Бесконтактные способы измерения плотности селевых потоков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.12 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ .мм*.

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУВДИХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ СЕЛЕВЫХ ПОТОКОВ

2. ПРИНЦИПЫ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ СЕЛЕЙ.

2.1. Классификация аппаратурных методов измерения. Контактные методы

2.2. Радиометрический метод .v.••••••.

2.3. СВЧ - радиометрический метод •••••.•;•••••.••

2.4. Гравиметрический метод ••••••••.

3. МАГНИТОМЕТРИЧБСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ СЕЛЕЙ.

3.1. Общие магнитные свойства горных пород. •••••••••

3.2. Методика определения средней магнитной восприимчивости селеформирувдих грунтов.

3.3. Оценка магнитных аномалий, вызванных селевыми потоками •••••••••м.

3.4. Интерпретация магнитных аномалий, создаваемых селевыми потоками.

3.5. Методика определения плотности селей магнитометрическим способом ••••••••••••••••••••••••••

3.6. Оргашзационно-техническоеобеспечение магнитных измерений •••••••••••••••••••••••••••••••••

3.7. Методическая ошибка измерения плотности селей .•••.;.

4* ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ СЕЛЕВЫХ

ПОТОКОВ ^M.MM.MMMM.i.MMMM.MMMMM.M

4.1. Область определения плотности

4.2* Расчет репрезентативного объема пробы селевой массы

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ. АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

5.1 • Результаты экспериментальных работ

5.2. Автоматизация процесса измерения плотности селей

5.3. Задачи автоматической информационной селе-метрической системы

5*4* Функциональная структура АШ "Сели"

Сель - грозное явление природы, которое приносит человечеству громадные бедствия. На территории Советского Союза селевые потоки распространены почти во всех горных и предгорных районах Средней Азии, Казахстана, Закавказья, Крыш, Урала, Дальнего Востока. Только в Средней Азии и Казахстане выявлено свыше двух тысяч селеносных русел, в которых отмечено около 6 тысяч случаев селей менее чем за столетний период наблюдений / 56 /. "Как и другие стихийные явления, селевые потоки вписали многие мрачные страницы в историю борьбы человека с природой. Гибель людей, частично или полностью уничтоженные населенные пункты, разрушенные мосты и дороги, занесенные поля и сады, расходы на ликвидацию последствий щюдного воздействия селей и селезащиту -вот та цена, которую платит человечество за недосмотр, неумение, опрометчивость, за пренебрежение к селевым потокам" / 15 /. Общий материальный ущерб от селей на территории нашей страны оценивается суммой около 100 млн.руб. ежегодно / 75 /. В таблице I, заимствованной из / 73 /, приведен в цифрах ущерб, наносимый селевыми потоками и паводками некоторым государствам.

Необходимость защиты 01фужавдей среды от вредного воздействия селей вызывает необходимость изучения физики селевого явления, создает импульс к развитию науки о селях, а в связи с освоением новых территорий, строительством высокогорных магистралей, гидротехнических сооружений работы по изучению селевых потоков приобретают особую актуальность. Об этом свидетельствуют постановления партии и правительства, например, постановление Совета Министров СССР от 7 марта 1978 г. № 183 "0 мерах по улучшению защиты населенных пунктов, предприятий, других объектов и

Таблица I

Я, ! п/п! 1 • ! • ! Государство ! Среднегодовое! Среднегодовой !количество !ущерб от па-!жертв, чел. !водков на ду-! !шу населения, ! ! дол. Доля ущерба от общенационального дохода, %

I Япония 1390 7,0 1,1

2 США 69 1,7 0,06

3 Китай 302 2,9 1,6

4 Индия 510 0,3 0,3

5 Тайвань 354 1Д 0,9

6 Пакистан - 0,9 1,4

7 Филиппины 283 0,6 0,4 земель от селевых потоков, снежных лавин, оползней и обвалов".

Однако несмотря на то, что научно-исследовательские работы, посвященные формированию и движению, прогнозированию селей, методам борьбы с ними, ведутся уже более четырех десятилетий, эффективность противоселевых мероприятий еще совершенно недостаточна* Такое положение обусловлено рядом причин, важнейшей из которых является дефицит достоверных фактических данных о характеристиках прошедших селевых потоков. Как известно, основными признаками селевых потоков являются внезапность возникновения, щ>атковременность действия и огромная разрушительная сила. Поэтому изучение явления чрезвычайно затруднено, и основными методами оценки параметров селей до последнего времени были методы оценки по следам, оставленным селевыми потоками. Достоверность подобных данных, как это неодногфатно подчеркивалось в. специальной литературе, исключительно низка /16, 59 , 60 , 75, 76, 84 /.

Актуальность работы определяется необходимостью получения достоверной информации о плотности селей, без которой невозможна в конечном счете разработка оптимальных средств и мероприятий по селезащите.

