Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор литературных источников 12
Глава 2. Исходные материалы и методы исследований 23
2.1. Краткая характеристика исследуемых водохранилищ 23
2.1.1. Краткая характеристика Новосибирского водохранилища 26
2.1.2. Краткая характеристика Красноярского водохранилища 28
2.2. Исходные материалы и методы исследований 32
ГЛАВА 3. Оценка особенностей осадконакопления в котловинах исследуемых водохранилищ за период эксплуатации гидроузлов 40
3.1. Оценка особенностей осадконакопления в котловине Новосибирского водохранилища 41
3.1.1. Оценка изменения состояния рельефа дна 41
3.1.2. Оценка изменений морфометрических характеристик 50
3.2. Оценка особенностей осадконакопления в котловине Красноярского водохранилища 56
3.2.1. Оценка изменения состояния рельефа дна 56
3.2.2. Оценка изменений морфометрических характеристик 64
3.3. Оценка изменения состояния берегов исследуемых водохранилищ 70
3.3.1. Основные типы берегов Новосибирского и Красноярского водохранилищ 72
3.4. Выводы по главе 3 93
ГЛАВА 4. Прогноз переработки берегов водохранилищ 97
4.1. Обзор методов прогнозирования переработки берегов 97
4.2. Прогноз переработки берегов Красноярского водохранилища на отдельных участках на 10, 20 и 30 лет вперед 101
4.3. Прогноз переработки берегов Новосибирского водохранилища на отдельных участках на 10, 20 и 30 лет вперед 125
4.4. Выводы по результатам прогнозирования 149
Заключение 152
Список литературы 157
- Краткая характеристика Новосибирского водохранилища
- Исходные материалы и методы исследований
- Оценка особенностей осадконакопления в котловине Красноярского водохранилища
- Прогноз переработки берегов Новосибирского водохранилища на отдельных участках на 10, 20 и 30 лет вперед
Введение к работе
Актуальность темы исследования. На всех этапах развития водохозяйственного комплекса России важную роль в управлении водными ресурсами играют водохранилища. Водные ресурсы водохранилищ используются в гидроэнергетике, водоснабжении, орошении и обводнении земель сельскохозяйственного назначения, для предотвращения наводнений, развития рекреации, представляют огромный интерес для развития водного транспорта и организации рыбного хозяйства, а также для решения многих других важных народнохозяйственных задач. На первый план в изучении водохранилищ выходит решение таких приоритетных вопросов, как увеличение (сохранение) энергетического потенциала водоемов, снижение экзодинамического риска, экологическая безопасность, рентабельность эксплуатации водных путей, питьевое водоснабжение, совершенствование теории и методики познания закономерностей развития рельефа котловин водохранилищ для рационального природопользования, устойчивого развития, их охраны и прогноза.
Для практического использования водохранилищ и осуществления их эффективной эксплуатации в интересах всех водопользователей необходимо знать их современные морфометрические характеристики: емкость, плановые очертания, форму котловин, площадь зеркала, амплитуду колебания уровней воды в условиях его эксплуатации и другие параметры. Форма котловин оказывает существенное влияние на характер и направление течений в водохранилище, которые в свою очередь определяют перераспределение отложений в водоеме, т.е. осадконакопление. Осадконакопление – процесс аккумуляции крупных частиц и тонкодисперсных минерально-органических взвесей в котловинах водохранилищ. Осадконакопление включает два главных процесса: занесение и заиление. Эти процессы могут привести к утрате полезной емкости водохранилища [Закономерности…, 2012].
Исследование процессов осадконакопления в водохранилищах имеет большое научное и практическое значение при решении общегеографических, геоморфологических, экологических и социально-экономических проблем, а также при проектировании, эксплуатации, реконструкции и восстановлении водохранилищ в целом и их прибрежных территорий в частности. После заполнения, в процессе эксплуатации, под воздействием естественных и антропогенных факторов происходит изменение рельефа котловин водохранилищ – меняются площади водной поверхности и объемы воды, длина и положение береговой линии, значения ширины, длины, глубины и пр. Таким образом, оценив качественно и количественно эти изменения, можно будет говорить о закономерностях осадконакопления, и прогнозировать дальнейшее развитие геоморфологических и гидрологических процессов, происходящих в береговой зоне и на дне водохранилищ.
Степень разработанности темы. Изучение закономерностей и пространственно-временного распределения осадконакопления в водохранилищах является важной составляющей в познании функционально-продукционных и деструкционных процессов в зарегулированной реке. За время исследований, проводимых на водохранилищах, наиболее детально были изучены процессы переформирования береговой зоны водохранилищ, подробно рассмотрено влияние водохранилищ на экологию, изменение климата и подпор подземных вод прилегающих территорий, дана достаточно полная оценка изменения
качества воды в искусственных водоемах, описаны состав и мощность донных отложений для некоторых водохранилищ, дано описание изменения режимов стока рек в нижних и верхних бьефах водохранилищ. Однако влияние осадконакопления на изменение рельефа котловин и морфометрических параметров искусственных водоемов за время их эксплуатации и оценка этих изменений, как правило, не производилась. Также не делался сравнительный анализ процессов осадконакопления в водохранилищах разных типов. Непосредственно Новосибирское и Красноярское водохранилища были достаточно подробно описаны на стадии проектирования и в первые годы их эксплуатации [Формирование берегов…, 1969; Кусковский, 1974; Отчет…, 1973, 1976, 1978, 1979 и др.]. С середины 1980-х годов работы по исследованию сибирских водохранилищ практически не велись. В последние десятилетия в области изучения водохранилищ достигнуты определенные успехи, но многие проблемы остаются нерешенными из-за отсутствия или недостатка данных натурных наблюдений [Хабидов и др., 1999, 2001]. В такой ситуации возникает потребность в организации специальной информационной системы наблюдения и анализа состояния природной среды – комплексного мониторинга водохранилищ.
