Содержание к диссертации
Введение
1. Экзогенные процессы как главный фактор современного преобразования прибрежных геосистем крупных водохранилищ: состояние проблемы и подходы к ее решению ,,.., 8
1.1. Переработка берегов равнинных водохранилищ России в современную стадию развития 8
1.2. Аккумуляция наносов и формирование прибрежных отмелей в результате переформирования берегов 18
1.3. Понятие «прибрежная геосистема» в науках геолого-географического направления 28
2. Природные и антропогенные условия современного развития геосистем побережии ЗЗ
2.1. Геолого-геоморфологические условия 33
2.1 Л. Геологическое строение 33
2.1.2. Геоморфологические условия 43
2.1.3. Экзогенные процессы . 50
2.2. Гидролого-климатические условия 54
2.2.1. Климатические условия 54
2.2.2. Гидрологические условия 59
2.3. Донные отложения , 70
2.4. Растительный и животный мир 76
2.4.1. Прибрежная растительность 76
2.4.2. Водная растительность 78
2.4.3. Животный мир 83
3. Методика исследований 94
3.1. Методы изучения береговых геосистем :..,.94
3.2. Систематика элементарных поверхностей рельефа береговой зоны 102
3.3. Элемситаризация основных черт рельефа прибрежных геосистем Боткинского водохранилища 106
4. Ландшафтная характеристика прибрежной зоны 109
4.1. Общая характеристика ландшафтов 109
4.2. Надводные береговые геосистемы 112
4.3. Аквальные прибрежные геосистемы 125
4.4. Парагенетические ландшафтные комплексы 134
4.4.1. Вопросы теории и методики изучения парагенетических ландшафтных комплексов 134
4.4.2. Парагенетические ландшафтные комплексы ...141
5. Экзогенное рельефопреобразование береговых геосистем Боткинского водохранилища Л48
5.1. Переформирование берегов в 70-80 гг. XX столетия 148
5.2. Современная переработка берегов 150
5.3. Особенности переформирование суглинистых берегов 153
5.4. Особенности переформирования песчаных берегов 159
5.5. Динамические изменения прибрежных отмелей 162
5.6. Общая характеристика масштабов переработки берегов в ландшафтных районах 165
Заключение .171
Литература
- Аккумуляция наносов и формирование прибрежных отмелей в результате переформирования берегов
- Гидролого-климатические условия
- Систематика элементарных поверхностей рельефа береговой зоны
- Вопросы теории и методики изучения парагенетических ландшафтных комплексов
Введение к работе
Актуальность изучения пространственно-временных закономерностей переформирования берегов водохранилищ, находящихся в современной фазе развития, сегодня как никогда велика, поскольку количество центров исследований, по сравнению с начальным периодом изучения берегов водохранилищ России и бывших республик СССР, сократилось.
Не решенным остается целый ряд фундаментальных проблем ландшафтоведения, в частности, морфологии, направленности развития и особенностей функционирования трансформированных ландшафтов, включающих в себя сложные природно-техногенные системы, каковыми являются крупные водохранилища и вмещающие их природные комплексы.
В условиях возросшей интенсивности антропогенного воздействия на береговые комплексы водохранилищ (рекреация, строительство жилья и берегозащитных сооружений и др.), одной из важнейших задач водного хозяйства страны и Пермского региона в частности, становится повышение эффективности использования аквальных и надводных прибрежных геосистем. При этом возникает необходимость учитывать многообразие сложных процессов формирования и трансформации рельефа, наносов, природно-техногенных комплексов в целом. Решающим фактором, влияющим на степень такой трансформации, являются интенсивность и активность экзогенных рельефопреобразующих процессов.
Отсутствие надежных данных по динамике переформирования береговых геосистем в условиях их «зрелости» не позволяет сегодня принимать адекватные решения по предотвращению экономического и социального ущерба, образующегося в результате низкой оправдываемости различных прогнозов, как правило, составленных на материалах первых десятилетий эксплуатации водохранилищ.
Аккумуляция наносов и формирование прибрежных отмелей в результате переформирования берегов
Установлено, что донные осадки (наносы) формируются в результате деятельности самых различных природных и антропогенных процессов, протекающих в границах водосборов водохранилищ. По степени влияния на процесс заиления водоемов, обычно, выделяют два основных источника грунтообразующего донного материала: сток взвешенных наносов с водосбора и продукты переработки берегов экзогенными геологическими процессами. Оценка абсолютных величин этих разновидностей осадков, проведенная на Камском водохранилище, показала, что за 1954-1978 гг. со стоком взвешенных наносов в него поступило 46 млн.т, за счет переработки берегов - 40 млн.т и лишь около 2 тыс.т- со сточными водами (Водохранилище Боткинской ГЭС..., 1968).