Насыщенность потока твердым веществом наряду с минералогией его пнлевато-глинистых фракций определяет важнейшие реологические свойства селевой смеси, характер и режим движения потоков. Плотность служит классификационным гфитерием типа потока / 52 /, а тип потока определяет подход к изучению физики процесса, характер взаимодействия потока с инженерными сооружениями*

Основным способом измерения плотности селевых потоков до сих пор остается метод отбора проб непосредственно из потока1* Однако отбор проб из селевого потока является небезопасной операцией, а на сведения, добытые таким образом, нельзя серьезно полагаться, поскольку объем пробоотборника обычно не превышает нескольких десятков дм3, в то время как объем отдельных включений твердой сос-тавлящей в селевых потоках может составлять десятки м3* Кроме того; для описания селевого процесса в динамике совершенно недостаточно отдельных измерений. Получение больших потоков информации о быстро изменяющихся во времени величинах способны обеспечить только электронные устройства.

Цель работы заключается в разработке бесконтактных способов измерения плотности селевых потоков. Осуществление поставленной цели потребовало решения целого ряда задач, основными из которых являются:

- анализ возможных способов измерения плотности селевых потоков, основанных на использовании всего спектра физических свойств последних;

- выявление наиболее перспективных направлений;

- разработка основ выбранного метода;

- разработка методики измерения;

- определение репрезентативного объема "пробы" в зависимости от гранулометрического состава и дисперсии физических свойств селеформирувдих пород.

Автор принимал непосредственное участие в решении указанных задач, в организации и проведении испытаний способов в экспериментах по искусственному воспроизведению селевых потоков в природном селевом очаге бассейна р.Чемолган (близ г .Алма-Аты) в 1975-78 гг., в обработке и интерпретации полученных результатов / 41, 69, 80 А

Научная новизна. Исследования, проведенные в данной работе, впервые в селевой практике позволили измерить бесконтактным образом одну из важнейших характеристик селевых потоков - плотность. В результате этих исследований были решены следующие задачи:

В селеведении:

1. Разработана методика расчета максимального значения плотности грязекаменных потоков.

2. Определено понятие репрезентативного объема пробы селя, разработана методика расчета репрезентативного объема с учетом гранулометрического состава и дисперсии физических свойств твердой составлявдей селевых потоков (совместно с Б.С.Степановым).

В селеметрии:

I. Рассмотрены гравиметрический, радиоволновой способы бесконтактного измерения плотности; выявлена принципиальная возможность измерения плотности этими способами, оценены достоинства и недостатки каждого из них;

2. Разработан магнитометрический способ измерения плотности селей (совместно с В.С.Степановым).

3. Разработана методика определения средней магнитной восприимчивости с ел сформирующих грунтов селевых бассейнов.

4. Разработана структурная схема автономного селеметричес-кого створа для селестоковых станций, а также системы получения информации о характеристиках селей и оповещения о селевой опасности.

Практическая ценность. Разработка бесконтактного способа измерения плотности селей открывает возможность автоматического измерения плотности селей в течение всего селевого процесса с высокой точностью.

Получаемые данные имеют большое значение для изучения физики селевого явления, типизации селевых процессов, создания моделей расчета и прогноза характеристик селей, для выбора мероприятий по селезащите.

Основные результаты работы докладывались и обсуадались на заседании гидрологической секции Ученого Совета КазНИИ Гоеком-гидромета, на Общемосковском семинаре по вопросам палеомагнетизма и магнетизма горных пород, на ХУ Всесоюзной научно-технической конференции по противоселевым мероприятиям (сентябрь 1978 г., г.Ташкент). По теме диссертации опубликовано 7 работ, получено одно авторское свидетельство / 41, 61, 62 , 65-69 /.

Работа выполнялась в КазНИИ в рамках тем y.32i030 - "Разработать лабораторный образец измерителя плотности селевых потоков" и У.32.б.II - "Разработать технический проект автоматизированной системы сбора, хранения и распространения информации о селях" под общим научным руководством Ю.П.Сковородкина и Ю.Б.Виноградова.

Работа состоит из введения, пяти глав и заключения ( 120 стр.текста, 33 рис*, список литературы из 97 названий на 9 стр.).

В процессе работы и в обсузвдении результатов принимали участие к.т.н. Б.С.Степанов, сотрудники института Физики земли И.П.Добровольский, Т.В.Гусева, сотрудники СКВ завода "Казгеофиз-прибор" В.А.Красюков, П.И.Коваленко, М.Я.Новиков. Всем перечисленным товарищам автор выражает глубокую благодарность и признательность.

I . ОБЗОР СУЩЕСТВУВДЙХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ СЕЯЕВЫХ ПОТОКОВ

Метод отбора проб непосредственно из потока возник одновременно с рождением селеведения как науки. Но благодаря коварности изучаемого явления с одной стороны и примитивности способа измерения с, другой, мы в настоящее время располагаем считанным числом точек натурного измерения плотности селевых потоков. Однако и этих данных было бы еще меньше, если бы не настойчивость и энергия замечательного исследователя Г.М.Беручашвили, который организовал длительные наблюдения на реке Дуруджи (Восточная Грузия), известной своими селевыми потоками / 8 /.

В зависимости от технической оснащенности и фантазии исследователей пробоотборниками служили либо обычные ведра, либо специальные сосуды различной формы /21, 27 /, иногда снабженные крышками, позволяющими по замыслу конструкторов получать пробы из различных частей селевого потока. Пробоотборники раскладываются в селеносном русле до прохождения селя (в этом случае считается, что пробы характеризуют плотность головы селя) или их бросают в поток через определенные интервалы времени. Возвращаются на берег пробоотборники в обоих случаях с помощью тросов, веревок вручную либо, если позволяет рельеф, посредством примитивных сооружений.