Материалы, представленные в данной работе, были получены в ходе выполнения работ над государственными контрактами № 20/08 от 08 июля 2008 г. по теме «Уточнение морфометрических характеристик Новосибирского водохранилища», № 13/09 от 19 сентября 2009 г. по теме «Создание автоматизированной информационной системы мониторинга берегов и дна Новосибирского водохранилища» и № НИР-12-04 от 21 сентября 2012 г. по теме «Исследование морфометрических характеристик Красноярского водохранилища и разработка научно-обоснованных рекомендаций по предупреждению вредного воздействия вод на его берега». В 2008-2013 гг. для Новосибирского и Красноярского водохранилищ при участии автора была разбита сеть мониторинговых площадок для наблюдения за изменением рельефа их берегов и дна.
Объект исследования – водохранилища равнинного и предгорного типа. Предмет исследования – влияние осадконакопления на изменение рельефа котловин Новосибирского и Красноярского водохранилищ.
Целью диссертационной работы является исследование процессов осадконакопления в котловинах водохранилищ равнинного и предгорного типа и оценка изменения рельефа дна и берегов водохранилищ под влиянием природно-климатических факторов за многолетний период их эксплуатации. Для достижения поставленной цели в ходе научного исследования поставлены и решены следующие задачи:
-
Изучить особенности осадконакопления в котловинах исследуемых водохранилищ в современную стадию развития водоемов;
-
Создать разновременные цифровые модели рельефа дна и прибрежной полосы исследуемых водохранилищ, на основе которых дать оценку интенсивности процессов осадконакопления и рассчитать современные морфометрические показатели водоемов;
-
Выявить факторы и тенденции изменения основных морфометрических параметров водохранилищ, в том числе конфигурации береговой линии, объемов и площадей зеркала исследуемых водоемов за период их эксплуатации;
-
Уточнить характеристики динамики рельефа котловин водохранилищ по результатам экспедиционных исследований, а также на основе картографического материала, данных дистанционного зондирования, методов математического моделирования и ГИС;
-
Произвести оценку масштабов переработки берегов водохранилищ равнинного и предгорного типа за период их эксплуатации;
-
Произвести прогноз развития берегового профиля для наиболее интенсивно разрушающихся участков берега исследуемых водохранилищ.
Научная новизна выполненной работы определяется следующими положениями:
Получены новые данные по динамике природно-техногенных объектов, таких как Новосибирское и Красноярское водохранилища, и создана геоинформационная основа для построения и последующего пополнения базы данных о состоянии береговой зоны и дна водохранилищ.
Впервые для Новосибирского и Красноярского водохранилищ на основе современных компьютерных технологий построены цифровые модели рельефа их котловин, которые позволили определить динамику рельефа и взаимодействующих процессов в пространстве и во времени.
Исследования выполнены на единой методической и технологической основе. Для обеспечения единого подхода разработана методика, включающая проведение комплекса промерных работ, анализ геопространственной информации (картографических материалов и данных дистанционного зондирования Земли) и создание цифровой модели рельефа (ЦМР) дна и прилегающих территорий водохранилищ.
В результате проведенных работ были получены современные морфометрические параметры исследуемых водохранилищ. Дана качественная и количественная оценка изменения основных морфометрических параметров, которые произошли за многолетний период эксплуатации этих водохранилищ.
Проведена оценка мощности накопленных донных отложений и их пространственного распределения в исследуемых водохранилищах методами геоинформационных технологий.
Впервые рассчитан ряд гидрографических и морфометрических характеристик Новосибирского и Красноярского водохранилищ на современном этапе их существования.
Научная и практическая значимость работы. Результаты выполненного исследования предназначены для практического использования широким кругом специалистов, занимающихся проблемами освоения и эксплуатации Сибирских водохранилищ в целом и их прибрежных территорий в частности. Данные исследования могут быть использованы для оценки современного состояния территорий, находящихся в зоне влияния Новосибирского и Красноярского водохранилищ; с учетом хода развития и взаимодействия процессов произвести прогнозные расчеты в изменении их береговой зоны; внести некоторые рекомендации в режим эксплуатации этих водохранилищ. Это в свою очередь дает возможность обосновывать допустимые величины техногенных воздействий на водохранилища и их берега и разрабатывать методы защиты и охраны природы в целом. Результаты работы уже используются в работе Енисейского и Обского бассейновых водных управлений. Современные морфометрические параметры могут учитываться при
составлении новых «Правил использования водных ресурсов водохранилищ», при расчете пропусков паводков и пр. Построенные цифровые модели рельефа котловин водохранилищ вошли в основу «Автоматизированной информационной системы мониторинга берегов и дна водохранилищ», а также могут быть использованы для судоходства. На основе результатов прогноза и проведенного нами мониторинга берегов был выполнен комплекс берегозащитных мероприятий на Новосибирском водохранилище.
Материалы работы используются в учебном процессе Российского государственного гидрометеорологического университета по направлениям обучения 05.03.04 – Гидрометеорология, 05.03.05 – Прикладная гидрометеорология, 05.03.06 – Экология и природопользование в курсах «Гидрология суши», «География», «Геоморфология», «Методы и средства гидрометеорологических измерений»; для разработки специального учебного курса Санкт-Петербуржского государственного университета (Институт наук о Земле, Основная образовательная программа высшего профессионального образования «Экология и природопользование», по уровню «Бакалавриат», направлению 022000 «Экология и природопользование», профиль «Экология и недропользование» – очная форма обучения): доц. Д.В. Рябчук «Основы экологической литологии и экоседиментологии», а также в учебном процессе для разработки основных и специальных учебных курсов Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (географический факультет, специальность 020401 «География» – очная форма обучения и 050103 «География» – заочная форма обучения): «Гидрология», «Физическая география России и сопредельных территорий», «Использование ЭВМ в геоморфологии и морфометрический анализ рельефа», «Морфология и картографирование ландшафтов». Результаты диссертационной работы используются при общей оценке и прогнозировании изменений состояния Новосибирского водохранилища, его дна, берегов, морфометрических особенностей, а также при формировании банка данных мониторинга по бассейновым округам ФГУ «ВерхнеОбьрегионводхоз».
Теоретическую и методическую основу исследования составляют научные разработки в области изучения проблем в зоне влияния водохранилищ, гидрологических расчетов параметров водохранилищ и прогнозов переработки берегов: работы А.Б. Авакяна, С.Л. Вендрова, К.Н. Дьяконова, Ю.М. Матарзина, Б.Б. Богословского, И.К. Мацкевича, И.А. Печеркина, Г.И. Овчинникова, К.К. Эдельштейна, Н.Н. Назарова, М.А. Великанова, Р.Д. Косьяна, Д.П. Финарова, Е.Г. Качугина, Г.С. Золотарева, Л.Б. Иконникова, А.М. Догановского, В.В. Законнова и других исследователей. А также работы, посвященные непосредственно исследованию Новосибирского и Красноярского водохранилищ, изложенные в трудах В.М. Широкова, С.Г. Бейрома, А.Ш. Хабидова, В.М. Савкина, В.С. Кусковского, Ю.И. Подлипского, И.В. Космакова, Л.Н. Каскевича и других исследователей.
Исходные материалы и методы исследования. Сбор и систематизация данных
осуществлялись путем анализа литературных, фондовых и картографических материалов, а
также данных дистанционного зондирования Земли и выполнением большого объема
личных полевых исследований, математических расчетов, моделирования и
картографирования котловин исследуемых водохранилищ. В ходе научного исследования
использовались различные методы: традиционные геоморфологические и географические методы, сравнительно-морфологический, морфографический, морфометрический, моделирование, математическая статистика, ГИС, системный анализ, метод ключевых участков, топогеодезический метод, а также картографический, аналитический, описательный, дешифрирование космических снимков территорий и ряд других методов. Основой для решения задач, связанных с процессом сработки водоема и определением мощности отложений, послужило создание оптимальной цифровой модели рельефа дна водоемов, построенной математико-картографическими методами на основе информации о состоянии территории до и после образования водоемов. Эффективность определения современных морфометрических параметров водоемов была повышена благодаря использованию геоинформационных технологий и методов геоинформационного анализа. В основу диссертации положен фактический материал, полученный автором при проведении экспедиционных исследований в течение 2008-2013 годов на Новосибирском и Красноярском водохранилищах.
Положения, выносимые на защиту:
-
Созданные разновременные цифровые модели рельефа котловин исследуемых водохранилищ позволили оценить масштаб и характер изменений морфометрических параметров исследуемых водохранилищ, а также объемы и пространственное распределение осадконакопления в водохранилищах за время их эксплуатации.
-
В осадконакоплении исследуемых водохранилищ в современную стадию их существования доля твердого речного стока и доля продуктов от разрушения берегов примерно равны и составляют «50 %.
-
Изменение рельефа котловин водохранилищ предгорного (Красноярское) и равнинного (Новосибирское) типа за многолетний период их эксплуатации имеет общие закономерности: в зоне выклинивания подпора и речных заливах происходит образование новых островов и выдвижение береговой линии; в наиболее широких частях водохранилищ происходит наибольший размыв прибрежных территорий, увеличиваются площади и ширина прибрежных отмелей.
-
Прогноз развития берегового профиля для наиболее интенсивно разрушающихся участков берега и оценка изменения состояния берегов за многолетний период эксплуатации исследуемых водохранилищ позволили подтвердить, что в разрушении берегов водохранилищ, помимо волновой деятельности, большую роль играют экзогенные геологические процессы и колебание уровня водоема.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы обсуждались на различных международных, всероссийских и региональных конференциях, конгрессах и школах: Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Водохозяйственные проблемы и рациональное природопользование» (г. Оренбург, 2008); Международная выставка и научный конгресс «ГЕО-СИБИРЬ» (г. Новосибирск, 2008, 2009); летняя школа «Вопросы комплексного берегопользования» (г. С.-Петербург, 2008); Международная научно-практическая конференция «Обеспечение устойчивого сбалансированного развития прибрежных зон водохранилищ» (г. Пермь, 2008); Всероссийская конференция («VI Щукинские чтения»)
«Геоморфологические процессы и их прикладные аспекты» (г. Москва, 2010); XXIV Международная береговая конференция «Морские берега» (г. Туапсе, 2012), Молодежная конференция с международным участием «Географические исследования молодых ученых в регионах Азии» (г. Барнаул, 2012), 8th IAG International Conference (IAG) on Geomorphology (Франция, г. Париж, 2013) и др.
Результаты исследований опубликованы автором в 41 научной работе. В их числе: восемь статей в рецензируемых изданиях по списку ВАК РФ; соавторство в трех монографиях; 30 работ опубликовано в материалах различных конференций.