По имеющимся данным, количество взвеси, образовавшейся в результате продуцирования фитопланктона и высшей водной растительности крайне незначительно, поскольку площадь зарастания в водоеме на начало 70-х гг. составляла всего около 2 % (Сорокина, 1975). Установлено, что среднегодовые величины объемов отложений по трем выше перечисленным источникам поступления материала составляют соответственно 1,92, 1,66 млн.т и около 83 т (около 54 % и 46 % по первому и второму источнику соответственно). Для Боткинского водохранилища, расположенного ниже по течению, это соотношение в результате перехвата большей части взвешенных и влекомых наносов Камским водохранилищем изменяется уже в пользу материала, образовавшегося в результате разрушения берегов - в среднем 20 % и 80 % (Водохранилище Боткинской ГЭС..,, 1968).
Процесс обрушения береговых склонов крупных равнинных водохранилищ, как уже это было отмечено выше, оказался более длительным, чем это предусматривалось в прогнозах, которые потребовали уточнения посредством фактических наблюдений и дополнительных прогнозов. Многолетние наблюдения за изменениями процессов переработки выявили ряд непериодических изменений в ходе выработки профиля относительной устойчивости берегов водохранилищ.
Возникновение резких изменений в ходе формирования берегов, которое не учитывалось в прогнозах, связано с различной водностью года и гидрометеорологическими условиями. При малой водности года отмечаются интенсивный размыв уже сформировавшихся прибрежных отмелей и некоторое затухание процессов переработки берегов. При повышенной водности происходит вспышка берегообрушений, в целом процесс носит циклический характер.
Наиболее информативными в части иллюстрации особенностей заполнения водохранилищ наносами и формирования отмелей являются материалы наблюдений за развитием процессов в некоторых сибирских водоемах, поскольку их изучение продолжается там до настоящего времени.
По предварительным прогнозам, в Новосибирском водохранилище должно было аккумулироваться 80 % поступающих наносов, фактически водохранилище задерживает около 95 % общего их объема (Савкин, 2000). Средний годовой объем грунта, поступившего от разрушения берегов, составляет 39 млн.м3, а всего за период существования водохранилища - около 0,78 км3. Это привело к уменьшению общего объема водохранилища с 8,8 до 8,02 км3 за счет заиления в основном полезного объема. Прибрежные отмели, сформировавшиеся на участках интенсивной абразии берегов нижней части Новосибирского водохранилища, к концу третьего года заполнения достигли ширины 70 м, угол наклона их абразионной части не превышал 2,5-3,5, глубина на уступе составляла 2,3 м. Параметры сформировавшихся после 10 лет нормальной эксплуатации водохранилища прибрежных отмелей при различном их литологическом составе определялись особенностями гидрометеорологического режима конкретного участка водохранилища и величиной зоны разрушения надводных уступов. Наиболее узкие — до 40 м и крутые - до 5-6 отмели в нижней части водохранилища образовались на участках замедленной абразии берегов. Максимальной ширины они достигли у интенсивно обрушающихся берегов правобережья. Прибрежные отмели, сформировавшиеся в суглинках Приобского плато, имели ширину до 180 м с углом наклона 2-2,5, глубину на уступе 4 м. Если в начальный период при формировании отмелей преобладал процесс абразии, то с течением времени постепенно возрастала аккумулятивная призма. К концу 10-летнего срока нормальной эксплуатации водохранилища коэффициенты аккумуляции размытого материала берегов на отмелях составляли 20-30 %.
Формирование отмелей в отложениях Ш надпойменной террасы левобережья нижней части водохранилища существенно отличалось от правобережья. В период заполнения и первых лет нормальной эксплуатации подводные отмели, представляющие затопленный пологий террасовый склон, были устойчивы. Позднее все отчетливей стал проявляться размыв подводной части от глубины 2 м при НПУ — до уреза. Высота размытого слоя песчано-суглинистых отложений подводного склона достигла 0,5-0,6 м, формирующиеся отмели — абразионного типа.
Типичную динамику развития прибрежных отмелей на участках интенсивной абразии правобережья нижней части достаточно полно характеризует процесс формирования отмели у сложенного суглинками берега в 25 км от плотины. Прибрежные отмели здесь начали формироваться с первого года заполнения водохранилища, аналогично другим участкам правобережья. Абразионные процессы длительное время были ведущими, и отмель расширялась за счет отступления берега. Высота размытого слоя абразионной части отмели в отдельные годы достигала 0,5-0,7 м. При продолжительном стоянии уровня на отметках НПУ и активной ветро-волновой деятельности процесс абразии склона увеличивался и наблюдался рост прибрежной отмели. В отдельные годы ширина отмели увеличивалась на 27 м, из них 17 м — за счет отступления берега, а Юм — в результате аккумулятивных процессов на внешнем краю отмели. При осенних штормах со скоростями ветра 12,0-18,0 м/с, высоте волны до 2,1 ми уровнях воды на 1,02-1,66 м ниже НПУ отмель подверглась интенсивному размыву.
Гидролого-климатические условия
Климат в районе Боткинского водохранилища умеренно-континентальный с продолжительной холодной и многоснежной зимой и умеренно-теплым сравнительно коротким летом. Его формирование происходит в основном под влиянием западно-восточного переноса воздушных масс в тропосфере. Воздушные массы, перемещающиеся с Атлантического океана, теплые и влажные, смягчают местный климат. Однако это направление постоянно нарушается вторжениями воздушных масс с севера и юга, осуществляемыми через антициклоническую и циклоническую деятельность.
Средние месячные температуры воздуха имеют выраженный годовой ход с максимумом в июле и минимумом в январе. В южной части водоема (Ножовка) средняя годовая температура составляет +2,1С, средняя месячная максимальная +18,4С, минимальная -14,6С. Южнее 55-56 с.ш. среднее число дней с развитием антициклонической циркуляции превышает продолжительность периода с циклонической циркуляцией — 190-200 и 160-170 дней соответственно. Летом здесь наблюдается почти двукратное превышение продолжительности периода с антициклонической циркуляцией над циклонической.
Сезонное промерзание почвы - явление, распространенное на всей территории прилегающей к водохранилищу. Наиболее общей характеристикой режима сезонного промерзания почвы является средняя месячная глубина промерзания, которая нарастает от ноября к марту. Увеличение глубины промерзания происходит с юга на север. Весьма важной характеристикой режима сезонного промерзания почв является время наступления дат их полного оттаивания. Средняя продолжительность этого периода составляет две недели. Чаще всего процесс оттаивания начинается в начале третьей декады апреля и заканчивается в первых числах мая.
Рассматриваемая территория относиться к районам с мощным снежным покровом. Продолжительность залегания устойчивого снежного покрова увеличивается в северном направлении.
Наибольшей высоты снежный покров достигает в марте. Наибольшая за зиму высота снежного покрова в отдельные годы может существенно разниться. Так, в районе Ножовки минимальные значения составляют 36 см, а максимальные см при среднем значении 65 см. Образование устойчивого снежного покрова в среднем наступает в первой декаде ноября, а сход наблюдается в последней декаде апреля.
Район Боткинского водохранилища открыт для свободного проникновения воздушных масс с севера, юга и запада. Характерной чертой является континентальность климата, о чем свидетельствуют значительные годовые и суточные колебания почти всех метеорологических элементов (Водохранилище Боткинской ГЭС..., 1968). Особенно резкие изменения претерпевает температура воздуха, амплитуда колебаний которой дает представление о континентальное (табл. 2.1).
Показатель континентальное увеличивается в направлении с севера на юг. Изменения значений метеоэлементов на территории водосброса определяются спецификой его орографии. Суммы атмосферных осадков увеличиваются с юго-запада на северо-восток (с 480 мм до 560 мм), из них около 70% приходится на апрель-октябрь и примерно 30% на ноябрь-март. В этом же направлении понижаются средние годовые (с 1,8С до 1,4С) и месячные температуры воздуха, уменьшается продолжительность безморозного периода (со 117 до 113 дней), возрастает продолжительность зимы. Однако, значительной разницы в температурах воздуха, осадках и других климатических элементах в северной и южной частях водохранилища и его водосбора не отмечается (Сорокина, Матарзин, 1968).
Часть атмосферных осадков, выпавших на поверхность, расходуется на испарение, величина которого в пределах района Боткинского водохранилища составляет 300-350 мм (Шкляев, Балков, 1963.).
Несмотря на континентальность климата, почти во все месяцы тёплой части года температура воздуха может понижаться до отрицательных значений, а в холодное полугодие повышаться выше 0С. Продолжительность периода со средней месячной температурой больше 10С составляет 119-125 дней, а период с температурой ниже 0С — 167—170 дней.
