книги из ГПНТБ / Финаров Д.П. Динамика берегов и котловин водохранилищ гидроэлектростанций СССР

УДК 627.81.034

М ' Ш З

В работе освещаются процессы формирования берегов и котло­ вин водохранилищ гидроэлектростанций СССР в связи с задачами охраны природной среды.

Эволюция берегов водохранилищ рассматривается на основании данных натурных наблюдений, выполненных автором и различными организациями, с учетом характера первичного рельефа и природѵ ной среды всей водосборной территории. Выделенные группы во­ дохранилищ по характеру взаимодействия с береговой полосой от­ ражают зонально-провинциальный и региональный характер про­ цессов формирования берегов.

Приведенные данные о развитии различных типов и видов бе­ регов позволяют наиболее обоснованно выбрать тип инженерной за­ щиты или крепления берегов в зависимости от эксплуатационного ре­ жима водохранилищ.

В заключительной части сформулированы рекомендации по

Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность и благо­ дарность проф. А. М. Архангельскому, проф. В. А. Бахтиарову, проф. С. Л. Вендрову, проф. 3. А. Сваричевской, проф. В. В. Шаркову и другим научным ра­ ботникам за полезные советы и критические замечания при выполнении работы.

Вв е д е н и е

ВСоветском Союзе выполняются плановые целенаправленные мероприя­ тия по преооразованпю природы в интересах дальнейшего подъема народного

хозяйства и повышения благосостояния народа. Решениями XXIV съезда КПСС и Постановлением Четвертой сессии Верховного Совета СССР 1972 г. предусматривается разработка научных основ охраны и преобразования при­ роды в целях улучшения естественной среды, окружающей человека. Рацио­ нальное использование и охрана природных ресурсов, а также их расширен­ ное воспроизводство в условиях планового народного хозяйства являются главными вопросами прогнозов преобразования природы, основные принципы составления которых разработаны И. II. Герасимовым [I, 2].

Прогноз изменений природной среды при создании гидроузлов и водо­ хранилищ представляет собой часть общего -прогноза или генеральной схемы, неооходимой для планирования развития народного хозяйства.

Воздействие водохранилищ па природную среду возрастает по мере уве­ личения их численности и объема. Крупные водохранилища объемом более 10 млн. м' , оказывающие большое влияние на природную среду, наиболее ак­

создано большинство крупнейших водохранилищ. О численности и объемах

а также различных справочников и в частности кадастра водохранилищ США, где содержатся сведения но 1840 строящимся 'и эксплуатируемым водохра­ нилищам США с объемом, более 6,2 млн. м3 каждое [6] ц в трудах XI Между­ народного Конгресса по большим плотинам [11].

Полный объем созданных и подготавливаемых в настоящее время 10 тыс. водохранилищ земного шара составляет около 5 тыс. км3, что в четыре раза

превышает объем воды, содержащийся одновременно в реках; площадь вод­ ного зеркала 400 тыс. клг2,

В последнее десятилетие темпы создания водохранилищ особенно воз­ росли в ранее колониальных и отсталых странах. В частности в Африке в по­

чем в С-ССР, и в ближайшее время предполагается в три раза увеличить их полезный объем. Высокие темпы создания водохранилищ в США связаны не только с развитием хозяйства, а обусловлены особенностями природной сре­ ды, определяющими водные ресурсы. Речной сток распределяется неравно­ мерно как во времени, так и территориально. Поэтому водные ресурсы не мо­ гут в естественном состоянии обеспечить потребности хозяйства США.

В СССР, в последние три десятилетия построены водохранилища на круп­ ных реках Европейской части, é Сибири, Закавказье и в Средней Азии. В настоящее время в СССР эксплуатируется 1080 водохранилищ с полным объемом более 1 млн. м3, в том числе 205 водохранилищ объемом свыше

3

50 млн. м3 каждое. В ближайшие 20—25 лет площадь водохранилищ превысит площадь водного зеркала естественных внутренних водоемов.

