10903

при НПУ).

Т а б л и ц а 16.5

Типы берегов водохранилища Усть-Среднеканской ГЭС и прогнозные величины их переработки

Условия развития берегов водохранилищ области вечной мерзлоты отличаются от условий развития берегов арктических морей [26; 27], поэтому известные методы прогноза разрушения морских берегов [95; 351; 353; 513;] напрямую применить к берегам водохранилищ не удается.

В ННГАСУ, начиная с 1990-х гг., делались практические шаги по формализации, математическому описанию, разработке инженерных моделей и автоматизации расчетов переформирования берегов водохранилищ, сло-

женных вечномерзлыми породами [573; 576; 580; 581; 585; 587; 595; 692; 693], и сегодня доступно моделирование термоабразионных (и термокарстовых) берегов водохранилищ криолитозоны с помощью современных вычислительных средств. В том числе: энергетическим методом на многолетний срок по среднегодовым гидрологическим и климатическим данным [580; 584; 585; 586] и за один безледоставный сезон с учетом штормовой погоды [691; 693]; адаптивным (вероятностным) методом в продолжение береговых деформаций, измеренных в предшествовавший период эксплуатации водохранилища [188]; то же методом фрактального анализа [601].

При обосновании проектов водохранилищ требуется прогнозировать берегопереформирование на конечную стадию, главным образом для потен-

40

циально возможного изъятия земель на обозримую перспективу [263]. Понятие конечной стадии переформирования (или предельного состояния) мерзлого берега водохранилища весьма условно. В первом приближении можно считать, что профиль берега получит предельное состояние, когда полностью протает просадочная толща пород основания и подводная поверхность примет уклон устойчивой отмели, рассуждая, что после этого продукты разрушения не смогут растекаться по дну и начнут скапливаться у подножия берегового уступа, открывая начало процессу термоденудационного выполаживания последнего. Известен тезис о возможности неограниченного теплового разрушения берегов [26]. Он был изначально выдвинут в отношении арктических морей. Считается, что процесс термоабразии, характерный для их побережий, начавшись, по-видимому, около 6 тыс. лет назад, будет продолжаться, по крайней мере, до следующего похолодания климата, и термоабразионные берега все это время будут отступать. Правда, и в этом случае обнаруживается стремление морфодинамической системы «волны – рельеф дна» к равновесию, проявляющемуся в снижении уровня динамических воздействий вследствие выполаживания береговой отмели [352]. Таким образом, данный тезис не препятствует пользоваться условным понятием предельного состояния профиля берега водохранилища, определяемого уклоном волноустойчивой отмели.

16.5.Примеры переформирования термоабразионных берегов водохранилища

Вилюйское водохранилище. Расположено в восточной окраине Вилюйского траппового плато на расчлененной слабо холмистой территории с абсолютными отметками 350 – 400 м. Средняя многолетняя температура воздуха в районе от –7,5 оС (Туой-Хая) до –10,4 оС (Сюльдюкар), самая низкая наблюдается в январе (–30,9 оС), самая высокая – в июле (+17 оС).

Вечномерзлые породы имеют мощность 300 – 500 м. Данные о геокриологической обстановке базируются на исследованиях, проведенных лишь в районе створа Вилюйской ГЭС, и характеристики мерзлой толщи по длине водохранилища могут меняться. Среднегодовые температуры пород в нижних частях склонов достигают – 6…7 оС, повышаясь к водоразделам до –1 оС. Мощность снежного покрова не превышает 0,5 – 0,7 м.

41

Водохранилище имеет сложное очертание в плане и представляет собой чередование озеровидных расширений и каньонообразных участков (см. рис. 10.2). Площадь его водной поверхности 2 170 км2 при НПУ = 244,0 м БС, площадь затопления земель – 1 112 км2, из которых на зону периодического затопления приходится около 700 км2 при величине сработки уровня 8 м. Водохранилище заполнялось с 1967 г. по 1973 г., с тех пор эксплуатируется в нормальном режиме. Ветровой режим зоны водохранилища изучался на стационаре Вилюйской НИМС. Данные наблюдений за три безледных сезона (1972 – 1974 гг.) показали, что при продолжительности наблюдений 120 суток в сезон количество дней с ветрами было 99,7 (83 %). Преобладали слабые ветры 1 – 2 м/с (50,8 %), 3 – 5 м/с (33,5 %). Доли более сильных ветров следующие: 6 – 8 м/с – 11,7 %, 9 – 11 м/с – 3,2 %, 12 м/с и более – 0,8 %. Больше всего дней с ветрами в сентябре и октябре. Штормовые ветры наблюдались 1 – 2 раза за сезон, главным образом осенью и в начале лета. В 1972 г. отмечены два шторма при скоростях ветра 15 – 17 м/с, в 1973 г. аналогичный шторм был один раз, а в 1974 г. наблюдался шторм при ветре 12 – 14 м/с. При штормах происходили наиболее заметные разрушения берегов водохранилища. Наибольшая толщина льда зафиксирована 14 мая 1974 г. в центральной части водохранилища – 107 см, средняя толщина льда 92 см [254].