Систематика элементарных поверхностей рельефа береговой зоны
При изучении оползневых берегов использовались тригонометрическое и геометрическое нивелирования с применением ГИС-технологий (Пьянков, Калинин и др., 2001). После изучения морфометрии и морфологии отдельных тел (ступеней) крупных оползневых массивов по намеченным створам были установлены металлические репера, с условием, обязательного присутствия хотя бы одного репера на каждом отдельном оползневом блоке. Самый верхний репер устанавливался на участке склона не подверженном воздействию оползня. От данного неподвижного репера проводились дальнейшие измерения точными геодезическими приборами (теодолит 4Т15П, нивелир ЗНЗКЛ).
При исследовании отмелей, от подошвы берегового уступа, по линии, закрепленной реперами (по створу), производилось геометрическое нивелирование морфологических элементов береговой отмели до глубины 0,5 м ниже НПУ. Дальнейшее измерение прибрежной отмели, для построения профиля, шло с весельной лодки при помощи нивелирной рейки (РНЗ) до глубины 3 м ниже НПУ. Одновременно с этим по всей линии профиля брались пробы грунта на гранулометрический анализ. Места отбора проб выбирались по видимому изменению морфологии профиля и литологии грунта.
Камеральный этап. Дистанционные методы исследования охватывали оба берега водохранилища в пределах средней и нижней гидрологической зоны — от п. Усть-Нытва до г. Чайковский. Среднее отступание бровки берега вычислялось в границах контрольных участков, которые располагались строго в пределах берегов, принадлежащих одному инженерно-геоморфологическому типу. Общее количество контрольных участков, имевших протяженность от 0,4 до 6,2 км, составило 44. С помощью фотограмметрических методов на стереометре Дробышева удалось получить основные морфометрические и пространственно-временные показатели местоположения элементов рельефа.
Для ряда пунктов (на которые имелись кондиционные аэрофотоматериалы) была проведена компьютерная обработка снимков (пакет CorelDraw 10). Работа с программой заключалась в создании изображения береговой линии, подгонке снимков по масштабам и четким ориентирам. Затем производилась оцифровка линии берега. Совмещение разновременных береговых линий на снимке более позднего залета давало количественную информацию о величине отступания берега за определенный период (максимальную и средневзвешенную).
Данные топографических съемок на стационарах были обработаны и представлены в программных продуктах — геоинформационных системах (Maplnfo). При помощи геоинформационных систем построены планы ключевых участков берегов, проведен площадной анализ, рассчитаны объемы грунта, построены профиля.
Методологической основой исследования при создании системы парагенетических береговых ландшафтных геокомплексов послужил системный анализ в изучении морфологического строения ландшафта, суть которого заключается в выделении геосистем на принципах структурной и функциональной целостности.
Исследование базируется на разработках ведущих отечественных научных школ и их представителей в области ландшафтоведения, гидрологии и геологии водохранилищ. Результаты исследований К.М.Петрова, Д.ГЛанова, Е.Ф.Гурьяновой, З.ИХурьевой, В.В.Шаркова, В.А.Мануйлова, Ф.Н.Милькова, В.М.Широкова, Л.В.Злотиной, Ю.М.Матарзина, И.К.Мацкевича, И.А.Печеркшта, Н.Б.Сорокипой, Н.Н.Назарова и некоторых других ученых послужили отправной точкой при разработке собственной концепции автора. При выделении и классификации береговых геосистем использовались теоретические и методологические положения, разработанные А.ПИсаченко, АЮ.Ретеюмом, и др. Учитывались законы общей экологии (Коммонера) (все связано со всем; все должно куда-то деваться).
Некоторые геоморфологи (Флоренсов, 1978, Флоренсов, Коржуев, 1986 и др.) ссылаясь на «стертость» многих геоморфологических границ, ставили под сомнение возможность однозначного членения земной поверхности (ЗП) на разные по морфологии, генезису и возрасту ее составные части, создания строгой систематики и методики их точной фиксации на геоморфологической карте. Из этого следовало, что последняя не может рассматриваться в качестве строгой основы для почвенного, геоботанического, ландшафтного и другого специального физико-географического картографирования и районирования. Между тем исследователи, занимающиеся контролируемыми рельефом компонентами ландшафта, довольно единодушно считают, что все (или большинство) границы картируемых и классифицируемых ими элементарных и сложных геосистем являются, прежде всего, границами геоморфологическими, а разделяемые ими местоположения приурочены к определенным составным частям ЗП: элементам, формам и их совокупностям (Солнцев, Исаченко, Полынов, Глазовская и др.). Рельф ЗП в данном случае выступает в качестве «фундамента» природного комплекса и определяет его положение, границы, условия и особенности формирования и развития. Кроме того, он в значительной мере контролирует структуру географического пространства и функционирование природных компонентов.
