступают «в резонанс» с различными гармониками солнечной активности. Математическое моделирование различных мостовых переходов, выполненное в Гипротрансмосте с использованием программы «Гидрам-3», показало следующее.

На мостовом переходе через р. Дон у ст. Вешенская при ширине разлива в паводки BQ = 2690 м и средней крупности донных отложений (современного аллювия) d = 0,40 мм при пропуске паводков в натурной последовательности с 1878 по 1968 г. входе русловых деформаций проявился классический 11-летний цикл солнечной активности (рис. 8.7).

Развитие русловых деформаций на мостовом переходе через р. Дон у ст. Вешенская за период с 1878 по 1968 г

Рис. 8.7. Развитие русловых деформаций на мостовом переходе через р. Дон у ст. Вешенская за период с 1878 по 1968 г.:

7 — числа Вольфа (И/); 2 — наивысшие уровни воды паводков (УВВ); 3 — наибольшие высоты вала отложений ниже моста; 4 — геодезические высоты (отметки) размытого дна под мостом; 5 — дно до размыва; Нр — средние высоты дна русла

Обращает на себя внимание отмеченный выше сложный характер связи солнечная активность — геофизические процессы (в данном случае русловые деформации на мостовом переходе): совпадение пика солнечной активности с максимумом русловых деформаций (отметок размытого дна русла под мостом и наибольших высот вала отложений за мостом) в 1917 г. — положительная связь, запаздывание максимумов деформаций русла на 1—4 года по отношению к соответствующим экстремумам солнечной активности в последующие годы и, наконец, изменение связи на отрицательную в 1953 г.

На мостовом переходе через р. Оку у г. Рязани при ширине разлива в паводки В{) = 10 600 м и средней крупности донных отложений d = 0,30 мм при пропуске паводков в натурной последовательности с 1878 по 1960 г. в ходе русловых деформаций уже проявился (88—89)-летний (вековой) цикл солнечной активности со следами 22-летнего цикла (рис. 8.8).

Развитие русловых деформаций на мостовом переходе через р. Оку у г. Рязани за период с 1878 по 1960 г

Рис. 8.8. Развитие русловых деформаций на мостовом переходе через р. Оку у г. Рязани за период с 1878 по 1960 г.

  • 7 — числа Вольфа Ш: 2 — наивысшие уровни воды паводков (УВВ);
  • 3 — уровень межени (УМ В); 4 — отметка дна русла под мостом до размыва [НУ, 5 — геодезические высоты (отметки) размытого дна под мостом (Нр)

И наконец, на мостовом переходе через р. Сейм у г. Рыльска при ширине разлива в паводки всего В0 = 600 м и средней крупности донных отложений d = 1,0 мм при пропуске паводков в натурной последовательности с 1878 по 1960 г. в ходе русловых деформаций уже проявился (5—6)-летний цикл солнечной активности (рис. 8.9).

Развитие русловых деформаций на мостовом переходе через р. Сейм на 582-м километре железнодорожной линии Навля—Льгов

Рис. 8.9. Развитие русловых деформаций на мостовом переходе через р. Сейм на 582-м километре железнодорожной линии Навля—Льгов:

Обращает на себя внимание то обстоятельство, что цикличность стока рек, которую непосредственно даже непросто обнаружить, как бы «проявляется» процессами, протекающими на мостовых переходах.

Результаты математического моделирования работы мостового перехода через р. Оку у г. Белева по серии фактических паводков 1881 — 1965 гг. (рис. 8.10) наглядно показывают огромное влияние «физико-географического фона» на гелиогеофизическую связь солнечная активность — русловые деформации на мостовых переходах.

При фактических значениях ширины разлива В0 = 2600 м и средней крупности донных отложений d = 0,85 мм количество циклов русловых деформаций составило 5—6 (рис. 8.10, в). Наибольший средний по ширине русла размыв имел место после прохода двух высоких паводков 1931 — 1932 гг. и составил 3,97 м, а наибольшая высота вала отложений за мостом после паводка 1908 г. — 1,60 м.

Увеличение средней крупности донных отложений до d = 5,0 мм (рис. 8.10, г) привело к тому, что после расчетного паводка 1908 г. практически исчезли следы 11-летних циклов, в то время как четко проявились 22-летние циклы солнечной активности. Наибольший средний по ширине русла размыв после паводка 1932 г. составил 2,85 м, а наибольшая высота вала отложений за мостом в 1908 г. — 0,87 м. Аналогичным образом влияет на изменение цикличности русловых деформаций увеличение ширины разлива в паводки в месте перехода В0.

Уменьшение ширины разливало В0 = 1300 м (рис. 8.10, д) привело к резкому выявлению всех 11-летних циклов и даже к появлению следов (5—6)-летних циклов. Наибольший средний смыв грунта в русле под мостом составил в 1908 г. уже 5,42 м, а наибольшая высота вала отложений в том же году — 1,59 м.

Аналогичное влияние на формирование циклов русловых деформаций оказывает уменьшение средней крупности донных отложений в русле реки.

Таким образом, можно констатировать, что мостовые переходы с большой шириной разлива или крупными донными отложениями вступают в «резонанс» соответственно с более крупными гармониками стока (а следовательно, и солнечной активности). Эти мостовые переходы обладают как бы большей «инерцией» и во многом сглаживают результаты воздействия отдельных высоких паводков и даже целых многоводных периодов.

Этого не происходит с мостовыми переходами, характеризуемыми мелким составом донных отложений русла или небольшой шириной разлива. Мостовые переходы на таких реках реагируют практически на любые, даже незначительные изменения водности рек и вступают в «резонанс» с более короткими гармониками солнечной активности.

Развитие русловых деформаций на мостовом переходе через р

Рис. 8.10. Развитие русловых деформаций на мостовом переходе через р. Оку у г. Белева за период с 1881 по 1965 г. при различных значениях ширины разлива В0 в паводки в месте перехода и средней крупности донных отложений d:

а — числа Вольфа (И/); б — наивысшие уровни воды паводков (УВВ); в — б0 = 2600 м, d = 0,85 мм; г— б0 = 2600 м, d = 5,00 мм; д — б0 = 1300 м, d = 0,85 мм; 1 — наибольшие высоты вала отложений ниже моста; 2 — дно до размыва; 3 — геодезические высоты (отметки) размытого дна под мостом; Нр — отметка деформированного дна русла

Выявленные особенности гелиогеофизической связи солнечная активность — русловые деформации на мостовых переходах в принципе позволяют:

  • 1. Прогнозировать с ошибкой 1—2 года периоды ожидаемой напряженной работы мостовых переходов и заранее планировать дополнительные финансовые вложения на ремонтно-восстановительные работы по ликвидации последствий прохода высоких паводков.
  • 2. Устанавливать среднюю частоту наступления неблагоприятных периодов работы мостовых переходов в течение расчетного срока службы и обоснованно рассчитывать приведенные затраты и экономическую эффективность инвестиций.
  • 3. Учитывая, что судоходные условия на мостовых переходах прямо связаны с ходом русловых деформаций, очевидно, что два перечисленных выше вывода прямо можно отнести и к прогнозированию условий судоходства на мостовых переходах.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >