Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Постановка проблемы и способы ее решения 16
1.1. Фундаментальные работы, являющиеся базой для понимания процессов осадконакопления в водоемах 16
1.2. Основные направления и результаты исследования формирования донных отложений в искусственных водоемах 18
1.3. Региональная изученность водохранилищ 19
1.4. Выводы по главе 22
Глава 2. Фактический материал и методы исследований 23
2.1. Исследования процессов осадкообразования в водохранилищах 23
2.1.1. Методы экспедиционных исследований 24
2.1.2. Методы лабораторных исследований 28
2.1.3. Способы обработки и представления результатов 31
2.2. Выводы по главе 32
Глава 3. Условия и факторы осадкообразования в водохранилищах ангарского каскада 33
3.1. Местоположение и морфометрические характеристики водохранилищ Ангарского каскада 33
3.2. Климатические условия 42
3.3. Водный сток и водообмен водохранилищ Ангарского каскада 51
3.4. Влияние уровенного режима 55
3.5. Деятельность волн и течений 64
3.5.1. Стоковые течения 64
3.5.2. Волновой режим и ветровые течения 66
3.6. Режим эксплуатации водохранилищ Ангарского каскада 74
3.7. Выводы по главе 77
Глава 4. Источники питания водохранилищ ангарского каскада осадочным материалом 79
4.1. Поступление осадочного материала из озера Байкал 79
4.2. Поступление осадочного материала в составе речного стока 84
4.3. Абразионные берега водохранилищ как источник осадочного материала 95
4.3.1. Абразионные процессы в береговой зоне водохранилищ 95
4.3.2. Состав пород, слагающих абразионные береговые уступы 103
4.3.3. Поступление химических элементов в водохранилища в результате абразии пород береговой зоны 113
4.4. Интенсивность питания водохранилищ осадочным материалом 117
4.5. Выводы по главе 121
Глава 5. Состав воды в водохранилищах ангарского каскада 123
5.1. Распределение взвешенных веществ в воде водохранилищ 123
5.2. Химический состав воды водохранилищ 129
5.3. Химический состав воды в области переменного подпора и Верхнеангарском районе Братского водохранилища 156
5.4. Выводы по главе 172
Глава 6. Осадкообразование и типы донных отложений в водохранилищах ангарского каскада 174
б. 1. Перенос и седиментация осадочного материала 174
6.2. Темпы осадконакопления и мощность осадков в водохранилищах... 185
6.3. Литологические типы донных отложений 194
6.4. Область переменного подпора и Верхнеангарский район Братского водохранилища как часть седиментосистемы реки Ангары 200
6.5. Выводы по главе 208
Глава 7. Состав донных отложений в водохранилищах ангарского каскада
7.1. Гранулометрический состав донных отложений 210
7.2. Минералогия донных отложений 221
7.3. Геохимический состав донных отложений 230
7.4. Литолого-геохимическая дифференциации осадочного материала в водохранилищах 251
7.5. Выводы по главе 270
Глава 8. Геоэкологическое состояние водохранилищ ангарского каскада : 273
8.1. Уровень загрязнения донных отложений тяжелыми металлами 273
8.2. Биогенная нагрузка и эвтрофирование водохранилищ 281
8.3. Выводы по главе 289
Заключение 291
Список литературы
- Основные направления и результаты исследования формирования донных отложений в искусственных водоемах
- Методы лабораторных исследований
- Водный сток и водообмен водохранилищ Ангарского каскада
- Поступление осадочного материала в составе речного стока
Введение к работе
Актуальность работы. Создание искусственных водохранилищ в последние десятилетия ХХ-го века явилось одним из важнейших факторов преобразования природной среды, хозяйства и условий жизни населения на планете в относительно короткий промежуток времени. В этом отношении особенно показателен пример Восточной Сибири, где создана самая крупная на Земле искусственная водная система - Байкало-Ангаро-Енисейская гидроэнергосистема, ключевую роль в ней играют водохранилища Ангарского каскада.
Водохранилища Ангарского каскада, в которых заключены огромные массы пресной воды, одного из важнейших источников жизни на Земле, включенные в сферу интенсивного хозяйственного использования, испытывают активное влияние антропогенного фактора. На водосборной площади и в прибрежной зоне водохранилищ расположены основные промышленные и сельскохозяйственные предприятия, проживает большая часть населения Иркутской области. Значительная часть продуктов антропогенеза, в том числе и опасных загрязняющих веществ (тяжелые металлы, биогенные вещества), попадает в водохранилища, где основная масса их накапливается в донных отложениях. В результате физические, химические и биологические процессы, происходящие как на водосборе, так и в самих водохранилищах, накладывают отпечаток на ход процессов осадкообразования, состав и свойства донных отложений, определяют геоэкологическое состояние водохранилищ
Донные отложения, являясь активными накопителями загрязняющих веществ,
заключают в себе полную информацию обо всех временных изменениях
геоэкологического состояния водохранилищ. Необходимость оценки
геоэкологического состояния и прогноза их дальнейшего функционирования в условиях антропогенного воздействия инициируют исследование процессов осадкообразования в искусственных водоемах.
Изучение вопросов миграции и седиментации загрязняющих веществ в водоехмах позволяет считать, что донные отложения накапливают всю информацию об антропогенном воздействии на водоем за весь период его существования, поэтому их можно рассматривать как банк информации о состоянии окружающей среды [Forstner, Witmann. 1981; Hakanson, 1984, Усенков и др., 1997]. Данные положения дают основание считать изучение процессов осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада, одном из крупнейших в мире каскадов, исключительно актуальным как в теоретическом, так и прикладном плане.
Объектом исследований являются водохранилища Ангарского каскада.
Предметом исследований являются процессы осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада на стадии седиментогенеза.
Цель исследований. Цель работы заключается в изучении закономерностей осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада, выявлении особенностей формирования донных отложений и их вещественных характеристик.
В ходе исследования для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
Изучить условия и основные факторы осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада. Установить основные источники поступления осадочного материала. Выявить черты сходства и различия в условиях подготовки осадкообразующсго материала, его переноса и осаждения в водохранилищах.
Провести типизацию донных отложений в водохранилищах Ангарского каскада на основе результатов изучения гидродинамики, состава донных отложений и пространственной изменчивости этих показателей.
Исследовать особенности формирования вещественного состава донных отложений в водохранилищах Ангарского каскада.
Дать оценку геоэкологического состояния водохранилищ Ангарского каскада по уровню биогенной нагрузки и нагрузки тяжелыми металлами на донные отложения.
Фактический материал и методы исследований. Методологическую основу исследований особенностей процессов осадкообразования в искусственных водоемах подготовили фундаментальные работы Н.М.Страхова, С.Б.Рухина, Л.В.Пустовалова, А.П.Лисицына, Н.В.Логвиненко, С.И.Романовского, И.О. Мурдмаа, В.Н.Холодова, включающие исследование условий седиментации, зависимостей между структурой и составом осадков. Данный подход успешно был применен и реализован автором диссертации на водохранилищах Ангарского каскада. В диссертации с единых позиций проанализирована ц обобщена имеющаяся информация о донных отложениях водохранилищ Ангарского каскада.
Методы проведения исследований включали экспедиционные и лабораторно-аналитические работы. Экспедиционные исследования были комплексными и представляли ежегодный мониторинг в период открытой воды по 33 опорным поперечным профилям на р. Ангаре и Братском водохранилище, эпизодические наблюдения - по 4 профилям на Иркутском и по 6 профилям на Усть-Илимском водохранилищах. Для детализации пространственной неоднородности полей
концентрации осадочного материала дополнительно к профильному отбору проводился отбор по системе компартментов. Исследования включали отбор проб воды и образцов донных отложений по опорным профилям, промерно-инструментальные наблюдения за процессами абразии в береговой зоне водохранилищ с отбором образцов пород береговых уступов, измерения скорости и направления течений, высоты и периода волн. Дополнительно летом 1991г. производился сбор проб атмосферных выпадений. Отобрано более 3000 проб воды, около 60 проб дождевых и пылевых выпадений. Опробовано более 5000 точек на дне и отобрано более 2700 образцов донных отложений, более 500 образцов с прибрежных отмелей. Взято около 600 образцов пород, слагающих береговые уступы.
Лабораторно-аналитические работы включали определение
гранулометрического, минералогического и химического состава образцов донных отложений, пород береговых уступов и проб воды. Гранулометрический состав выполнялся ситовым, пипеточным, комбинированным методами и методом Сабанина. Просмотр под микроскопом частиц алевритовой размерности давал минералогический состав. Глинистые минералы определялись количественным рентгенофазовым анализом на дифрактометре ДРОН-3.0. Определение химического состава включало методы традиционного полного химического анализа, рентгенофлуоресцентный, эмиссионный спектральный, атомно-абсорбционный методы и метод индуктивно связанной плазмы.
Защищаемые положения;
Интенсивность питания водохранилищ Ангарского каскада абразионным материалом значительно превосходит питание материалом речного происхождения, что обусловлено комплексом особых физико-географических условий региона.
Незавершенность процесса становления береговой зоны и подводного рельефа водохранилищ Ангарского каскада проявляется в пространственной неоднородности темпов осадконакопления и типах донных отложений.
3. Гидрологические процессы и состав осадкообразующего материала питающих
источников отражаются в новых, закономерно построенных комплексах донных
отложений водохранилищ Ангарского каскада, вещественные характеристики которых
не утратили связь с исходным материалом
4. Геоэкологическое состояние водохранилищ Ангарского каскада отражают
донные отложения, которые являются наиболее стабильным и представительным
показателем антропогенного воздействия.
концентрации осадочного материала дополнительно к профильному отбору проводился отбор по системе компартментов. Исследования включали отбор проб воды и образцов донных отложений по опорным профилям, промерно-ннструментальные наблюдения за процессами абразии в береговой зоне водохранилищ с отбором образцов пород береговых уступов, измерения скорости и направления течений, высоты и периода волн. Дополнительно летом 1991г. производился сбор проб атмосферных выпадений. Отобрано более 3000 проб воды, около 60 проб дождевых и пылевых выпадений. Опробовано более 5000 точек на дне и отобрано более 2700 образцов донных отложений, более 500 образцов с прибрежных отмелей. Взято около 600 образцов пород, слагающих береговые уступы.
Лабораторно-аналитические работы включали определение
гранулометрического, минералогического и химического состава образцов донных отложений, пород береговых уступов и проб воды. Гранулометрический состав выполнялся ситовым, пипеточным, комбинированным методами и методом Сабанина. Просмотр под микроскопом частиц алевритовой размерности давал минералогический состав. Глинистые минералы определялись количественным рентгенофазовым анализом на дифрактометре ДРОН-3.0. Определение химического состава включало методы традиционного полного химического анализа, рентгепофлуоресцентный, эмиссионный спектральный, атомно-абсорбционный методы и метод индуктивно связанной плазмы.
Защищаемые положения:
Интенсивность питания водохранилищ Ангарского каскада абразионным материалом значительно превосходит питание материалом речного происхождения, что обусловлено комплексом особых ., > физико-географических условий региона.
Незавершенность процесса становления береговой зоны и подводного рельефа водохранилищ Ангарского каскада проявляется в пространственной неоднородности темпов осадконакопленил и типах донных отложений.
Гидрологические процессы и состав осадкообразующего материала питающих источников отражаются в новых, закономерно построенных комплексах донных отложений водохранилищ Ангарского каскада, вещественные характеристики которых не утратили связь с исходным материалом
Геоэкологическое состояние водохранилищ Ангарского каскада отражают донные отложения, которые являются наиболее стабильным и представительным показателем антропогенного воздействия.
Научная новизна работы заключается в следующем:
На основе собственных и литературных данных определена роль физико-географических условий региона в формировании источников поступления осадкообразующего материала в водохранилища. Установлено, что основное поступление осадкообразующего материала происходит за счет абразии пород береговых уступов водохранилищ.
Исследованы особенности процессов осадкообразования и формирования типов донных отложений в водохранилищах Ангарского каскада, связанные как с физико-географическими, так и с техногенными условиями среды осадконакопления.
3. Установлена высокая пространственная неоднородность темпов
осадконакопления в водохранилищах Ангарского каскада, где присутствуют участки со
сверхбыстрыми скоростями осадконакопления.
4. Определен характер взаимодействия минерального и элементного составов
формирующихся донных отложений со структурно-вещественным составом материала
питающего источника и гидродинамикой среды осадконакопления. Установлена
литолого-геохимическая дифференциации донных отложении водохранилищ
Ангарского каскада.
5. Впервые дана оценка геоэкологического состояния водохранилищ Ангарского каскада и интенсивности их загрязнения на основе содержания тяжелых металлов и биогенных веществ в донных отложениях водохранилищ.
Теоретическая и практическая значимость полученных результатов.
Теоретическое значение выполненного исследования заключается в исследовании водохранилищ как современных седиментационных бассейнов, является новым этапом в развитии теории гидрологии. Такие исследования включают изучение физико-географических условии формирования и структуры донных отложений водохранилищ, исследование процессов как на водосборном бассейне, питающем их осадочным материалом, так и процессов в самих котловинах водохранилищ, т.е. изучается как сам гидрологический объект, так и объекты, окружающие его. Выполненные исследования вносят вклад в понимание закономерностей осадкообразования и формирования структурно-вещественных характеристик донных отложений искусственных водоемов суши.
С практической точки зрения, проведенные исследования позволяют наиболее рационально подойти к оценке геоэкологического состояния водохранилищ Ангарского каскада для выявления масштабов загрязнения и возможных путей снижения антропогенных нагрузок. Материалы диссертанта использованы в Государственных
докладах «О состоянии окружающеіі природной среды Иркутской области в 2000 году», «О состоянии окружающей природной среды Иркутской области в 2001 году».
Личный вклад автора. Диссертационная работа является самостоятельным научным трудом, основанным на результатах как личных полевых и лабораторных исследований, так и опубликованных данных других авторов, фондовых материалов ИЗК СО РАН и ИМТУГМС. Фактический материал собран лично автором или при его непосредственном участии во время полевых работ в составе экспедиций и отрядов Института земной коры СО РАН в 1972-2003 годах.
Данная работа выполнялась в соответствии с планами НИР Института земной коры СО РАН, по Российско-канадскому проекту «Управление водными ресурсами в бассейне реки Ангары» (1998-2000гг.), по научному проекту «Сравнительная геохронология, магматизм и литогенез мезо-кайнозоя Внутренней и Восточной Азии» программы 26.2 СО РАН (2004-2006гг.), по научному проекту «Эволюция седиментогенеза, биоценозов, магматизма и рудообразования в мезозое и кайнозое Внутренней и Восточной Азии». Исследования проводились также в рамках инициативных проектов, поддержанных РФФИ (гранты 98-05-64415; 01-05-64085; 01-05-97211), в которых автор являлся руководителем.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались автором на 13 региональных, 12 всесоюзных и 8 международных конференциях, совещаниях и симпозиумах. В их числе: 4-е Всесоюзное совещание по изучению берегов сибирских водохранилищ (Якутск, 1976); V совещание по изучению берегов сибирских водохранилищ (Иркутск, 1980); «Круговорот вещества и энергии в водоемах» (Иркутск, 1982); «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды» (Томск, 1995); «Закономерности эволюции земной коры» (Санкт-Петербург, 1996); «Геохимия ландшафтов, палеоэкология человека и этногенез» (Улан-Удэ, 1999); «Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетия» (Томск, 2000); «Сергеевские чтения» (Москва, 2000, 2002); Enviromis-2002: «Измерения, моделирование и информационные системы как средства снижения загрязнений на городском и региональном уровнях» (Томск, 2002); «Терригенные осадочные последовательности Урала и сопредельных территорий: седименто- и литогенез, минерагения» (Екатеринбург, 2002); «Теоретические и прикладные проблемы современной лимнологии» (Минск, 2003); «Закономерности строения и эволюции геосфер» (Хабаровск, 2003); «Фундаментальные проблемы гидрогеохимии» (Томск, 2004); «Фундаментальные проблемы изучения и использования воды и водных ресурсов»
(Иркутск, 2005); «Осадочные процессы: седиментогенез, литогенез, рудогенез» (Москва, 2006); 7-е Уральское литологическое совещание (Екатеринбург, 2006); «Проблемы геохимии эндогенных процессов и окружающей среды» (Иркутск, 2007); «Типы седиментогенеза и литогенеза и их эволюция в истории Земли» (Екатеринбург, 2008); Проблемы экологической геохимии в XXI веке» (Минск, 2008).
Публикации. По теме данного исследования автором опубликовано 74 работы, в том числе 24 статьи (из них 13 статей, рекомендованных для докторских диссертаций) - в журналах из списка ВАК, 2 монографии в соавторстве.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав и заключения. Общий объем 319 страниц, в состав которого входят 66 рисунков, 99 таблиц. Список литературы включает 364 наименования.
Благодарности. За творческую поддержку автор благодарен научному консультанту член-корреспонденту РАН, профессору Е.В.Склярову, академикам РАН А.П.Лисицыну, Г.Г.Матишову, Ф.А.Летникову. На разных этапах исследований автор пользовался консультациями своих коллег С.А. Кашика, Б.П.Агафонова, A.PL Мельникова, Т.М.Сковитиной, И.Г.Бараша, И.Б.Шенькман. Всем им моя искренняя благодарность и признательность.
Основные направления и результаты исследования формирования донных отложений в искусственных водоемах
Основы научного исследования водохранилищ были заложены в конце 20-х -начале 30-х годов в бывшем СССР. Более четко задачи изучения техногенных водоемов были определены в 1934 году, в это же время была сделана первая попытка создания теоретической основы проектирования и исследования крупных водохранилищ -[Водохранилища..., 1986]. Послевоенный этап создания водохранилищ на реках Волга и Днепр привел к комплексному изучению искусственных водоемов специалистами разного профиля. С 1950 года на всех крупных водохранилищах страны в системе Гидрометеослужбы были созданы обсерватории. В исследовании водохранилищ приняли участие институты Академии Наук, НИИ и проектные институты министерств и ведомств, высшие учебные заведения.
В рамках наук о Земле изучение водохранилищ шло по нескольким направлениям. Наиболее значимыми из которых были результаты геологических исследований становления береговой зоны водохранилищ, полученные И.А.Печеркиным [Печеркин, 1966; 1969], Б.А.Пышкиным [Пышкин, 1973], Е.Г.Качугиным [Качугин, 1975], а также материалы гидрологических исследований, которые были выполнены С.Л.Вендровым [Вендров, 1979], А.Б.Авакяном с соавторами [Авакян и др., 1987], Ю.М.Матарзиным [Матарзин, 1967; 1983], Н.В.Буториным [Буторин, 1969], В.М.Широковым [Широков, 1974], В.П.Курдиным [Курдин, 1976].
Становление береговой зоны водохранилищ сопровождается проблемой накопления донных отложений в созданных водоемах. Одной из первых и наиболее полных сводок по заилению водохранилищ была работа Г.И.Шамова [Шамов, 1939]. Первые сведения о донных осадках старейшего из водохранилищ - Иваньковского, приводимые в работе Л.Л.Россолимо [Россолимо, 1950], включают некоторые соображения о ходе седиментации, механическом и химическом составе донных отложений.
Создание огромных искусственных водоемов, в которых большинство процессов протекает в сотни раз быстрее, чем в природных водоемах, вызвало интерес к изучению скорости осадконакопления, структуры потоков осадочного материала, химического состава воды и донных отложений, степени миграции элементов в водохранилищах. К настоящему времени в число публикаций, дающих более или менее полную характеристику процесса накопления осадков в искусственных водоемах, входят монографии по верхневолжским [Буторин и др., 1975] и средневолжским [Выхристюк, Варламова, 2003], днепровским [Новиков, 1985; Денисова и др., 1987], донским [Клюева, Долженко, 1983], сибирским [Широков, 1974] водохранилищам. Наиболее детально исследования были выполнены на водохранилищах Днепровского каскада [Нахшина, 1978; Новиков, 1985; Денисова, 1987; Денисова и др., 1987; 1989] и Верхневолжских водохранилищах [Буторин и др., 1975; Законнов, 1995].
По существующим на данный момент представлениям донные отложения водохранилищ представляют чрезвычайно сложную динамическую систему. Мощность донных отложений зависит от времени существования водохранилищ, интенсивности протекания в них гидродинамических и абразионных процессов.
К большому сожалению, до настоящего времени не проработаны вопросы проявления седиментационных процессов в вещественном составе донных отложений, нет даже общей типизации донных отложений водохранилищ, практически не освещены вопросы внутриводоемной трансформации донных отложений. Сложная экономическая ситуация в организациях, занимающихся изучением водохранилищ в нашей стране и государствах СНГ (кроме Белоруссии), привела к почти полному свертыванию работ по этому направлению.
Научное изучение проблем, связанных с созданием водохранилищ Ангарского каскада, началось еще на стадии их проектирования и подготовки ложа к затоплению. В работах принимали участие институт Гидроэнергопроект МСЭ СССР, Институт земной коры СО РАН и Иркутское геологическое управление МГ РСФСР. Полученные материалы по этому периоду были представлены в ряде научных отчетов, а также в коллективных монографиях [Братское.., 1963; Усть-Илимское.., 1975].
В дальнейшем региональные исследования на водохранилищах Ангарского каскада шли по нескольким направлениям: геологическому, гидрологическому, биологическому. Геологическое направление включало изучение формирования береговой зоны водохранилищ. Наблюдения проводились сотрудниками Института земной коры СО РАН, Иркутской и Братской ГМО. Первые публикации, посвященные изучению становления береговой зоны водохранилищ Ангарского каскада, появились по материалам исследований на Иркутском водохранилище и содержатся в работах Г.Г.Зубаренковой (1966; 1968), А.В.Пинепша (1971; 1980; 1976), А.А.Рогозина (1973). Начало исследованиям на Братском водохранилище положили Е.К.Гречищев (1961), Г.Б.Пальшин (1963), Г.М.Пуляевский (1964). В последующие годы исследования переформирования береговой зоны на Иркутском водохранилище проводились А.П.Мирошниченко (1988), Ф.Н.Лещиковым (1972; 1988), Г.И.Овчинниковым (2002), на Братском водохранилище - Г.М.Пуляевским (1976; 1986), В.М.Лащшювой (1972; 1975); Г.И.Овчинниковым (1976; 1979; 1985; 1986; 1999), Г.А.Карнауховой (1974; 1985), на Усгь-Илимском водохранилище - Г.М.Пуляевским (1976), В.Л.Некрасовым (1976), Г.И.Овчшшиковым (1986; 1999) и др.
Гидрологическое направление включало исследования уровенного, термического, ледового, водного, ветро-волнового режимов и режима течений. Основные результаты направления реализованы в работах В.И.Астраханцева (1961), Я.Л.Готлиб и др., (1964), М.Ш.Фурман (1964), Л.В.Пеньковой (1966), В.Г.Разуванова (1969), Л.Н.Репетина (1969), А.К.Куклина и Ю.М.Новикова (1969), В.А.Драницы (1970), Л.Я.Кулиш (1972), Ю.И.Бубликовой и СД.Кошинского (1975).
Полученные материалы натурных наблюдений по отдельным разделам гидрохимии представлены публикациями М.Д.Николаевой (1964), П.Ф.Бочкарева и В.Ф.Мированова (1970), И.А.Кибальчич и Т.З.Артемовой (1970), Б.С.Качурина (1971), Н.В.Верболовой (1973).
Методы лабораторных исследований
При изучении микроэлементного состава донных отложений применялся хорошо зарекомендовавший себя эмиссионный спектральный анализ, методом вдувания порошка образцов с током воздуха в канал дугового электрода. Метод позволяет определи гь тяжелые металлы в образцах без их химического разложения. В качестве арбшражного был задействован ICP-MS метод прямого анализа.
Необходимо отметить, что, большая часть выполненных анализов по определению концен граций тяжелых металлов в воде и донных отложениях водохранилищ Ангарского каскада представляет собой их валовые содержания. Мы исходили из того, что, во-первых, в исследуемых водохранилищах низкие концентрации металлов в жидкой и твердой фазах. Во-вторых, в ведущих зарубежных странах для экологической оценки уровня загрязнения воды и донных отложений водных объектов тяжелыми металлами используют их валовые содержания [Папина и др., 1999].
Для определения содержания взвешенного материала в воде проводилась фильтрация пробы воды объемом 1 л под вакуумом на приборе ГР-60. Из-за высокой степени дисперсности исследуемого материала фильтрование проводилось через двойной фильтр, включающий мембранный фильтр с диаметром пор 0,45 мкм (производство „Synpor", Чехия) и бумажный фильтр "синяя лента". Фильтры предварительно высушивались в сушильном шкафу до постоянного веса, остужались в эксикаторе, взвешивались на точных аналитических весах и хранились в эксикаторе. Фильтры уже с фильтратом снова высушивались в сушильном шкафу, остужались и взвешивались. По разности весов фильтра со взвесью и пустого фильтра находилась концентрация взвешенного материала в воде.
Определение макросостава водных проб (НСОз", СГ, SCV, Са2+, Mg2+, Na+K) проводилась высокочувствительными и точными классическими методами аналитической химии (весовой, объемный, колориметрический). Такими же методами определялись и биогенные элементы (NO2, NO3, NH4, Р, Si) [Аринушкина, 1961; Методическое.., 1968].
Для определения микроэлементов в воде проба воды выпаривалась до сухого остатка, не подвергаясь химической обработке. Подобная пробоподготовка рекомендована как наиболее рациональная для водных проб байкальского региона [Ветров, Кузнецова, 1997]. Эмиссионным спектральным анализом в сухом остатке определялись микроэлементы. При детальной полигонной съемке аналитическая обработка всех видов водных проб для определения микрокомпонентного состава состояла в предварительном разделении на жидкую и твердую составляющие методом фильтрации под вакуумом через фильтр "синяя лента", что позволило выделить нерастворимый материал на фильтре и растворимые соединения в фильтрате.
Фильтрат, объемом 2 л каждая проба, выпаривался до сухого остатка. Высушенный до постоянной массы и взвешенный фильтр с остатком озолялся в муфельноіі печи. Материал с фильтра и сухой остаток по отдельности поступали на эмиссионный спектральный анализ. В качестве арбитражного прямое многоэлементное определение без предварительного концентрирования было выполнено методом ІСР-MS на приборах VG PlasmaQuad 2+ и Element 2.
Следующим, не менее важным, этапом исследования донных отложений является обработка полученных данных и способы их представления. При обработке данных нами применялись традиционные методы. Балансовый метод являлся основным при составлении балансов взвешенных веществ, биогенов, тяжелых металлов. В приходную часть уравнений балансов входили данные по поступлению из различных источников (материал абразии, речной сток притоков, поступление из вышерасположенного водоема, сточные воды, атмосферные выпадения на зеркало водоема). Расходная часть представлена сбросом в нижний бьеф, аккумуляцией в донных отложениях и содержанием в воде исследуемого водоема. Распределение донных отложений водохранилищ по площади дна за отдельные временные отрезки и временного распределения мощности донных отложений водохранилищ выполнено методом экстраполяции. Оценки многолетнего ряда концентраций химических элементов в воде и донных отложениях водохранилищ, а также расчет фоновых и аномальных содержаний элементов в воде и донных отложениях, расчет длины "волн, глубины на границе слоев взмучивания, переноса и седиментации при различной скорости и направлении ветра проводились статистическими методами. Статистическая обработка данных проведена с использованием стандартного приложения Statgraphics Plus.
Представление информации выполнено в основном графическими методами. На основе этих методов проведено картирование при создании батиметрических, литологических, гидрохимических карт, карт состава и распределения химических элементов в донных отложениях. Графические методы применялись при построении продольных и поперечных разрезов, фациальньтх профилей. При построении фациальных профилей использовался метод «идеальных профилей» [Страхов, 1962]. Суть его состоит в том, что исследование распределения гранулометрического, минерального и химического составов донных отложений проводится на обобщенном «идеальном» профиле от прибрежной зоны к глубоководной без учета усложняющих деталей по основным петрографическим типам пород береговой зоны водоемов.
Результаты гранулометрического анализа представлены статистическим материалом, в котором статистические параметры донных отложений даны в виде гистограмм, эмпирических полей распределения и кумулятивных кривых. В зависимости от вещественно-генетического типа донных отложений водохранилищ
Ангарского каскада результаты анализов приведены также в виде таблиц. При интерпретации геохимических данных были использованы рекомендации, приведенные в работе Е.В.Склярова с соавторами [Скляров и др., 2001].
Таким образом, методология и применяемые нами современные методы анализа образцов донных отложений и проб воды позволили получить обширный фактологический материал, на основе которого и написана данная диссертация.
Водный сток и водообмен водохранилищ Ангарского каскада
В некоторой степени боковой приток сказывается, да и то только в заливах, при прохождении весеннего половодья и летних паводков. За период с марта по сентябрь в водохранилище поступает около 75% годового объема бокового притока [Гидрометеорологический.., 1980]. Однако даже эта величина не превышает 1,6% его доли в суммарном притоке в водохранилище.
Слой осадков выпадающий на зеркало Иркутского водохранилища в течение года составляет за многолетний период в среднем 554 мм, в пересчете на годовой объем атмосферных выпадений - 0,127 км3. Наибольшее количество осадков выпадает в теплый период года и составляет более 40% годовой суммы. Сток через гидротехнические сооружения Иркутской ГЭС являются главной составляющей в расходной части баланса. Объем стока из Иркутского водохранилища в зависимости от водности изменяется от 53,4 до 74,5 км , при среднем значении 63,2 км [Гидрометеорологический.., 1980]
Основная масса воды приносится в Братское водохранилище р. Ангарой и крупными левобережными притоками — реками Иркут, Китой, Белая, Ока, Ия. Составляющей водной массы реки Ангары служит сток через Иркутскую ГЭС, на долю которого приходится 66,7% годового суммарного притока в Братское водохранилище, что равно 62,9 KMJ (табл.11). Зимние сбросы Иркутской ГЭС могут достигать 80-90%, а летние - 40-50% общего притока в водохранилище (Гидрометеорологический.., 1978).
Крупные притоки относятся к Восточно-Саянскому гидрологическому району и отличаются высокими среднемесячными модулями стока в летний период. Средниіі многолетний расход р. Иркут составляет 140 м7с, р. Китой —109 м7с. р. Белой - 179 м3/с, р. Оки - 244 м3/с, р. Ии - 148 м3/с (Гета, 1978). Все перечисленные реки по режиму характеризуются весенне-летним половодьем. Паводки часто примыкают к половодью и систематически их превышают.
Приток воды в водохранилище за счет правобережных притоков невелик. Водосборы этих притоков находятся на территории ангарского минимума (Балаганские степи). Наиболее крупными среди них являются реки Када со среднегодовым расходом 15 м3/с, реки Ида и Оса со среднегодовыми расходами 3,4 и 3,7 м3/с соответственно (Гета, 1978). Эти реки относятся к Среднеангарскому гидрологическому району. Для их режима характерно весеннее половодье и паводки в теплую часть года, в отдельные годы превышающие половодье (Астраханцев, 1962). Летне-осенняя межень прерывистая, зимняя — устойчивая, низкая. Малые реки с площадью водосбора до 4000 км2 имеют одну волну половодья в весенний период и низкую межень в остальное время года. Реки почти ежегодно промерзают в зимний период и сток на них отсутствует.
Доля бокового притока составляет 33,3% общего притока воды в водохранилище. В период наполнения он составлял 35,0, в период нормальной эксплуатации - 32,5 км при среднемноголетнем значении - 31,1 км [Гидрометеорологический.., 1978]. Внутригодовое распределение стока неравномерно. В зимний период при грунтовом питании рек приток составляет 9,8%. С мая начинается рост бокового притока, достигая в июне максимального значения. В июле и августе боковой приток составляет 50,3% общего притока в водохранилище и является одной из главных составляющих приходной части. Осенний приток равен 21,1% (Гета, 1978). В расходной части преобладает сток из водохранилища через гидротехнические сооружения Братской ГЭС, за год составляющие 93 км .
Балаганское расширение заполняется на 82% водой из Иркутского водохранилища и на 18% водами притоков. В Заярском расширении воды Иркутского водохранилища составляют 78%. Калтукское расширение питается водами рек Оки и Ии. Долоновское расширение и Приплотинпый участок заполнены смешанными водами, состоящими на 2/3 из ангарской воды [Глазунов, 1969].
Водосборная площадь, на которой формируется боковой приток в Усть-Илимское водохранилище, составляет 49 тыс. км". Годовые объемы притока в водохранилище колеблются от 88,47 до 105,71 км3. Среднемноголетний боковой приток составляет 9,0 км ,в многоводные годы происходит его увеличение до 11,6 км , и уменьшение до 8,8 км3 в годы с низкой водностью [Иванов, 1991].
Братское водохранилище, имеющее большую полезную емкость полностью изменило внутригодовое рапределение стока р. Ангары ниже створа Братской ГЭС [Гидрометеорологический.., 1978]. Поступление воды из вышерасположенного Братского водохранилища составляет 98-99% всего поступления. Вклад атмосферных осадков в приходную часть составляет не более 1%. В расходной части преобладает сток через Усть-Илимскую ГЭС (97%) [Воробьева, 1995].
Водообмен играет значимую роль в формировании структуры потоков осадочного материала в искусственных водоемах. По мнению С.Л.Шварцева [Шварцев, 1998; 2005] водообмен определяет геохимическую составляющую среды осадконакопления. В большинстве водохранилищ водообмен осуществляется в результате притока воды с водосбора и стока ее из водохранилища. На участках водохранилищ с транзитными течениями воды обмениваются быстрее, чем в расширениях и заливах. Также быстрее обмениваются воды верхних горизонтов воды водохранилищ. Иркутское водохранилище является транзитным для воды озера Байкал. Водообмен в водохранилище происходит 24-28 раз в год.
Такой же водообмен у Днепродзержинекого водохранилища на р. Днепр, имеющего объем, близкий к объему Иркутского водохранилища и также осуществляющее суточное и недельное регулирование стока Усть-Илимское водохранилище сезонного регулирования имеет небольшой полезный объем, который срабатывается и восстанавливается ежегодно. Братское водохранилище, будучи водоемом многолетнего регулирования, осуществляет водообмен один раз в два года (табл. 12).
Основными факторами, определяющими размах колебаний уровня воды в водохранилище и их периодичность, являются: 1) проектные значения отметки уровня, обоснованные водохозяйственными расчетами, ограничивающие полезный и противопаводковый объемы водохранилища; 2) диспетчерские правила регулирования стока воды через гидроузел; 3) гидрометеорологические и ландшафтные условия формирования стока с водосборного бассейна в разные сезоны и годы с неодинаковой водностью; 5) морфологические особенности ложа водохранилища [Эделынтейн, 1998].