Размещение водохранилищ на территории СССР очёнь неравномерно. Три четверги суммарной площади водного зеркала и две трети полезного объема всех водохранилищ ГЭС страны приходится на три речных бассейна: Волжско-Камский, Енисейско-Ангарский и Невский. Большинство эксплуа­ тируемых водохранилищ расположено в Европейской части СССР, в Закав­ казье находится 14 водохранилищ, в Средней Азии и Казахстане_13.

В Сибири и на Дальнем Востоке в настоящее время имеется лишь шесть крупных водохранилищ: Красноярское, Братское, Новосибирское, Иркутское, Мамаканское и Вилюйское.

По данным А. Б. Авакяна [5], 76% общей площади водохранилищ и 71% общего полезного их объема приходится на лесную зону, 12% по полезному объему — на степную зону и около 10% — на зону полупустынь. В последнее время возрастает значение водохранилищ в горных районах. Распределение водохранилищ в той или иной природной зоне обусловливает не только их

параметры, но и своеобразные особенности воздействия на природные усло­ вия.

Водохранилища, создаваемые при строительстве гидроузлов являются основой комплексного использования водных ресурсов различными отрасля­ ми народного хозяйства. Для многих крупных водохранилищ ведущим компо­ нентом водохозяйственного комплекса является гидроэнергетика. По ряду водохранилищ ведущим компонентом водохозяйственных комплексов являет­

невозможно без учета процессов формирования берегов и котловин водо­ хранилищ. Как показывает практика создания водохранилищ, проблема фор­ мирования их берегов и котловин имеет большое народнохозяйственное зна­ чение. Прогноз переработки берегов и котловин для наиболее рационального планирования использования береговой полосы при сооружении и эксплуа­ тации водохранилищ представляет собой неотъемлемую часть технического проекта гидроузла. Вместе с тем во многих технических проектах вопросы формирования берегов и котловин водохранилищ рассматриваются недоста­ точно и без учета современных требований охраны природной среды.

в первые годы крупного гидростроительства большинство гидроузлов и водо­ хранилищ создавалось на горных реках в Аппалачских горах (США), Пире­ неях (Франция), Альпах (Западно-европейские страны). В горных водохра­ нилищах очень часто преобразование их котловин совершается вследствие ин­ тенсивного проявления процессов заиления и занесения. Многие водохранили­ ща за несколько десятилетий были полностью занесены наносами: Рузвельт, Заалах, Кварт, Мак-Киней, Паролес и другие [7, 8].

Поэтому на первый план выдвигались задачи изучения процессов заиле­ ния и занесения водохранилищ. Вместе с тем на горных водохранилищах в связи со значительной крутизной и высотой склонов и большими колебаниями уровней водной поверхности .наиболее интенсивные деформации склонов происходили в виде оползней и обвалов. Поэтому в зарубежной практике нашли широкое применение методы исследований устойчивости откосов и склонов с позиций механики, С другой стороны, на водохранилищах равнин­ ных рек, например, Миссисипи и Миссури, Рейне, Сене и других для защиты от размыва земель и различных строений созданы большие защитные соору­ жения [9, 239].

Известно, что в СССР наряду с созданием горных водохранилищ, основ­ ное гидротехническое строительство, особенно после Второй мировой войны, развернулось на крупных равнинных реках, где первостепенными стали во­

4

просы переформирования берегов, а заиление и занесение котловин большей частью не имело существенного практического значения. Следовательно, сло­ жились два главных направления в исследованиях, по-существу, единого про­ цесса преобразования котловин водохранилищ: заиление и занесение, харак­ терное для горных и предгорных водохранилищ и переформирование берегов.. В иностранной литературе аналогично отечественной устойчивость берегов во­ дохранилищ освещается в динамическом и статическом отношении. Факторы, определяющие динамику или переформирование берегов водохранилищ, под­ разделяются на внешние и внутренние. К внешним факторам Липп, Бентии и другие относят ветровое волнение, течения, осадки, грунтовые воды, колеба­ ния температуры, а также влияние животных и человека [9].

Строение берегов и физико-химические свойства горных пород относятся к внутренним факторам. Ветровое волнение считается основной разрушающей силой берегов водохранилищ. Для расчета элементов волны в США приме­ няются различные эмпирические формулы (Молитора, Кригена, Вольфа, Бретшнайдера и др.), учитывающие^ скорость ветра, длину разгона волны, глубину воды и продолжительность действия ветра, выраженную в часах. В работе о методах крепления откосов отмечается, что высота волны, вычисленная по

упомянутым формулам, является ориентировочной и чаще всего заниженной

{9].

Среди немецких исследований выделяется работа Фольбрехта [12] о ди­ намике берегов бесприливных морей, где рассматривается изменение береговой линии и зависимость размыва берега от угла подхода волн. Отмечается, что наибольший размыв берега наблюдается при подходе волн под углом 45°. Среди зарубежных исследователей нет единого мнения о характере формиро­ вания отмели. Так, английский исследователь Р. Багнольд [9] на основании экспериментального материала доказывает, что уклон отмели не зависит ни от высоты волн, ни от глубины воды, а определяется размерами зерен горных пород, слагающих берега. Он установил также, что ширина отмели зависит от начального профиля берега. При более пологом береге образуется более широкая отмель, а при разрушении очень крутых берегов отмель вообще не образуется: грунт сползает до дна под углом естественного откоса. Л. И. Телушко [9] при обобщении зарубежного опыта отмечает, что для составления прогнозов переформирования берегов водохранилищ в США применяются преимущественно методы аналогии, основанные на натурных наблюдениях. Фьюгейт в работе «Определение пределов эрозии берегов бассейна'» на основании данных исследований водоема на р. Сан-Джасинто (Техас) разра­ ботал график для определения ширины отступания берега. Предложенный метод имеет местное значение, так как учитывает небольшое разнообразие горных пород и совсем не учитывает неволновые процессы.

В зарубежной литературе в связи с созданием водохранилищ в горных условиях и запросами практики гидростроительства широкое освещение полу­ чили методы, разработанные в механике. Анализ этих методов выполнен у нас в СССР Р. Р. Чугаевым [15]. К наиболее поздним зарубежным работам этого направления относится статья Dobos-z Waclaw и Thiel Kazimierz [16], где в качестве расчетных методов определения устойчивости откосов рекомен­

Б. С. Бурман [17] рассматривают устойчивость откосов и твердой трещинова­ той скале как зерни£том материале. Разница в поведении песка и трещинова­ той скалы показана как результат различной мобильности частиц. Анализ на­ рушения устойчивости берегов водохранилищ (образование оползней) содер­ жится в трудах IX и X Конгрессов по большим плотинам [237, 238].

формирования берёгов водохранилищ успешно применяются’ с некоторыми уточнениями методы, разработанные советскими исследователями (Г. С. Зо­ лотарева, Е. Г. Качугина, Н. Е. Кондратьева и др.). Обмен опытом эксплуа­ тации водохранилищ наиболее активно происходит путем выполнения сов­

5

местных исследований по линии СЭВа. В 1968 г. при участии автора прово­ дилась работа по исследованиям, связанным с созданием водохранилищ. В этой работе принимали участие исследователи из Венгрии, Болгарии и Юго­ славии. В последнее время опубликованы статьи по оценке рельефа в связи с сооружением водохранилищ [18] и проблематике инженерной геоморфологии

о формировании берегов водохранилищ разрабатывались с использованием за­ кономерностей процессов, происходящих на берегах морей и озер. Такой под­ ход обеспечивал, особенно на первых порах строительства гидроузлов и во­ дохранилищ, решение практических вопросов прогнозирования процессов, возникающих в береговой зоне вновь создаваемых искусственных водоемов. Вместе с гем накопленный обширный материал натурных наблюдений на соз­ данных водохранилищах показывает, что формирование их берегов весьма существенно отличается от вековых процессов развития берегов морей и озер. Формирование берегов водохранилищ даже за период в 100 лет, принимаемый многими исследователями за конечную стадию практического значения, пред­ ставляет собой очень короткий промежуток времени по сравнению с последним послеледниковым временем формирования морских берегов. Между тем прак­ тические запросы прогнозирования процессов переформирования берегов во­ дохранилищ обычно ограничиваются периодами в 10, 25, 50 и реже 100 лет. Своеобразие формирования берегов водохранилищ обусловлено также осо­ бенностями их эксплуатационного режима, который существенно отличен от колебаний уровней морей и озер.

Следует отметить, что в последнее время благодаря работам С. Л. Вендрова [20, 21, 22], Г. С. Золотарева [23, 24, 25], И. А. Печеркина [26], и других наметились существенные изменения во взглядах на процессы формирования берегов водохранилищ. Наряду с признанием ведущей роли абразионных про­ цессов на равнинных водохранилищах в определенных условиях установлена определяющая роль неволновых процессов на горных долинных водохранили­ щах, где условия для развития ветрового волнения весьма ограничены. В работах Н. Г. Варазашвили [27, 28, 29, 30] и Е. Е. Минервиной [31. 32], по­ казана ведущая роль эксплуатационного режима и особенно колебании уровня в проявлении процессов формирования берегов на горных водохранилищах.

Тем не менее рельефообразующая роль водохранилищ исследована еще недостаточно. Многими исследователями формирование нового рельефа кот­ ловин водохранилищ рассматривается в отрыве и без учета генезиса исход­ ного рельефа. Как известно, сооружение водохранилищ в СССР ведется в различных частях обширной территории нашей страны, в различных гео­ графических зонах и их провинциях. До настоящего времени не исследовано влияние зонально-провинциальных условий природной среды па формирование берегов водохранилищ. В связи с этим автор поставил своей задачей в опре­ деленной мере восполнить этот пробел. В настоящем исследовании, выпол­ ненном преимущественно с позиций геоморфологии и комплексной физиче­ ской географии, рассматриваются изменения форм рельефа берегов и кот­ ловин водохранилищ, а также влияние исходного рельефа и зонально-про­ винциального характера природной среды на формирование нового рельефа берегов и котловин водохранилищ. Автором впервые ставится задача обоб­ щить имеющиеся материалы по геоморфологии берегов и котловин водохра­ нилищ СССР и наметить пути их эволюции.

Большое внимание в работе уделено берегам, формирование которых про­ исходило при ведущей роли неволновых процессов. Анализ развития таких берегов позволил выделить водно-гравитационную генетическую группу.

Геоморфологические проблемы изучения водохранилищ объединяются ав­ тором в две основные группы:

1)образование и эволюция исходных котловин водохранилищ;

2)рельефообразующая роль водохранилищ и переформирование их исход­ ных котловин.

Внастоящей работе рельефообразующая роль водохранилищ рассмат­ ривается с учетом генезиса и эволюции рельефа исходных котловин водохра­

6

нилищ, так как направленность формирования берегов-и всей новой котло­ вины предопределена характером первичного рельефа.

В основу исследований процессов формирования берегов водохранилищ автор положил анализ геоморфологических изменений берегов водохранилищ, основываясь на выделении определяющего условия и ведущего процесса. Та­ кой подход позволил выделить генетические группы, а также типы и виды берегов. Путем анализа геоморфологических изменений удалось установить, что берега водохранилищ в своем, развитии проходят несколько стадий раз­ вития.

Исследование стадиального и циклического характера формирования аб­ разионных берегов водохранилищ является одной из основных задач иссле­ дования. При этом заметим, что кроме стадии динамического равновесия, установленные стадии формирования берегов крупных водохранилищ в отли­ чие от морских берегов, находящиеся в периоде установившегося режима раз­ вития, отражают период неустановившегося режима развития. Направленные необратимые изменения рельефа играют ведущую роль и несравненно больше сезонных изменений, являющихся господствующими в период установившегося режима развития.

В работе поставлена задача исследовать не только стадиальное развитие различных типов берегов, а также стадиальное развитие котловин водохрани­ лищ в целом.

Кроме того, накопленные материалы натурных наблюдений позволяют в меру имеющихся возможностей осветить фациальные особенности отложений, формирующихся в водохранилищах.

В связи с изложенным возникла необходимость разработать некоторые понятия, отражающие специфические особенности формирования берегов во­ дохранилищ, и предложить метод прогнозирования этих процессов, основы­ ваясь на применении геоморфологических моделей.

Разумеется автор не умаляет значения научной .теории морских берегов,

ных долин для проведения определенных аналогий и при выяснении направ­ ленности процессов взаимодействия литосферы, атмосферы, гидросферы и био­ сферы в береговой зоне водохранилищ. Установление характера развития бе­ рега в прошлые геологические эпохи позволяет с учетом проектируемого гид­ рологического режима установить направленность развития берега при соз­ дании водохранилища, правильно составить прогноз его развития, наметить тип защитных сооружений.

Переформирование берегов водохранилищ выражается в значительной трансформации береговой полосы, перемещений береговой линии в глубь при­ легающей территории, а иногда наоборот — в акваторию водоема. При форми­ ровании берегов изменяется или перерабатывается не только профиль берега, но и его плановые очертания. На водохранилищах СССР абразионной перера­ боткой затронуто от 10% (Рыбинское) до 60—85—90% (Куйбышевское, Ка­ ховское, Чардаринское и др.) и ополэнево-абразионной до 10—12% длины бе­

реговой линии.

Развитие берегов водохранилищ и их морфология определяется на весь период неустановившегося режима характером соотношения первичного рель­ ефа и уровенного режима нового водоема, плановым строением берега, лито­ логическим составом и физико-механическими свойствами пород, слагающих первичный рельеф, его уклоном, а также направленностью развития и генези­ сом рельефа, существовавшего до создания водохранилища.

Положение об определяющей роли уклона и строения подводной части рельефа, установленное для морских берегов, в настоящее время пересмотре­ но и уточнено. Развитие морских берегов, как и берегов водохранилищ, рас­ сматривается с учетом баланса наносов, играющих местами главную роль

внаправленности их эволюции [37].

Вусловиях водохранилищ взаимодействие водной массы и берега во многом определяется направленностью развития рельефа береговой зоны до создания нового водоема, а характер уклона не всегда определяет развитие

7

берегов. Однако это положение остается приемлемым для большей части абразионных берегов водохранилищ в первые стадии развития не только в связи со значительным расчленением первичной береговой линии и обра­ зованием непропусков вдольбереговых потоков наносов, а также характе­ ром волновой абразии при отсутствии отмелей значительной ширины. Обычно в условиях водохранилища происходит активизация оползней, интенсивное развитие обвально-осыпных и других процессов. При этом автор рассматри­ вает первичный рельеф берегов и котловин водохранилищ и слагающие его породы как целостные естественно-исторические тела, представляющие части морфоструктуры и морфоскульптуры (по И. П. Герасимову, Ю. А. Мещеря­ кову). Искусственный отрыв рельефа от слагающих его пород и структурных образований неминуемо приводит к снижению геоморфологического анализа и на первый план выдвигаются горные породы, которые по мнению ряда ис­ следователей определяют формирование новых берегов водохранилищ. В та­ ком случае берега водохранилищ, по-существу, уже не могут рассматриваться как формы рельефа.

Взаимодействие водной массы и берегов водохранилища происходит при значительных колебаниях уровня, достигающих на равнинных водохранилищах 6—10 м, а на горных — 70—80 м. Такие значительные колебания уровня су­ щественно влияют на характер формирования новых берегов.

Другое отличие от морских берегов состоит в том, что первичный рельеф береговой зоны водохранилищ окончательно сформировался в субаэральных условиях. Поэтому при наполнении водохранилища первичный рельеф и сла­ гающие его породы как определенная система претерпевают коренные изме­ нения и вынуждены прийти в соответствие с новыми условиями. Возраст нового водоема в отличие от прибрежной территории оказывается чрезвычайно «мо­ лодым», ни в какой мере не сравнимым с рельефом побережий морей, сформи­ ровавшихся в условиях постоянного взаимодействия водной массы и берега.

Следовательно, возрастные особенности территории, влияние которых на все стороны ландшафта установлено А. М. Архангельским (1955), определяют активность взаимодействия рельефа береговой зоны и водоема. Изменения рельефа береговой зоны, связанные с возрастом водоема, С. Л. Вендров [20] считает направленными, которые с течением времени постепенно ослабевают. Кроме того, имеются более устойчивые сезонные изменения, вызываемые се­ зонным и многолетним уровенным режимом и стоковыми течениями.

Создание водохранилищ приводит к нарушению равновесия, установив­ шегося в природной среде, что отличает их от естественных пресноводных во­ доемов.

Вместе с тем значительная верховая часть водохранилищ сохраняет, черты речного режима, что существенно влияет на формирование берегов. При нор­ мальном подпорном уровне часть верховой зоны подвергается воздействию волновой абразии. Сработка водохранилища приводит к осушению значи­ тельной территории в верховой зоне, переформирование берегов происходит под воздействием русловых процессов.

Переформирование берегов и котловин водохранилищ происходит в изме­ няющихся условиях и состоит из ряда взаимосвязанных процессов.

Автор выделяет следующие основные условия формирования берегов и котловин водохранилищ.

1. Ландшафтные условия, определяющие характер формирования стока

иэрозионные процессы на всей водосборной территории.

2.Геоморфологические условия котловины водохранилища: история и направленность развития рельефа, возраст рельефа, морфология котловины (особенности планового строения, глубина и т. п.), характер распределения современных рельефообразующих процессов по элементам рельефа. Автор

различает котловину водохранилища и ее основные морфологические эле­ менты:

которую образует ложе и затопленные склоны долины или озерной котловины;

8

в) надводные склоны образуют надпойменные террасы и коренные склоны долин или озерных котловин.

3.Геологическое строение котловины; литологический состав и физикомеханические свойства горных пород, условия залегания, состояние выветрелости пород и т. п.

4.Гидрогеологические условия, определяющие обводненность горных по­

род, суффозионные процессы и развитие современных геологических процес­ сов.

5.Климатические условия (количество осадков и их режим, колебани і температуры, длительность безморозного периода).

Этими условиями определяется характер проявления процессов фор­ мирования берегов и котловин водохранилищ:

1)сток и эрозионные процессы на всей водосборной территории;

2)эксплуатационный режим водохранилища, колебания уровня воды (эксплуатационные, периодические и сезонные климатические, сгонно-нагон­ ные и др.);

3)абразионно-аккумулятивные процессы в береговой зоне, заиление ., занесение;

4)течения;

5)деятельность грунтовых вод;

6)склоновые процессы в котловине (обвальные, осыпные, оползневые, солифлюкционные и др.);

7)выветривание;

этом в различных условиях и на разных стадиях развития берегов .изменяются ведущие процессы, определяющие облик берега. На крупных равнинных водо­ хранилищах в условиях первичных обвально-осыпных и делювиальных скло­ нов в первые стадии развития ведущим является ветроволновая абразия. Интенсивность переформирования денудационно-абразионных берегов, сло­ женных устойчивыми размыву породами, определяется скоростью выветри­ вания горных пород.

На малых горных и узких каньонообразных водохранилищах определяю­ щим процессом переформирования берегов является колебание уровня, дости­ гающее 70—80 м. В таких условиях преобладает оползневое переформиро­ вание [29]. В районах, охваченных многолетней мерзлотой, на большей части береговой линии получают развитие термоабразионные и солифлюкционные процессы.

Переформирование закарстованных берегов определяется процессами раст­ ворения горных пород, слагающих надводную и подводную часть склона [26]. В определенных условиях ведущими становятся плывунные процессы. При­ мером может быть берег у п. Артумей на Братском водохранилище, где пере­ формирование в период первоначального наполнения совершалось при веду­ щей роли активизировавшегося плывуна. Переформирование берега (отсту­ пание бровки) здесь за период первоначального наполнения достигло 759 м, что несравненно больше других мест, охваченных обвально-абразионными процессами.

Следовательно, ведущим процессом при одном первичном рельефе являет­ ся волновая абразия, а при другом его характере — оползневые, плывунные, денудационные, термоабразионные и солифлюкционные процессы. Поэтому при последующем изложении освещаются условия переформирования берегов,

9