Отбор проб из селевого потока даже при малом масштабе процесса (расход селя 50 м3/с) физически тяжелое и небезопасное мероприятие. Взятие проб из селевого потока, расход которого больше 100 м3/с, практически невозможно.

М.С.Гагошидзе / 22 / предложил "автоматический отбор проб" с определенной глубины селевого потока. В боковой стенке селевого русла, проходящего в коренных породах, встраиваются кронштейны с направляющими рельсами, по которым вверх и вниз может перемещаться особое устройство с вложенным в него ящиком без передней стенки (дяя захвата селевой пробы). Ящик подвешивается в нише на калиброванной медной проволоке диаметром 0,8-0,9 мм. При прохождении селевого потока через отверстие в нише происходит заполнение ящика селевой массой. Под тяжестью последней обрывается калибровочная нить, ящик падает на дно ниши и селевая проба оказывается герметически изолированной от дальнейшего соприкосновения с оз-фужаодей средой. После прохождения селя прибор очищают от грязи и, подняв щиток, извлекают ящик с образцом.

Предложенный М.С.Гагошидзе автоматический способ отбора проб по крайней мере безопасен для человека, число точек замеров плотности в течение одного селя равно числу установленных приборов (чаще всего 4-6), если конечно часть из них, если не все, не будут снесены потоком.

Однако чаще приходилось оценивать плотность по следам, оставленным селевыми потоками.

Известно, что основные факторы, определявдие способность селевой массы к течению, это - уклон и шероховатость русла, плотность и гранулометрический состав селевой массы, уровень селевого потока. То же можно сказать и о способности селевой суспензии к расплыванию. А если это так, то после прохождения селевого потока имеется принципиальная возможность путем подбора влажности остановившейся суспензии, сохраняя неизменными остальные факторы, определить плотность суспензии в момент ее остановки / 35,63/.

Балансовый метод измерения плотности селя является интегральным, т.к. позволяет получать лишь среднее значение плотноета за весь период протекания селевого процесса.

Среднее значение плотности получают из выражения pTVT+p6Vt-<-дьУ6СФг

Объем горных пород ]/т определяется путем проведения геодезической съемки до и после селевого процесса. Средняя плотность обломков пород J)T определяется также до селевого процесса при изучении физико-механических свойств селеформируадих грунтов. Объем воды, содержащейся в селеформирующих грунтах, Ye.ccpr находится по данным измерения влажности пород их слагающих. Объем воды Vg $ поступившей в очаг, определяют по данным гидрометрических наблюдений на входе очага и данным об осадках, если таковые имели место.

Балансовый метод может быть рекомендован в качестве контрольного при проведении экспериментальных исследований по искусственному воспроизведению селевых потоков, а также при стационарных наблюдениях за селевыми процессами в очагах, когда все необходимые данные находятся под рукой или их легко получить;

Однако требования современной науки о селях к данным о плотности диктуют необходимость применения аппаратурных методов -ведь в их арсенале имеются все достижения электроники, а следовательно высокое быстродействие, чувствительность и информативность. Первыми разработчиками аппаратурных методов измерения характеристик селевых потоков были сотрудники завода геофизических приборов НПО "Геофизика", которые во главе с Б.С.Степановым сконструировали лабораторный образец доплеровского (бесконтактного) измерителя скорости и уровня селевого потока / 44 Л-Ими же были разработаны и испытаны в экспериментах КазНИГМИ по искусственному воспроизведению селей в бассейне р.Чемолган в 1972-73 гг; датчики давления, предназначенные для измерения плотности селевой массы.

Гидростатический метод основан на измерении статического давления суспензии селевого потока на датчик, которое определяется высотой столба селевой массы и ее плотностью. Наибольшая погрешность при измерении давления возникает при ударе обломков горных пород о мембрану, для исключения воздействия которых применяется буферная емкость. Последняя однако со временем забивается твердым материалом, образующим жесткий каркас. Учесть изменение давления, обусловленное существованием жесткого каркаса, не представляется возможным.

В эксперименте 1972 г. регистрирующее устройство устанавливалось совместно с датчиком в бетонной нише. О работе датчика ничего не известно, т.к. бетонное сооружение было полностью разрушено селем, и по окончании эксперимента регистрирующее устройство найдено не было. В эксперименте 1973 г. регистрирующее устройство устанавливалось в безопасном месте на берегу русла, а информация от датчика передавалась с помощью радиопередатчика, работавшего в диапазоне средних волн. При прохождении селевого потока прибор выдавал информацию около одной минуты, что позволило определить значение плотности головы селевого потока, которое составило 2300 + 100 кг/м3. В дальнейшем бетонное сооружение, как и в 1972 г.,было разрушено, а устройство унесено потоком.

Опыт установки датчиков в русле, сформированном в коренных гранитоидных породах, позволяет сделать вывод о том, что даже при измерении плотности селевых потоков с расходом 50-150 м3/с датчики, непосредственно контактирующие с движущимся селевым потоком, имеют незначительный шанс на работу в течение продолжительного отрезка времени. При больших расходах селевых потоков время работы подобных датчиков будет весьма и весьма незначительным, Следовательно, контактные методы измерения характеристик селевых потоков применимы лишь при малых масштабах селевого процесса.

Грузинским исследователем Б.Л.Каладзе / 40 / был получен первый опыт использования гамма-плотномеров для измерения плотности малых селевых потоков.

Радиоизотопные методы измерения находят все большее распространение в приборостроении благодаря таким достоинствам, как надежность, долговечность, помехоустойчивость, высокая точность, В настоящее время разработано значительное количество модификаций гамма-плотномеров, позволяадих с весьма малой погрешностью (1-3$ ) измерять плотность в пределах 1200-4500 кг/м3.

Гамма-гамма метод измерения плотности вещества основан на использовании закономерностей взаимодействия гамма-квантов с электронами и ядрами вещества / 12 /, В зависимости от энергии гамма-квантов могут протекать процессы поглощения гамма-квантов электронами вещества (фотоэффект), упругого рассеяния гамма-квантов на связанных электронах вещества (рэлеевское рассеяние), неупругого рассеяния гамма-квантов на электронах вещества (комп-тон-эффект), полного поглощения гамма-квантов в лоле ядра с образованием электрон-позитронных пар. Наибольший интересов плане использования взаимодействия гамма-квантов с веществом с целью определения его плотности, представляет комптоновское рассеяние, преобладающее над всеми остальными процессами в области энергий гамма-квантов (0,3-3 Мэв).

Известно, что число электронов, содержащихся в горных породах, практически прямо пропорционально плотности этих пород. Таким образом, облучая породы гамма-квантами и регистрируя рассеянное излучение приемником, защищенным этаном от прямого попадания излучения источника, можно получать информацию о плотности исследуемой породы. Однако на погрешность измерения значительное влияние оказывает воздушный зазор между зондом и исследуемым веществом / 4 /. Поэтому для измерения плотности селевых потоков гамма-плотномеры могут применяться лишь при моделировании потоков в лабораторных условиях.

В работе / 94 / была рассмотрена возможность использования нефелометра для определения переноса взвешенных наносов на водосборе малой р.Драйзам в горах Шварцвальда, а для изучения взвешенных наносов в экспериментальной установке / 90 /, имитирующей речной сток, использовалась киноаппаратура. Комплекс технических средств состоял из кинокамеры, подвешенной над потоком, осветителя, расположенного под прозрачным окном в дне лотка, блока управления системой. В работе отмечается возможность создания модификации прибора для наблюдения за концентрацией наносов в малых потоках в природных условиях. Оба эти способа измерения имеют конструктивные узлы, контактирующие с потоком, они пригодны лишь для измерения малых концентраций твердого вещества наносоводных потоков, поэтому могут иметь весьма и весьма ограниченные применения в селевой практике.

В работе / I / обсуждается возможность использования космического излучения для определения мощности селевых потоков. Авторы работы предлагают измерять интенсивность нейронной) и ионизирующей) компонентов поля космического излучения, по ослаблению которых можно судить о массе водной и минеральной фракций селя; на основе этих данных нетрудно рассчитать среднюю концентрацию твердого вещества в потоке. Однако даже для относительно больших площадей счетных поверхностей датчиков (гейгеровского - 1500 см2 и нейтронного - 3000 см2) скорость счета М составляет для нейтронов 1,5 имп/с, для ионизирущек компонента- - 4 имп/с, и достижение низкой погрешности измерения плотности селя сопряжено с ростом времени измерения Т (статистическая погрешность составляет величину )• Поэтому для обеспечения погрешности измерения +10% (только за счет величины N ) время накопления импульсов должно быть более I минуты. Такая инерционность прибора совершенно недопустима при измерении с целью изучения селевых потоков. Способ пригоден лишь для опознавания селя.

Ддбинчуком В. Т. также было предложено использовать космическое излучение для получения информации о характеристиках селевых потоков (в том числе и плотности ) / 30 /. При изменении массовой толщины вещества IW^faH меняется степень поглощения космических лучей -L . Эти величины связаны между собой следующим образом: 0 mdhiU-f-J , где jU - массовый коэффициент поглощения космического излучения определяется по известным данным или экспериментально, Н - глубина потока.

Все рассуждения и выкладки цроизведены автором в предположении постоянства коэффициента . Однако это далеко не так -коэффициент поглощения зависит (и может быть нелинейно) от плотности и неоднородности вещества, которые как раз нам неизвестны. Следовательно, необходимо исследовать экспериментально зависимость коэффициента Jtt от величины рс и грансостава твердой фазы селевой смеси, и только после этих исследований можно оценить пригодность способа (во всяком случае для определения плотности селя). Кроме того, контактность способа исключает возможность использования его в естественных условиях, т.к. опыт показал / 44 /, что даже при слабом селепроявлении контактные датчики могут удержать напор селевого потока только считанные секунды. Таким образом, после большого объема работ по изучению коэффициента поглощения космических лучей неоднородными грязекаменными смесями будет выявлена возможность использования этого метода лишь только при моделировании селевых потоков в лотках, что видимо нерационально.

Богдан Казаков / 93 / предложил метод измерения донных наносов наносоводных потоков с помощью магнитных меток. Изучается движение маркированных камней, составляющих влекомые наносы. Величина сигнала, создаваемого магнитом, составляет 200-300 гамм. Меченые камни укладываются по всей ширине реки на длине 5-10 м (150-200 камней размером 3*10""2 - 15•Ю""2 м). Датчик состоит из рабочего и эталонного зондов ядерного магнитометра; таким образом измеряется модуль йН поля, создаваемого магнитными метками. Рабочий зонд переносится на плече оператора или устанавливается в пластмассовой лодке.

Экспериментальные и теоретические исследования автора показали, что магнитное поле, создаваемое маркированными камнями, определяется следующими факторами:

- длиной радиуса-вектора - зонд-магнитная метка ( R );

- длиной магнитной метки {28) и ее массой;

- глубиной залегания меченого камня в речном дне ( h );

- ориентацией магнита, которая характеризуется углом между осью магнита и радиусом-вектором { cL ) и углом, составляющим осью магнита с горизонтом (fl> ) ;

- взаимным влиянием двух или нескольких магнитов.

В работе предлагается модель для случая движения одиночных камней. С целью практического использования построены графики при 13 позициях магнита.

Однако способ имеет ограниченное применение благодаря тому, что измеренные аномалии интерпретируемы лишь при движении одиночных камней, не говоря о трудоемкости разметки большого количества камней.

Поскольку электронные устройства, с помощью которых реализуются аппаратурные методы измерения характеристик селевых потоков, довольно сложны и требуют для своего обслуживания инженерного персонала, то очевидно рационально использовать их в автоматизированной системе сбора информации и оповещения о селевой опасности; При наличии надежных моделей расчета параметров селей эта система могла бы выполнять функцию прогноза поведения потока с заблаговременностью равной времени добегания до защищаемого объекта.

В настоящее время в КазНИИ Госкомгидромета начаты работы по разработке такой системы, которая будет являться одной из видовых подсистем автоматизированной системы Госкомгидромета (ACT). Однако отсутствие первичных преобразователей информации тормозит эту важную работу.

С 1967 г. на некоторых наиболее опасных селевых реках СССР, угрожающих своими селевыми потоками населенным пунктам, промытленным объектам, эксплуатируется радиооповеститель селя ( РОС ) / 26 /. РОС помимо сигнала оповещения дает лишь сигналы о трех предселевых уровнях воды; датчики - контактные, разрушаются селевым потоком.

Специальным конструкторским бюро НПО "Геофизика" по заданию Еазглавселезащиты разработан сейсмический оповеститель селя /42 /, который не разрушается проходящим селевым потоком и дает непрерывно в течение всего селевого процесса информацию о расходе / 45 / и скорости движения потока. Сейсмооповеститель селя ( СОС ) прошел производственные испытания. Дополнив аппаратуру СОС датчиками уровня и плотности, можно получить надежную, компактную систему получения информации о важнейших характеристиках селевых потоков и оповещения о селевой опасности.

Некоторый опыт эксплуатации автоматизированной системы имеется в Японии.

Группой изучения грязекаменных потоков научно-исследовательского института исследования методов предупреждения стихийных бедствий при университете Киото была разработана автоматическая система наблюдения за грязекаменными потоками / 96 /. Система включает (рис.1.1) детектор приближения грязекаменного потока I, цепь автоматического включения 2 видеомагнитофона 5 и кинокамера 7, осветительные лампы 9, измерители уровня воды 8 с самописцами. Касета видеомагнитофона фирмы Сони А (С/3500) рассчитана на 30-ти минутную продолжительность записи, 35 мм кинокамера фирмы Никкон с моторным приводом заряжена с расчетом объема съемки на 250 кадров с интервалом экспозиции в 6 с.

Система была установлена в долине Каш-Ками-Хори на восточном склоне вулкана Якедаке в июле-августе 1970 г. Предполагаемые

Рис.I.I. Структурная схема наблюдения за грязе-каменными потоками (вулкан Якедаке). элементы наблщения и методы их исследования указаны в таблице 2. Первый опыт использования системы был получен 18 и 23 сентября, когда в результате проливных дождей в очаге сформировались селевые потоки. В первом случае автоматика системы не сработала. При прохождении селевого потока 23 сентября обрыв троса датчика стимулировал реле, и система была включена. Однако, из-за тумана и и поднявшихся брызг над потоком вид$ззображение получилось нечетким, с трудом удалось определить скорость потока и распределение сносимых им крупных обломков.

Проведенный обзор наглядно показывает насколько скудна информационная база селевого явления, в каких исключительных условиях приходится ее создавать, насколько актуальна проблема разработки бесконтактных способов измерения характеристик селей и на их основе конструирования первичных преобразователей важнейшей для нужд народного хозяйства информации о селевых потоках.

Таблица 2

Наблвдаемые элементы и методы исследования грязекаменных потоков

Наблвдаемые элементы

Методы исследования

Формирование

Элементы рельефа

Геологические условия Осадки

Уровень воды, объем стока Грунтовые воды

Форма течения (динамика потока)

Скорость течения

Топографическая съемка или аэрофотосъемка

Полевые и камеральные работы

Система дождемеров

Контактные уровнемеры воды или киносъемка

Определение напора грунтовых вод с помощью пьезометров

Движение

Етереофото- и киносъемка

Фотосъемка и использование многоступенчатых датчиков, регистрирующих прохождение потока через определенные точки i

- •

Твердый расход потока Отбор проб из потока, использование ловушек

Отложения

Воздействие потока на Установка тензометров в плотине сооружения

Форма и распределение Топосъемка, сбор образцов сносимого материала

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований впервые в практике отечественной и мировой науки о селях удалось бесконтактным образом измерить плотность селевых потоков, воспроизведенных в естественном селевом очаге бассейна р.Чемолган. Эти данные имеют неоценимое значение для дальнейшего познания физики явления, создания моделей расчета характеристик селей, и на их основе оптимального проектирования селезащитных сооружений.

Магнитные датчики могут с успехом использоваться в системах сбора информации о селях, в системах оповещения о селевой опасности с порогом срабатывания 1-1,5 нТл ив системах оперативного прогноза селей с заблаговременностью равной времени добегания. На соответствующем уровне развития селеведения оперативный прогноз может включать не только качественный прогноз явления, но при наличии соответствующих моделей и прогноз основных характеристик селевого потока, прогноз режима заполнения селехра-нилища, прогноз ударного воздействия на селезащитные сооружения, прогноз дальности селевого выброса.

Разработанный метод определения плотности селей с помощью магнитных измерений защищен авторским свидетельством / 61 /.

Основные положения, развитые автором в этой работе таковы:

1. Разработана методика расчета максимального значения плотности селевых потоков грязекаменного типа на основе данных о влажности суспензии на пределе текучести и грансоставе селе-формирующих грунтов; дан пример расчета максимальной плотности селей Заилийского.Алатау, которая составила 2.54 • 103кг/м3.

2. Определено понятие репрезентативного объема пробы селя; разработана методика расчета репрезентативного объема с учетом гранулометрического состава и дисперсии физических свойств твердой составляющей селевых потоков,

3. Проанализированы гравитационный, радиоволновый способы бесконтактного измерения плотности, выявлена принципиальная возможность измерения плотности этими способами; оценены достоинства и недостатки каждого из них. Выявлено, что наиболее перспективным способом может стать гравиметрический, Еремя, когда он найдет применение в селевой практике, зависит от прогресса в области конструирования высокоточных малоинерционных гравиметров.

В настоящее время даже наилучшие образцы отечественных и зарубежных гравиметров не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ним селевой практикой в отношении чувствительности и инерционности / 25, 83 /.

4. Разработан магнитометрический способ измерения плотности селей, реализация которого возможна в настоящее время с помощью выпускаемых серийно квантовых градиентометров КМ 8.

5. Разработана методика измерения плотности магнитометрическим способом; определены организационные и технические мероприятия по оборудованию селеметрического створа.

6. Оценена методическая погрешность измерения плотности селей.

7. Разработана методика определения средней магнитной восприимчивости селеформирующих грунтов селевых бассейнов; произведена оценка этого параметра для некоторых селевых бассейнов Советского Союза.

8. Приведены результаты испытания способа в Чемолганских экспериметрах по искусственному воспроизведению селевых потоков в 1975, 1976, 1978 гг.

9. Разработана структурная схема автономного селеметричес-кого створа для селестоковых станций, выполняющего функцию измерения характеристик селей и оповещения о селевой опасности.

10. Определены задачи и функциональная структура автоматической селеметрической информационной системы наблюдения за селевыми процессами и оповещения о селевой опасности некоторого горного селеопасного района. Установка таких систем в селевых бассейнах, угрожающих населению и народнохозяйственным объектам своими селевыми потоками, позволит избежать человеческих жертв и большого материального ущерба.

Внедрение разработанного способа в практику научных исследований вооружит селевую науку надежными высокоточными данными о важнейшей характеристике грязекаменных потоков.

1. Авдкншн С.И. и др. Способ регистрации селя. Авторское свидетельство В 2543945. Открытия, изобретения, промышленные об. разцы, товарные знаки, 1980, бшл. № 9.

2. Андрианов Б.А. и др. Квантовый магнитометр для сверхслабых полей. Геофизическая аппаратура, 1975, вып.57, с.3-8.

3. Аренберг А.Г. Распространение дециметровых и сантиметровых волн. М.: Сов.радио, 1957. - 303 с.

4. Арцыбашев З.А. Гамма-метод измерения плотности. М.: Атом-издат, 1965. - 203 с.

5. Башаринов А.Е., Шутко А.Ж. Определение влажности земных покровов методами СВЧ радиометрии (обзор). - Радиотехника и электроника, 1978, 23, № 9, с.1778-1791.

6. Бендат Дж, Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов.-М.: Мир, 1974. 463 с.

7. Берлинер М.А. Измерение влажности. М.: Энергия, 1973. -400 с.

8. Беручашвили Г.М., Кокоришвили В.И. Некоторые результаты исследования селевых потоков. Труды КазНИГМИ, 1969, вып.33, с.42-62.

9. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. M.j Физматгиз, 1963. - 403 с.

10. Ю.Браславский Д.А., Петров В.В. Точность измерительных устройств.-М.: Машиностроение, 1976. 312 с.

11. Вардугин В.Н. Основные физико-механические свойства селефор-мирующих грунтов и селевых отложений в бассейне рЛемолган.-Селевые потоки, 1976, сб.I,с.25-35.

12. Великанов М.А. Динамика русловых потоков. Л.:Гидрометео-издат, 1949. - 473 с.

13. Виноградов Ю.Б. Этвды о селевых потоках. Л.:Гидрометеоиздат, 1980. 144 с.

14. Виноградов Ю.Б. Искусственное воспроизведение селевых потоков на экспериментальном полигоне в бассейне р.Чемолган. -Селевые потоки, 1976, сб.I,с.3-7.

15. Виноградов Ю.Б. Динамический рельеф грязекаменного потока. -Селевые потоки, 1978, сб.З,с.101-109.

16. Виноградов Ю.Б. Основные свойства селевой массы. Селевые потоки, 1978, сб.З,с.3-17.

17. Влажность. Измерение и регулирование в научных исследованиях и технике. Л.: Гидрометеоиздат, 1967-1969, т. 1-4.

18. Гавришина Л.Н., Степанова Т.С. Применение киносъемки для изучения кинематики селевого потока. Селевые потоки, 1978, сб;3,с.96-101.

19. Гагошидзе М.С. Селевые явления и борьба с ними. Тбилиси: Сабчота сакартвело, 1970. - 385 с.

20. Гагошидзе М.С. Аппаратура для автоматической записи горизонтов и скоростей водных и селевых потоков и отбора проб из движущейся селевой массы. Труды ГрузНЙИГиМ, вып.20, с.343-357.

21. Гончаров В.Н. Динамика русловых потоков. Л.:Гидрометео-издат, 1962. - 374 с.

22. Горлин С.М. Экспериментальная аэромеханика. М.: Высшая школа, 1970. - 423 с.

23. Гравиразведка. Справочник геофизика. М.: Недра,1968.

24. Димаксян A.M. Радиооповеститель селя. Л.: Гидрометеоиздат, 1966. - 83 с.

25. Дмитриев А.Б. О попытках измерений некоторых характеристик малых селевых потоков. Труды КазНИГМИ, 1969, вып.33,с.88-92.

26. Долгинов С.Ш., Озерская МЛ. Прибор для определения магнитных свойств горных пород. Труды ИЗМИР AH, 1951, $ 6 (16).

27. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. М. :Связь, 1965.400 с.

28. Дубинчук В.Т. О возможности определения характеристик селевых потоков при помощи космического излучения. Инженерная геология, 1980, \Ь 2, с.85-90.

29. Егиазаров И.В. Общее уравнение предельной транспортирующей способности потока для несвязных наносов. ДАН СССР, 1956, т.107, $ 4,с.525-528.

30. Егиазаров И.В. Наука о движении наносов, сопредельные науки и возможности экспериментирования. В кн.: Исследование и комплексное использование водных ресурсов. - М.:Изд.АН СССР, I960, с.49-86.

31. Есьман И.Г., Гончаров В.Н. Теория образования селевых потоков и меры борьбы с ними. Изв.АН АзССР, Баку, 1948,с.3-34.

32. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. Л.: Наука, 1974. - 108 с.

33. Земс А.Э. Некоторые количественные характеристики Жарсайско-го селя 1963 г. на р.Иссык. Селевые потоки, 1976, сб.1,с.75-85.

34. Зубкович С.Г. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности. ГЛ.: Сов.радио, 1968. -223 с.

35. Иваница А.И., Фастовский У.В. Квантовый дифференциальный магнитометр КМ 8 Геомагнитное приборостроение. - М.: I 1977. - 107 с.

36. Инструкция по магниторазведке. Л.:Недра, 1981. 263 с.

37. Исакович М.А. Рассеяние волн от статистически-шероховатой поверхности. ЖЭТФ, 1952, т.23, вып.3(9), с.305-314.

38. Каладзе Б.Л. Применение ядерных излучений для определения плотности селевой массы. Эрозионные и селевые процессы и борьба с ними, 1978, вып.6, с.66-68.

39. Киренская Т.Л., Степанова Т.С., Балабаев Ф.Г. "Чемолган-78п.-Селевые потоки, 1980, сб.5, с.64-72.

40. Коваленко П.И., Красиков Б.А., Новиков М.Я., Степанов Б.С. Сейсмический оповеститель села. Селевые потоки, 1980, сб.5, с.101Ш0.

41. Колюбакин В.В., Лапина М.И. Обзор способов решения прямой и обратной задач магнитной разведки. М.: Изд.АН СССР, I960. ■ 356 с.

42. Красиков В.А., Степанов Б.С., Степанова Т.С. Приборы для неконтактных измерений некоторых характеристик селевых потоков. Селевые потоки, 1976, сб.1, с,203-213.

43. Крупенио Н.Н. Радиолокационные исследования Луны. М.: Наука, 1971. - 172 с.

44. Логачев А.А., Захаров В.П. Магниторазведка. Л.: Недра, 1973. - 348 с.

45. Магниторазведка. Справочник геофизика. М.: Недра, 1969,т.6.

46. Миков Д.С. Атлас теоретических 1фивых для интерпретации магнитных и гравитационных аномалий. Томск, 1955. - 278 с.

47. Нагата Т. Магнетизм горных пород. М.: Мир, 1965. - 348 с.

48. Налимов В.В. Теория эксперимента. М.: Наука, 1971. - 207 с.

49. Новиков Л.Н. Принципы построения магнитометров с оптической накачкой для измерения сверхслабых полей. Геофизическая аппаратура, 1971, вып.47, с.23-35.

50. Пархоменко Э.И. Электрические свойства горных пород. -М.: Наука, 1965. 164 с.

51. Померанцев Н.М., Рыжков В.М., Скроцкий Г.В. Квантовая магнитометрия. Геофизическая аппаратура, 1967, вып.34, с.8-88.