Личный вклад. Совместно с научными руководителями сформулированы цель и
задачи диссертации, автором самостоятельно составлен план и программа исследования,
выбраны и обоснованы методы исследования. В основу работы положены результаты
экспедиционных исследований на Новосибирском и Красноярском водохранилищах в 2008-
2013 гг., проведенных сотрудниками Института водных и экологических проблем СО РАН
под руководством и при личном участии автора. Обработка экспериментальных данных,
интерпретация полученных результатов была выполнена непосредственно автором либо в
соавторстве с сотрудниками ИВЭП СО РАН. Автору принадлежит ведущая роль в
интерпретации и анализе результатов полевых работ, выборе и аналитической обработке
привлекаемого материала (архивных и литературных данных, данных дистанционного
зондирования, картографического материала). Диссертант лично выполнил
математическую и картографическую обработку пространственных и тематических данных,
произвел анализ и обобщение полученных результатов. Все представленные в работе карты,
схемы, фотографии, графики и табличный материал подготовлены лично автором.
Проанализированы и обобщены многочисленные литературные источники,
опубликованные по теме исследования. Подготовка к печати научных работ, отражающих результаты исследований, осуществлялась как самостоятельно, так и при участии соавторов.
Благодарности. Автор считает своим долгом выразить искрению благодарность своим научным руководителям д.г.н., проф. Р.Д. Косьяну и д.г.н., проф. А.Ш. Хабидову, чьи научная и организационная поддержка способствовали созданию данной работы. Автор выражает глубочайшую признательность К.В. Марусину – ведущему инженеру ИВЭП СО РАН за подробные консультации по всем теоретическим и практическим вопросам и помощь в проведении экспедиционных исследований, д.г.н., г.н.с. В.М. Савкину за практическую помощь и консультации, инженеру ЮО ИО РАН С.Н. Чайка за методическую помощь в написании работы, а также инженеру А.Л. Хомчановскому за неиссякаемый оптимизм и всестороннюю поддержку. В процессе экспедиционных и камеральных работ большая помощь и содействие были оказаны сотрудниками ИВЭП СО РАН К.В. Марусиным, А.А. Дьяченко, А.А. Коломейцевым, А.Л. Хомчановским, практикантом В.В. Карповым, сотрудниками ИЗК СО РАН к.г.-м.н. Е.А. Козыревой и к.г.-м.н. А.А. Рыбченко. Всем им автор выражает искреннюю признательность.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем рукописи составляет 178 страниц, включая 88 рисунков и 61 таблицу. Список литературы содержит 226 наименований.
Краткая характеристика Новосибирского водохранилища
За последние десятилетия вопросы создания и комплексного использования водохранилищ и их воздействия на природу привлекают все большее внимание ученых во многих странах мира. Это объясняется как возрастающим их значением в решении водохозяйственных проблем, так и увеличивающимися масштабами их влияния на окружающую среду (в первую очередь на земельные угодья, качество воды и природные условия прилегающих районов). Многие проблемы создания и комплексного использования водохранилищ рассматривались на различных совещаниях и конференциях. Первыми крупными международными совещаниями, посвященными искусственным водоемам, были международные симпозиумы в Лондоне и в Аккре (Гана) в 1965 г., где впервые обсуждалось влияние водохранилищ на окружающую среду. В мае 1971 г. состоялся международный симпозиум по водохранилищам в США (г. Ноксвилл), на котором было представлено около 150 докладов представителей многих наук из разных стран мира. Доклады симпозиума опубликованы в книге Man-Made Lakes [1973]. На симпозиуме был рассмотрен обширный ряд вопросов по проблемам создания и эффективности эксплуатации водохранилищ, приведено описание многих водохранилищ мира, большой объем докладов был посвящен сохранению качества воды и биоразнообразия в водоемах в частности популяции рыб, рассматривалось воздействие водохранилищ на климат и окружающую среду, была затронута тема накопления и транспорта осадков в водоемах. Было выявлено, что водохранилища как совершенно новые природно-техногенные объекты требуют всестороннего изучения, т.к. гидрологические и геоморфологические процессы, протекающие в них, в значительной мере отличаются от аналогичных процессов, протекающих в естественных водоемах.
Весьма важную роль в изучении проблем создания, использования и воздействия на окружающую среду сыграли международные конгрессы по большим плотинам [ICOLD, XI, 1973]. Проектирование, подготовка и заполнение водохранилищ шло столь быстрыми темпами, что не только их исследования, но даже простой учет создаваемых водоемов в большинстве стран мира не успевал за их созданием. Во многих странах земного шара до настоящего времени нет официального учета водохранилищ. Первой страной, опубликовавшей относительно подробные данные об искусственных водоемах, были США. Первый регистр водохранилищ США появился в 1948 г., затем вышло его второе издание [Thomas, Harbeck, 1956] и третье [Martin, Hanson, 1966]. В них учтены водохранилища полезным объемом более 6,2 млн. м3. В этих регистрах приводятся следующие данные: название, река, речной бассейн, географические координаты, водосборная площадь, площадь водного зеркала, полный, полезный и мертвый объемы, коэффициент регулирования стока, виды использования, год заполнения, организация (фирма), владеющая водохранилищем или эксплуатирующая его; приводятся также итоговые данные по штатам и в целом по стране.