Первые исследования берегов Вилюйского водохранилища были выполнены в период его заполнения летом 1968 г. В.М. Широковым [715]. В Ахтарандинском, Дуранинском, Кусаганском, Усть-Чонском и Чонском расширениях ВНИМС оборудовала 17 наблюдательных участков (см. рис. 10.2), где выборочно по профилям измерялась берегопереработка в 1972, 1978, 1982, 1983, 1984, 1985 гг. На базе топографической карты масштаба 1:100 000, полевых исследований, теоретических разработок Д. П. Финарова [673] и А. И. Ермолаева [220] берега были систематизированы по геологическому строению (см. рис. 16.25), сделана их типизация по группам (нейтральные, аккумулятивные, термоденудационные, термоабразионные термокарстовые) и зафиксировано состояние после десятилетия нормальной эксплуатации водохранилища (табл. 16.6).

В августе–сентябре 2011 г. ННГАСУ при организационном содействии ВНИМС экспедиционным порядком были проведены инструментальные измерения береговых профилей на участках № 1 – 7 (см. рис. 10.2), позволившие продлить ряды наблюденных прежде параметров берегопереформирования.

42

Т а б л и ц а 16.6

Показатели берегов Вилюйского водохранилища после десятилетия его нормальной эксплуатации по данным ВНИМС, см. рис. 16.25 [254]

Ниже помещены характерные примеры развития термоабразионных берегов водохранилища на этих участках [103; 104].

Участок № 6. Расположен на правом берегу Кусаганского расширения вблизи гидропоста Кусаган (рис. 16.41). Берег со склоном северной экспозиции крутизной 1– 6о сложен аллювиальным мелким песком, обвальноосыпной термоабразионный. Измерения профилей берега проводились по 5 поперечникам. Результаты по двум из них представлены на рис. 16.42 и в табл. 16.7. В этих створах бровка образовавшегося термоабразионного уступа за 1972 – 2011 г. продвинулась в сторону суши на 34,2 – 27,8 м от первоначального уреза НПУ. Прогноз энергетическим методом показал, что к 2021 г. она еще отступит на 2,7 – 2,3 (см. табл. 16.7).

Термоабразионный процесс на участке № 6 с типичной для Вилюйского водохранилища наблюденной картиной отступания бровки берега подвергался анализу и прогнозу адаптивным методом [188]. Результат (рис. 16.43) определенно указал на продолжение замедления скорости термоабразии по мере увеличения длины береговой отмели (в стационарных климатических условиях). Если в течение последних 25 лет (1985–2011 гг.) средняя

43

скорость отступания бровки берега на участке была 0,32 м/год, то в следующие 20 лет она ожидается 0,24 м/год.

Т а б л и ц а 16.7

Наблюденные (1972 – 2011 гг.) и прогнозные (2011 – 2021 гг.) характеристики переформирования берега Вилюйского водохранилища на участках № 6 и № 7

Участок № 7. Находится на правом берегу Кусаганского расширения водохранилища в 200 м от устья Усть-Чонской трубы (рис. 16.44). Склон юго-западной экспозиции, крутизна его от 5о до 11о. Берег сложен сильно выветрелыми известняками и песчаниками (карбонатные породы ордовика), обвально-глыбовый термоабразионный. На участке один наблюдательный створ, данные по которому приведены на рис. 16.45 и в табл. 16.7. Береговая отмель абразионного типа. Размываемые породы под воздействием преобладающего ветрового волнения юго-западного направления выносятся в Усть-Чонскую трубу и отлагаются на больших глубинах. Отступание бровки берегового обрыва к 2011 г. составило 33,6 м, а к 2021 г. бровка может продвинуться еще на 4 м вглубь суши (см. табл. 16.7).

Из полученных данных по участкам № 1 – 7 [103; 104] следовало, что наблюденные средние скорости разрушения термоабразионных берегов Вилюйского водохранилища за многолетний период эксплуатации (1972 – 2011 гг.) составили 0,35 – 1,41 м/год. Если обратиться за сравнением к материалам раздела 14.5, то можно усмотреть, что эти скорости сопоставимы с одноименными скоростями разрушения абразионных берегов Горьковского (0,7 – 1,3 м/год за 1957 – 2010 гг.) и Чебоксарского (0,2 – 1,2 м/год за1981 – 2011 гг.) водохранилищ. Хотя инфологические модели процессов частично разные, большого противоречия между ними нет. По прогнозным

44

Рис. 16.41. Термоабразионный обвально-осыпной правый берег Вилюйского водохранилища на участке № 6 в Кусаганском расширении, сложенный мелкими песками. 2011 г.

Рис. 16.42. Наблюденные профили термоабразионного берега Вилюйского водохранилища на участке № 6 в створах № 1 и № 2 в Кусаганском расширении за период эксплуатации 1972 – 2011 гг.

45

Рис. 16.43. Графики наблюденного отступания бровки термоабразионного берега Вилюйского водохранилища на участке № 6 (ломаные линии) и адаптивная модель динамики процесса (плавная линия)

Рис. 16.44. Термоабразионный правый берег Вилюйского водохранилища на участке № 7 в Кусаганском расширении вблизи Усть-Чонской трубы

Рис. 16.45. Наблюденные профили термоабразионного берега Вилюйского водохранилища на участке № 7 в створе № 1 вблизи устья Усть-Чонской трубы

46

Рис. 16.46. Гидрологические данные по участку № 6 берега Вилюйского

водохранилища: H – высота волн, пунктиром – шторм обеспеченностью 25 %; ϴ – угол подхода волн к берегу; Zув – уровень воды; t – время

А. При среднемноголетних волновых условиях

Б. С включением в расчет шторма

Рис. 16.47. Иллюстрация расчетного переформирования берега Вилюйского водохранилища на участке № 6 в створе № 2 за летний период без учета и с учетом шторма

47

Рис. 16.48. Долина р. Вачи на Патомском нагорье [14]

Рис. 16.49. Мерзлотные условия долины р. Вачи

Рис. 16.50. План водохранилища на р. Ваче: 1 – 1 створ гидроузла; 1 – граница

переформирования берега за 15 лет; 2 – то же за 100 лет

48

оценкам средние скорости линейной переработки берегов Вилюйского водохранилища за 2011 – 2021 гг. уменьшатся до 0,35 – 0,50 м/год. Причем, наименьшим разрушением в прошлом и будущем подвержены участки берегов, сложенных мелкими песками, а наибольшим – сильновыветрелыми известняками и песчаниками.

При незначительной протяженности размываемых берегов в 320 км или 13 % длины береговой линии (см. табл. 16.6) берегопереформирование на Вилюйском водохранилище не приводит к ощутимой потере земель в береговой зоне и прогнозирование термоабразии берегов представляет скорее научный, чем практический интерес [103: 104].

Для участка №6 в Кусаганском расширении водохранилища проводилась расчетная оценка переформирования мерзлого берега с выработкой термоабразионной ниши за период штормовой погоды [693]. За исходные брались береговые профили на 1982 г. (см. рис. 16.42). Расчет выполнялся на период одного безледоставного сезона, для двух вариантов волновых условий: в первом – на основе среднемноголетних сведений о ветре; во втором в расчет добавлялся шторм с обеспеченностью скорости ветра в режиме 25 %, приходящийся на сентябрь (рис. 16.46). Результаты проиллюстрированы формирующимися в течение расчетного периода профилями берега в створе №2 (рис. 16.47). При уровнях воды ниже НПУ = 244,0 м БС в основном идет перестройка прибрежной отмели, при повышении уровня начинает вырабатываться термоабразионная ниша. Ее глубина к концу расчетного периода может составить 2,7 м. Такие ниши, появлявшиеся за один летний сезон, многократно наблюдались в берегах Вилюйского водохранилища [254].

Водохранилище на р. Вача. Гидроузел расположен на севере Иркутской области, проектировался ОАО «Ленгидропроект» в 1990-х гг., береговые процессы прогнозировались в ННГАСУ [587].

В районе гидроузла (рис. 16.48) среднегодовая температура воздуха – 5,5 ºС. Основание и берега долины реки сложены супесями с гравием и галькой, подстилаемыми на глубине 20 м глинистыми сланцами. Мощность вечной мерзлоты около 40 м, температура на глубине затухания годовых колебаний –1,2…–1,4 ºС. При ширине реки около 50 м под руслом и поймой существует сквозной талик шириной 200 м (рис. 16.19). Проектная длина береговой линии водохранилища по урезу НПУ 7,6 км. Берега на всем протяжении термоабразионные. При среднемесячных скоростях ветра 1,1 – 1,2 м/с и незначительном волнении на водохранилище термоабразия берегов ожидалась как процесс чисто тепловой. Уровень водохранилища в течение

49