Вопросы теории и методики изучения парагенетических ландшафтных комплексов
Теория парагенетических ландшафтных комплексов (ПГЛК) возникла в ландшафтоведении благодаря работам Ф.Н.Милькова (1966; 1970). В отличие от изучения ландшафтных комплексов как относительно обособленных территориальных единств, разработка этой теории связана с системным изучением территориально-смежных ландшафтных комплексов, особенности структуры и функционирования которых в значительной степени определяются их совместным существованием.
В настоящее время имеется целый ряд определений ПГЛК, базирующихся на их тех или иных важнейших свойствах. v& Ф.Н.Мильков считал, что при изучении ПГЛК необходимо, прежде всего, учитывать генетические свойства и, в соответствии с этим, рассматривал ПГЛК как "системы пространственно-смежных, генетически сопряженных региональных или типологических комплексов" (Мильков, 1970, с.116). Этой же точки зрения придерживается Г.И.Швебс с соавторами (1982), подчеркивая Л при этом их соподчиненное положение. В понимании этих авторов ПГЛК представляет собой "сочетание однотипных по строению пространственно-смежных комплексов, связанных общностью происхождения и имеющих подчиненное положение по отношению к другим геокомплексам" (Швебс и др., 1982, с.25). Ряд авторов в определении ПГЛК отражают их функциональные особенности, выражающиеся в наличии вещественно-энергетических потоков как главного системообразующего процесса, обеспечивающего существование парагенетических систем. К этой группе можно отнести определения: ПГЛК г А.Ю.Ретеюма (1972) и Д.Л.Арманда (1975), "функционально-целостной системы" Н.А.Гвоздецкого (1976), "географического экотона" Э.Г.Коломыц (1987) и др. К примеру, Э.Г.Коломыц под географическим экотоном понимает "геосистемы, образованные направленными латеральными геопотоками и обладающие вследствие этого взаимной функциональной соподчиненностью и векторной плановой структурой" (Коломыц, 1987). Аналогичной точки зрения придерживался и Ф.Н.Мильков, но называл эти комплексы парадинамическими (ПДЛК). Он определял их как "систему пространственно-смежных Щ региональных или типологических единиц, характеризующуюся наличием между ними взаимообмена веществом и энергией" (Мильков, 1981, с.44). Важным условием вещественно-энергетического обмена выступает контрастность смежных комплексов. Такой подход позволяет, наряду с генетически сопряженными смежными комплексами (ПГЛК), изучать и генетически разнородные смежные комплексы, связанные потоками вещества и энергии.
Имеются определения, представляющие собой единство генетического и функционального подходов в изучении ПГЛК. В частности, В.В.Козин под ПГЛК понимает "динамическую систему сопряженных ландшафтных комплексов, общность которых обусловлена как генетическим единством, так и генетическим сопряжением, функционирование определяется особенностями интеграции или дезинтеграции системоформирующих потоков вещества или энергии в градиентной зоне" (Козин, 1979, с. 20-21). Несмотря на различия в приведенных определениях ПГЛК, в каждом из них идет речь о качественно иной ландшафтной организации, основой которой являются системообразующие связи между ПТК. Системообразующие факторы, как и сама ландшафтная структура ПГЛК, могут быть различны и определяются, главным образом, типом и таксономическим рангом ПГЛК, Так, при изучении бассейновых систем выделяются четыре типа системообразующих связей и соответствующих им ландшафтных структур: генетико-морфологическая (представлена традиционным таксономическим рядом ПТК); позиционно-динамическая (полосно-ярусный ряд ГГДЛК); бассейновая (образована ПТК, сформировавшимися в результате гидрофункционирования) (Лиманно-устьевые,,,, 1988).
Важными методическими задачами при изучении ПГЛК являются выбор индикационных признаков их выделения и критериев определения границ между ними. Рассмотрим основные приемы таких исследований для различных типов ПГЛК.
Наиболее изучены в настоящее время ПГЛК речных бассейнов. Здесь в качестве главного системообразующего процесса выступает деятельность речного потока. В уже упоминавшейся работе (Лиманно-устьевые..., 1988) с учетом этого ведущего фактора составлены схемы строения долинно-речного и лиманно-устьевого ПГЛК, парагенетическая ландшафтная структура которых представлена в виде закономерно сочетающихся парагенетических единиц более низкого таксономического ранга (ПГ звеньев, ПГ секторов, ПГ поясов). Хотя иерархический уровень парагенетических единиц различен, все они слагаются из различных сочетаний морфологических единиц ландшафта. Поэтому, очевидно, задачу установления границ между ПГЛК можно свести к установлению границ между последними.