Значительно большее число показателей параметров водохранилищ и плотин вошло в Кадастр СССР [1971] (составленный ВНИИГом), где приводятся данные более чем по 1000 водохранилищам объемом свыше 1 млн. м3. До выпуска этого кадастра в СССР публиковались лишь данные о водохранилищах отраслевого назначения (рыбохозяйственного назначения — Лузанская, Савина [1956]; по водным объектам гидроэлектростанций — Авакян, Шарапов [1977, 1979]). По другим странам сколько-нибудь подробных сводных данных в печати почти не появлялось. Исключением из этого правила можно считать лишь некоторые работы, как, например, книгу «Data of High Dams in India» [1950], в которой для некоторых водоемов приведены данные об их объемах, площади, глубине, физических и химических свойствах воды, наносах, испарении; приводятся также данные о затопляемых землях, объеме и стоимости мероприятий по переселению населения, переустройству дорог, мостов, храмов и т.д. Данные с небольшим числом показателей о водохранилищах были опубликованы также по некоторым другим странам: Мексике, Испании, Турции, Чехословакии, Болгарии, ФРГ и др.
Первые попытки обобщить материалы о водохранилищах мира были сделаны Ф.Я. Нестеруком [1946]. Первая более или менее полная сводка данных об искусственных водоемах была опубликована М.А. Фортунатовым [1963]. В ней были приведены данные о количестве и полезном объеме эксплуатируемых и строящихся водохранилищ на начало 60-х годов. Все последующие сводки данных базируются на материалах Мирового регистра плотин [World Register of Dams], который был опубликован в 1964 г. Международной комиссией по большим плотинам (ICOLD), создавшей специальный Комитет Мирового регистра плотин. В 1964 г. вышло четыре тома, в которых по состоянию на 31 декабря 1962 г. приведены данные более чем о 9000 существующих, строящихся и проектируемых подпорных сооружений, расположенных в 41 государстве мира. В последующие годы вышли дополненные и исправленные издания Мирового регистра плотин с данными на 31 декабря 1968 г., охватывающими плотины 63 стран, с данными на 31 декабря 1971 г. и с данными на 31 декабря 1974 г. Всего в указанных изданиях Мирового регистра плотин приводятся сведения более чем о 12000 плотин 74 стран – членов Комиссии по большим плотинам (ICOLD). На 2011 год в регистре приведены сведения более чем о 33000 плотин 95 стран, однако наиболее подробная информация предоставлена по плотинам Китая, США, Индии, Японии, по данным этого реестра в России всего 71 плотина, Мировой регистр плотин, позволяя полнее учесть водохранилища земного шара, вместе с тем почти не содержит данных о них. Из 24 показателей только два (полный объем и назначение) относятся непосредственно к водохранилищу; большинство же показателей характеризуют только плотины. Данные о таких важных показателях водоемов, как полезный объем, площадь водного зеркала и затопления земель, длина, глубина и ширина, количество переселяемого населения, затраты на создание и другие, в Мировом и национальных регистрах плотин отсутствуют. Приводимые в Мировом регистре данные об объеме нередко не совпадают с данными национальных изданий регистра и литературных источников соответствующих стран.
В 2012 году издательством Springer Science в рамках серии энциклопедий по наукам о Земле («Encyclopedia of Earth Sciences Series») была выпущена «Энциклопедия озер и водохранилищ» («Encyclopedia of Lakes and Reservoirs»). В издании собрана обширная информация по некоторым водохранилищам мира, некоторые главы посвящены процессам осадконакопления в искусственных водоемах, однако основное внимание уделяется расчетам количества и перемещения взвешенных наносов, про влияние этих наносов на изменение морфометрических показателей не говорится ничего.
Анализируя мировой опыт изучении водохранилищ можно прийти к выводу, что исследуется обширный ряд вопросов о процессах, происходящих в водохранилищах, но практически никто не занимается вопросами изменения формы и объемов искусственных водоемов в целом. Несмотря на имеющуюся обширную методическую базу по расчетам морфометрических показателей водохранилищ, практически никто эти показатели не пересчитывал, а за основу берутся параметры, рассчитанные на стадии проектирования. Не лучше ситуация и с российскими водохранилищами. В изучении российских водохранилищ можно выделить два больших сектора: блок вопросов, посвященный изучению береговой зоны и процессов, влияющих на ее формирование и блок вопросов по изучению гидродинамических процессов, происходящих в искусственных водоемах.
Изучение рельефообразующих процессов в котловинах водохранилищ в России было начато в тридцатых годах Ф.П. Саваренским [1935, 1940]. Опираясь на результаты первых наблюдений на искусственных водоемах, образовавшихся при перекрытии рек плотинами, он был склонен рассматривать береговые процессы на водохранилищах как аналог русловых; для различения этих процессов он лишь обозначил явления разрушения берегов водохранилищ термином "переработка". Предложения Ф.П. Саваренского были поддержаны Б.В. Поляковым [1938] и В.А. Ширямовым [1940].
Исходные материалы и методы исследований
В экспедиционных работах и было проведено визуальное обследование и описание двухсотметровой береговой зоны с последующей характеристикой типов берегов. Обследование производилось как с водоема (с борта плавсредств), так и непосредственно на берегу. Были составлены описания общего состояние берегов (абразионный, аккумулятивный, стабильный, искусственный, наличие овражной или оползневой деятельности и пр.); состояния берегозащиты (если таковая имелась на участке); наличия инфраструктуры и прочих строений; составлены абрисы и карты-схемы, характеризующие состояние береговой зоны в наиболее общем виде; определены высота берегового уступа, ширина пляжа (если имелся) и пр.