Период аккумуляции стока называется наполнением водохранилища, а процесс отдачи накопленной воды - сработкой водохранилища [Авакян и др., 1987]. Для каждого водохранилища еще на стадии проектирования устанавливаются характерные уровни: ФПУ - форсированный проектный уровень, НПУ - нормальный подпорный уровень, УНС - уровень навигационной сработки, УМО - уровень мертвого объема. ФПУ - отметка, до которой допустимо повышение уровня воды на непродолжительное время в период прохождения высоких половодий редкой повторяемости
Поступление осадочного материала в составе речного стока
Анализ природных условий позволяет сделать заключение, что особенности этих условий оказывают большое влияние на предмет наших исследований - процессы осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада на стадии седиментогенеза. Во-первых, бассейн водохранилищ расположен в южной части Средне-Сибирского плоскогорья и включает также значительную часть северных склонов Восточного Саяна, что определяет геологическое строение водосборного бассейна и береговой зоны водохранилищ, а также характер затопленного рельефа и рельефа прилегающей к водохранилищам территории.
Во-вторых, климат региона с холодным периодом с ноября по апрель, с преобладанием резких колебаний температуры воздуха как между холодным и теплым периодами, так и внутри суточными перепадами, при годом количестве осадков от 320 до 560 мм, способствуют, в условиях периодического подтопления, изменению прочностных свойств пород, слагающих берега водохранилищ. Преобладающее направление ветра северо-западное и западное. Среднемесячные скорости ветра незначительны, составляя 1,7-2,7 м/сек. Ветры со скоростью 10 м/сек и более наблюдаются очень редко. В навигационный период наиболее штормовыми (скорость ветра 8 м/с и более) являются сентябрь-октябрь. Климатические условия рассматриваемого региона способствуют загрязнению атмосферы с последующим выведением загрязняющих веществ в составе атмосферных выпадений на поверхность водохранилищ.
В-третьих, Иркутское водохранилище, осуществляя суточное и недельное и отчасти сезонное регулирование стока, является транзитным для воды озера Байкал. Водообмен в водохранилище происходит 24-28 раз в год. Братское водохранилище, будучи водоемом многолетнего регулирования, осуществляет водообмен один раз в два года, что приводит к интенсивной внутриводоемной трансформации поступающего осадочного материала. Усть-Илимское водохранилище является водоемом сезонного регулирования, имеет небольшой полезный объем, который срабатывается и восстанавливается ежегодно, что способствует самой большей, среди исследуемых водохранилищ, величине взвешенного материала, сбрасываемого в нижний бьеф. Эта величина превышает поступление материала из Братского водохранилища.
С созданием водохранилищ система постоянных течений ослабла, из комплекса гидродинамических движениіі ведущими стали волнения, большую роль начинают играть временные, ветровые течения. Роль гидродинамических факторов в водохранилищах Ангарского каскада проявляется в контроле за абразионными и седиментационными процессами. Однако, на Иркутском водохранилище волновые процессы имеют слабую и умеренную активность. Основным элементом гидродинамики, обеспечивающим миграцию осадочного материала в водохранилище, являются стоковые течения. Наибольшее проявление волновых процессов характерно для Братского и Усть-Илимского водохранилищ. На водохранилищах существуют резкие различия в характере течений прибрежной и глубоководной зон. В зоне прибоя, занимающей при слабом и умеренном волнении часть прибрежной отмели или при максимальном волнении - всю отмель, характер течений определяется волнением. Для глубоководной зоны водохранилищ характерны ветро-волновые и стоковые течения.
В периоды ветроволновой активности в водной толще Ангарских водохранилищ возникает механическая стратификация течений и формирование слоев, отвечающих определенным динамическим состояниям частиц осадочного материала, - слой взмучивания и переноса, слой переноса, слой седиментации. Слой взмучивания и переноса соответствует глубине проникновения волн (волновой базе), перемещение взвешенного материала в большей части слоя происходит по направлению действия волн. В слое переноса осадкообразующий материал перемещается по направлению к плотине, а в слое седиментации происходит его осаждение из вертикальных седиментационных потоков.
В водохранилища Ангарского каскада поступает генетически разнородный осадкообразующий материал. Основными осадкообразующими источниками являются абразионные берега и речные наносы. Изначально литолого-геохимический состав водных масс, поступающих в водохранилища, определяется составом воды озера Байкал и составом воды крупных речных притоков, который в дальнейшем трансформируется под влиянием разнообразных внутриводоемных процессов. В составе водных масс в водохранилища поступают растворенные вещества и взвешенные наносы. Интенсивность их поступления определяется процессами эрозии и денудации в бассейне Ангары и ее притоков, те, в свою очередь, связаны с количеством осадков, уклоном поверхности, геологическим строением и литологическим составом пород бассейна, характером почвенно-растительного покрова. Интенсивность поступления осадочного материала в результате абразионных процессов находится в прямой зависимости от гидродинамических условий (волновой и уровенный режимы), геоморфологических условий береговой зоны и литолого-геохимического состава размываемых пород.
Особенности геологического строения и литологического состава пород водосборного бассейна озера Байкал, рассеяние осадочного материала и его осаждение в озере обусловливают тонкозернистость взвешенного материала, поступающего из озера в головное в каскаде - Иркутское водохранилище.
В течение года приток воды из озера более равномерен, чем сток наносов (рис.7). Увеличение стока воды приходится на летне-осенний период, что связано с паводками на реках, впадающих в Байкал, либо с периодом наполнения водохранилища перед зимой. Наименьше количество воды из озера поступает в феврале (4445-4574 млн.м3) [Гидрометеорологический.., 1980].