52. Рабинович В.И., Цапенко М.П. Информационные характеристики средств измерения и контроля. М.: Энергия, 1968. - 95 с.

53. Раушенбах И.О. Некоторые закономерности возникновения и распространения селей на территории Казахстана и Средней Азии.-Селевые потоки, 1976, сб.1, с.217-235.

54. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М.: Недра, 1973. - 285 с.

55. Руководство по изучению селевых потоков. Л.: Гидрометео-издат, 1976. - 144 с.

56. Селевые потоки и меры борьбы с ними. М.: Изд.АН СССР, 1957. - 250 с.

57. Сели в СССР и меры борьбы с ними. М.: Наука, 1964. -282 с.

58. Степанов Б.С., Степанова Т.С. Способ измерения плотности селевых потоков. Авторское свидетельство В 623136. -Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки, 1978, бюлл.В 33.

59. Степанов B.C., Степанова Т.С. О плотности селевых потоков. -Селевые потоки, 1977, сб.2, с.40-48.

60. Степанов Б.С. К определению плотности селевых потоков. -Селевые потоки, 1977, сб.2,с.79-83.

61. Степанов Б.С. О балансе жидкой и твердой фаз селей Заилийско-го Алатау. Селевые потоки, 1976, сб.I,с.153-157.

62. Степанова Т.С. О некоторых методах бесконтактного измерения плотности селевых потоков. Селевые потоки, 1977, сб.2,с.67-79.

63. Степанова Т.С. Об использовании гамма-излучения для неконтактного измерения плотности селевых потоков. Селевые потоки, 1980, сб.4,с.136-140.

64. Степанова Т.С. К вопросу расчета максимальной плотности гря-зекаменных потоков. Селевые потоки, 1980, сб.5, с.17-26.

65. Степанова Т.С. К определению плотности селевых потоков. Тезисы докл.ХУ Всесоюзной научно-технической конференции по противоселевым мероприятиям. М., 1978, вып.2, с.86-89.

66. Степанова Т.С. и др. Результаты эксперимента по воспроизведению селевого потока в бассейне р.Чемолган в 1976 г.- Селевые потоки, 1978, сб.3,с.86-92.

67. Степанова Т.С. О принципе пульсации в селевом процессе.

68. Селевые потоки, 1980, Сб.4, с.24-27.

69. Тафеев Ю.П. О расчетах магнитного поля AT . Геофизическая разведка рудных месторождений. - М.: Госгеолиздат, 1953. -140 с.

70. Тафеев Г.П., Соколов К.П. Геологическая интерпретация магнитных аномалий. Л.: Недра, 1981, - 327 с.

71. Тевзаде В.И. Распространение эрозионно-с елевых явлений в Японии. Гидротехника и мелиорация, 1975, № 12, с.97-101.

72. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых. Справочник геофизика. М.: Недра, 1976,-527 с.

73. Флейшман С.М. Сели. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. - 312 с.

74. Херхеулидзе И.И. Скорости течения и русловые характеристики селевых потоков. Труды ЗакНИГМЙ, 1972, вып.40 (46),с.134-180.

75. Херхеулидзе И.И. К вопросу о предельном насыщении селевых потоков твердыми материалами. В кн.: Движение наносов в открытых руслах. - М.: 1970,с. 135-140.

76. Херхеулидзе И.И. Основные условия формирования селевых потоков и пределы текучести селевой массы. Труды ЗакНИЗЖ, 1972, вып.40(46), с.114-133.

77. Хиппель А.Р. Диэлектрики и их применение. М.-Л.: Госэнерго-издат, 1959. - 336 с.

78. Хонин Р.В., Мочалов В.П., Земс А.Э. Экспериментальный полигон в бассейне р.Чемолган и история его создания. Селевые потоки, 1976, сб.I,с.7-25.

79. Ширенко А.П. Радиоизотопные методы измерения высоты. М.: Атомиздат, 1977. - 109 с.

80. Электрические измерения неэлектрических величин. Под ред. П.В.Новицкого. Л.:Энергия, 1975. - 576 с.

81. Юзефович А.П., Огородова Л.В. Гравиметрия. М.: Недра, 1980.319 с.

82. Яблонский В.В. О гидрологическом анализе селевого процесса.-Труды УкрНЙГМИ, 1980, вып.177,с.92-97.

83. Яновский Б.М. Земной магнетизм. Л.:Изд-во ЛГУ, 1978. -591 с.

84. Bagnold R. Flow of cohesionless grains in fluid. Philos. Trans.Roy.Soc., London, 1965, v.249, pp.235-297.

85. Beckmann P., Spizzichino A. The scattering of electromagnetic waves from rough, surfaces. London New York, Pergamon Press-Mcmillan, 1963.

86. Beckmann P. Journal of Geophysical Research, 1968, v.13, N.2, 649p.

87. Bruckshaw J. McG. Robertson E.I. J.Sci.Instrum., London, 1948, v.25, p.444.

88. Dozic Stevan. Ureday za pracenje promene koncentracija nano-sa. "Glas.Sumar.fak. Univ.Beogradu", 1976, A50, 199-204.

89. Grant E.H. et al. Dielectric behavier of water at microwave frequencies. J.Chem.Phys., 1957, N.I.