Участки для мониторинга определялись в ходе первичного обследования береговой зоны, изучения картографических материалов и данных дистанционного зондирования, а также в зависимости от целей мониторинга. Основными параметрами при выборе участков: геоморфологические особенности берега (абразионный, аккумулятивный, бухта, мыс и т.д.); наличие берегозащитных сооружений; наличие инфраструктуры или сельскохозяйственных объектов. На каждой мониторинговой площадке закладывалось три репера. Репера располагались на берегу, на расстоянии 30-150 м от уреза или от бровки берегового уступа. При более близком расположении реперов к урезу/бровке на абразионных берегах может произойти их быстрое разрушение в процессе переработки берегов, более дальнее расположение затруднило бы съемку берегового профиля и подводного берегового склона.
Репера закладывались на равноудаленном расстоянии друг от друга (10–50 м), в идеале образуя равнобедренный треугольник. По реперам строилась локальная система координат (x , y , z ): реперу 1 присваивались координаты (0, 0, 0); реперу 2 – координаты (x , 0, ±z ); реперу 3 – координаты (x , ±y , ±z ) в зависимости от положения относительно 1 и 2 репера (рисунок 2.9).
На каждом участке проводилась съемка берегового профиля. При этом использовались электронный тахеометр Leica TS-06 и геодезический GPS-приемник Leica System 1200 GNSS, т.к. необходимо знать плановые и высотные координаты. Высотная привязка производилась путем нивелирования к ближайшему пункту государственной геодезической сети (ГГС). Достаточно было определить превышение между пунктом ГГС и репером Rp1.
Также на каждом профиле был произведен отбор проб грунта для определения гранулометрического состава пород. Отбиралось до шести проб: береговой уступ (верх, середина, подножье), пляж, урез и подводный береговой склон на глубине около 1 м. Гранулометрический состав пород определялся в лабораторных условиях.
Таким образом, для Новосибирского водохранилища было заложено 50 мониторинговых площадок (рисунок 2.10), для Красноярского – шесть, еще 19 площадок были заложены ФГУ «Управление эксплуатации Красноярского водохранилища».
В качестве картографического материала использовались топографические карты разных годов съемки (до затопления водохранилищ и современное состояние водоемов) масштаба 1:25000 и 1:50000, а также лоции Новосибирского и Красноярского водохранилищ. Весь картографический материал средствами ГИС был приведен в векторный формат. Всего было обработано (привязано и оцифровано) порядка 340 листов разновременных карт М 1:25000, 50 листов М 1:50000, 30 листов лоции. Были построены цифровые модели рельефа (ЦМР) ложа и береговой зоны водохранилищ до начала заполнения («проектная ЦМР») и отражающее современное состояние рельефа («фактическая ЦМР»).
Примеры использованных данных ДЗЗ: а) – мозаика и даты съёмки снимков SPOT на территорию Новосибирского водохранилища; б) – мозаика снимков WorldView-2 на территорию Красноярского водохранилища. Для изучения территории Новосибирского и Красноярского водохранилищ также были использованы: данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) – КА “Landsat”, “SPOT”, “Ikonos”, “QuickBird”, WorldView-2 (со снимков в первую очередь было определено современное положение береговой линии водоемов) (рисунок 2.11); материалы режимных наблюдений за уровнем воды водохранилищ, которые проводит Росгидромет и Управления эксплуатации водохранилищ. Информация о проектных характеристиках водохранилищ была получена из «Основных положений правил использования водных ресурсов водохранилищ». а) б) Все данные были приведены в единую прямоугольную систему координат в проекции Гаусса-Крюгера – Pulkovo_1942_GK_Zone_14 для Новосибирского водохранилища и Pulkovo_1942_GK_Zone_16 для Красноярского. При выполнении привязки и оцифровки карт, дешифрировании космических снимков, построении батиметрических карт и ЦМР использовались следующие лицензионные программные средства: ArcGIS 9.2 с модулем расширения 3D Analyst и Erdas Imagine 9.0.
Основные морфометрические характеристики котловин водохранилищ определены для отметок нормального подпорного уровня (НПУ) воды (Новосибирское водохранилище – 113,5 м БС, Красноярское водохранилище – 243,0 м БС). Точность оценки составила для линейных морфометрических характеристик 10 м, площадей – 0.01 км2, объемов – 0.01 км3, глубин – 0.1 м. Для проведения расчетов были построены трехмерные модели ложа и двухсотметровой прибрежной полосы водохранилищ методом триангуляции в программных продуктах ГИС.
Чтобы определить объемы осадконакопления в водохранилищах необходимо знать их размеры, емкость, плановые очертания, форму котловин, следует также иметь сведения о размерах площадей водосборов. Количественное выражение этих показателей называется гидрографическими характеристиками водоемов. Эти характеристики можно разделить на показатели поверхности водохранилища, показатели его котловины и показатели всей системы.
Гидрографические характеристики – совокупность морфометрических и морфологических характеристик водных объектов и их водосборов, дающих достаточно полное представление о характере, форме, размерах, протяженности водных объектов и некоторых физико-географических особенностях их водосборов. Морфометрические характеристики представляют собой количественные показатели водных объектов и водосборов, а морфологические – качественно-количественные показатели строения поверхности водосборов [Догановский, 2011]. Морфометрические характеристики помогают не только понять основные закономерности гидрологического режима водохранилищ и процессов, происходящих в них, но и сравнить различные водоемы.
Оценка особенностей осадконакопления в котловине Красноярского водохранилища
Одна из основных эксплуатационных характеристик водохранилища – его полезный объем – практически не изменился. Наблюдается даже очень незначительное его увеличение, которое можно объяснить ростом площади при НПУ.
Длина водохранилища в данной работе определялась по его геометрической оси, т.е. линии равноотстоящей от берегов основной акватории (без учета заливов). Верхний граничный створ водохранилища располагался в устье р. Абакан [Вышегородцев, 2005]. В [Правилах…, 1996] приведена длина водохранилища при НПУ – 334 км, правда, без указания на метод его определения. Полученное нами значение достаточно хорошо ему соответствует. Разницу в один километр можно объяснить изменениям в пространственном положении геометрической оси водоема вследствие эволюции береговой линии.
Протяженность берегов водохранилища в данной работе определялась без учета островов. Периметр островов приводится отдельно. Такой подход, по нашему мнению, более логичен, поскольку эти величины, в условиях Красноярского водохранилища, характеризуют два разных процесса. Протяженность берегов связана с процессом их переработки, а периметр островов, в основном, с аккумуляцией входящего твердого стока. Полученные значения протяженности берегов и периметра островов представляются вполне надежными, поскольку, как уже упоминалось, определялись в основном по крупномасштабным топографическим картам.
В [Правилах…, 1996] приведено значение протяженности берегов водохранилища – 2560 км, правда, не указывается, учтен ли в этой величине периметр островов. Если это так, то по результатам работ, за период эксплуатации наблюдается сокращение общей протяженности берегов на 25 км (2535 км против 2560 км). Конечно, в ходе переформирования берегов возможен процесс сокращения длины береговой линии за счет размыва островов и разрушения выступающих мысовых участков [Хабидов, 2000]. Однако, в случае Красноярского водохранилища, такое сокращение весьма незначительно. С другой стороны береговая линия удлиняется за счет той же переработки (образования бухт и вогнутых сегментов, снижающих волновую нагрузку) и особенно за счет новых островов, образующихся в верховьях водохранилища вследствие аккумуляции наносов. В итоге можно было бы ожидать некоторое, пусть незначительное, но увеличение общей протяженности берегов. Возможно, при определении проектного значения протяженности берегов был учтен участок местности в долине р. Туба, который в настоящее время полностью отсечен от водохранилища дамбой.
Оценка изменений состояния берегов Новосибирского и Красноярского водохранилищ произведена на основе данных предыдущих исследований, результатов собственных полевых работ, а также информации полученной с топографических карт М 1:25000, отражающих состояние местности котловин водохранилищ как на современном этапе (1998-2001 гг. – Новосибирское, 2006-2009 гг. – Красноярское), так и до их заполнения (1954–1958 гг.).
Еще на этапе создания водохранилищ и в течение первых лет их эксплуатации было выполнено инженерно-геологическое районирование побережий водохранилищ. Особенности инженерно-геологических условий каждого участка районирования позволили дать оценку устойчивости склонов и развития процессов при дальнейшей эксплуатации водохранилищ [Кусковский, 1974; Формирование…, 1969]. Данное районирование сохраняет свою актуальность и в настоящее время, поскольку инженерно-геологический фактор в развитии берегов является относительно постоянным.
Регулярные и широкомасштабные наблюдения за изменениями берегов Новосибирского и Красноярского водохранилищ велись от момента их создания до 1982 г. (по имеющимся у нас данным) в основном сотрудниками Сибирского Научно-Исследовательского Института Энергетики (СибНИИЭ) [Кусковский, 1974; Формирование…, 1969; Отчет…, 1974, 1977, 1978, 1979, 1980, 1981, 1982]. Еще до начала заполнения водохранилищ были выбраны опорные участки наблюдений за переработкой берегов в разнообразных комбинациях геоморфологических, инженерно геологических и гидрологических факторов их формирования. Большинство из них располагалось в пределах населенных пунктов – Сосновка, Бердск, Ленинское, Боровое, Береговое, Быстровка, Ельцовка, Ордынское, Нижнекаменка на Новосибирском водохранилище; Куртак, Лебяжье, Новоселово, Абакано-Перевоз, Мохов, Новая Сыда на Красноярском водохранилище. На участках была устроена опорная сеть реперов для выполнения топосъемочных работ [Отчет…, 1974, 1977].
На выбранных опорных участках выполнялись регулярные и геодезически точные наблюдения за отступанием бровки берега, изменениями его профиля, процессами формирования прибрежных отмелей и т.д. Результаты этих наблюдений отражены в технических отчетах и отчасти в научной литературе [Кусковский, 1974; Формирование…, 1969; Гидрометеорологический…, 1979; Отчет…, 1974, 1977, 1978, 1979, 1980, 1981, 1982].
В ходе полевых работ на Красноярском водохранилище в 2013 г. нам удалось восстановить опорную геодезическую магистраль для участка у п. Куртак. Также были найдены отдельные репера сети, полуразрушенные и деформированные, на участках, располагавшихся у населенных пунктов Новая Сыда и Абакано-Перевоз на Красноярском водохранилище и для участка «Бердские пионерские лагеря» у г. Бердск на Новосибирском водохранилище, однако восстановить по ним пространственную привязку невозможно. На остальных участках на обоих водохранилищах, несмотря на достаточно тщательные поиски, не удалось обнаружить вообще никаких следов опорной сети.
Кроме того, ежегодно проводились рейдовые обследования берегов водохранилища по всему их протяжению. В ходе этих обследований фиксировалось текущее состояние берегов, а также протекающие на них геодинамические процессы в пределах каждого инженерно-геологического участка. По результатам рейдовых наблюдений составлялись «Схемы состояния берегов водохранилища и геодинамических процессов». Главный недостаток этих схем заключался в отсутствии картографического масштаба и весьма приблизительной пространственной привязке процессов и явлений.
Полноценная карта-схема состояния берегов по результатам их детального обследования в масштабе 1:200000 была составлена сотрудниками СибНИИЭ (затем сотрудниками Новосибирского филиала ЦНИИКИВР) лишь в 1981-1982 гг. и только для Красноярского водохранилища (приложение А.1).
В данной работе для анализа и оценки изменений состояния берегов водохранилищ мы будем придерживаться того же общего подхода, что и предшествующие исследователи. Описание изменений берегов водохранилища в целом дадим, используя пространственный масштаб 1:400000 и принятое инженерно-геологическое районирование (приложение А.2, А.3).
Прогноз переработки берегов Новосибирского водохранилища на отдельных участках на 10, 20 и 30 лет вперед
Расчет объема берегового размыва методом Качугина может производиться на любой срок эксплуатации водохранилища. Возможно решение обратной задачи - определение времени переработки берега при заданном объеме размытых пород. Кроме того, промежуточным, но весьма полезным результатом применения метода Качугина являются значения параметров волн по всему спектру ветров, действующих на данный участок, которые могут быть использованы при проектировании берегозащитных сооружений. Таким образом, для дальнейшего прогноза переработки берегов на кратко-, средне- и долгосрочный период нами был выбран метод Качугина.
В заключение данного обзора следует отметить важные черты, свойственные всем упомянутым выше методам прогнозирования переработки берегов:
Эти методы по своей сути являются полуэмпирическими. То есть в основе каждого метода лежат обоснованные, иногда даже очевидные, общие физические и геоморфологические закономерности. Конкретная форма этих закономерностей, дающая численный результат, определяется набором эмпирических коэффициентов (параметров), значения которых устанавливаются по данным натурных наблюдений. Отсюда следует, что прямой путь к повышению точности прогноза по таким методам состоит в уточнении значений эмпирических коэффициентов на основе накопления, обработки и анализа данных о переработке берегов на реальных объектах.
Все методы весьма чувствительны к исходным данным. Чем точнее и полнее будут исходные геологические, топографические и гидрометеорологические данные - тем точнее полученный на их основе прогноз.
Эти методы не применимы для краткосрочных прогнозов - на срок менее нескольких лет. Их назначение - прогнозирование на среднесрочную (10-15 лет) и долгосрочную перспективу. Эта особенность вытекает из полуэмпирического характера методов, поскольку на длительном периоде времени разнообразные сезонные вариации гидрометеорологических условий усредняются.
Для решения обозначенной в заглавии данного раздела задачи необходимо предварительно определиться по следующим аспектам: объекты прогнозирования, сценарий поведения факторов природной среды, определяющих прогнозируемый процесс.
В настоящее время, как показали результаты последних исследований, общая протяженность берегов Красноярского водохранилища составляет 2444.6 км. При этом протяженность разрушаемых берегов равна 1364.3 км (55.8%). Кроме того, при существующем уровенном режиме водохранилища, достаточно явно прослеживается тенденция снижения интенсивности переработки его берегов и постепенной их стабилизации.
Очевидно, что задача прогнозирования должна решаться в первую очередь для тех участков, где разрушение берегов всё еще продолжается. С другой стороны, прогноз должен носить целевой характер. То есть его результаты должны или могут быть использованы для решения некоторой водохозяйственной проблемы, связанной с переработкой берегов на рассматриваемом участке.
Исходя из указанных выше соображений и на основе результатов полевого обследования берегов Красноярского водохранилища, проведенного в июне 2013 г, для прогнозирования были выбраны следующие участки его побережья: - участок №1 расположен на левом берегу водохранилища 6 км севернее с. Советская Хакасия, на склоне г. Кондаловская, в 277 км (по судовому ходу) от плотины Красноярской ГЭС (рисунок 4.2 а); участок №2 расположен на левом берегу водохранилища в 108 км (по судовому ходу) от плотины Красноярской ГЭС на южной и юго-восточной окраине п. Приморск (рисунок 4.2 б); участок №3 расположен на левом берегу Красноярского водохранилища в 131 км (по судовому ходу) от плотины Красноярской ГЭС на окраине п. Куртак (рисунок 4.2 в). а)
На участке №1, в районе с. Советская Хакасия расположено старое кладбище, существовавшее здесь ещё до создания водохранилища. В настоящее время бровка берега находится в 38 м от крайних могил. Результаты прогноза должны помочь оценить степень угрозы этому объекту.
Берег участка №2, расположенного на окраине п. Приморск, был в начале 80-х годов прошлого века укреплен каменной наброской. Однако, в настоящее время, она полностью разрушена. Данный участок побережья находится в пределах сравнительно крупного населенного пункта с хорошей транспортной доступностью и может быть использован в рекреационных целях или для иной хозяйственной деятельности. Результаты прогнозирования могут помочь в принятии решений о целесообразности реконструкции берегозащитного сооружения и дальнейшем использовании прибрежной территории.
Берег на участке №3 у п. Куртак демонстрирует максимальную для всего водохранилища интенсивность разрушения. Непосредственно к бровке берега примыкает территория базы отдыха Красноярского педагогического университета. Однако, по имеющимся у нас сведениям, база отдыха прекратила свою работу, а её имущество продается. Прочие хозяйственные и жилые объекты поселка находятся на расстоянии 450 м и более от бровки берега. Результаты прогноза помогут оценить потенциальную угрозу от переработки берега для инфраструктуры населенного пункта.