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

В условиях первоначального наполнения н нормальной эксплуатации во­ дохранилища во время сработки уровня горные породы переходят во взвешен­ ное и плывунное состояние в связи с возникновением грунтового потока, на­ правленного в сторону откоса.

Анализ материалов показывает, что в развитии обвально-плывунных бе­ регов можно выделить две фазы, образующие цикл их развития:

1) фаза водонасыщения и перехода грунта в плывунное состояние, что наиболее активно проявляется при наполнении водохранилища;

2) фаза обвально-плывунная, когда берег интенсивно разрушается при завершении наполнения водохранилища или при его сработке. .

Приведенные данные позволяют считать, что плывунные процессы полу­ чат развитие вглубь береговой полосы до места выклинивания кривой под­ пора, когда будет достигнуто равенство гидравлического градиента, веса ске­ лета породы в воде и давления толщ горных пород выше зоны фильтрации.

Следовательно, при составлении прогноза зоны переработки обвально-плы­ вунного берега необходимо определить положение кривой депрессии подпора грунтовых вод и по ее положению определить искомое место затухания плы­ вунных процессов. Для расчета кривой подпора подземных вод можно реко­ мендовать методы Н. Н. Биндемана и Н. Н. Веригина [111]. После этого на линии кривой подпора можно рассчитать место равенства гидравлического градиента, веса скелета грунта в воде и давления толщ горных пород, рас­ положенных выше фильтрационной зоны.

При превышении правой части равенства над величиной гидравлического градиента в переформировании берега начинают преобладать процессы, обус­ ловленные волновой абразией. Примером, подтверждающим это, является раз­ витие берега у п. Артумей после завершения первоначального наполнения водохранилища.

В 1968 г. развитие берега у п. Артумей происходило по оползнево-плы­ вунному типу. Максимальное отступание бровки берега составило 50 м. Глу­ бина захвата оползня наблюдалась до глубины 14—15 ж, что значительно больше глубины размывающего действия волн. Объем размыва за год со­ ставил 425 и 1180 ж3/(ж, что в 4—10 раз меньше величины размыва в период первоначального наполнения [112].

В конце безледоставного периода 1968 г. сформировалась небольшая от­ мель волнового происхождения шириной 8—13 м с уклонами пляжа 8°30'—

абразионное, где обрушение берега происходило с захватом всего берегового

мели до уреза воды, уклон 26°. Превышение НПУ над внешним краем отмели 2,3—2,6 м; 4) отмель, формирующаяся под действием волнения, ширина ко­ торой увеличивается от начала к концу навигации. В 1969 г. в конце июля ши­ рина ее была 4 ж, а в конце безледоставного периода увеличилась до 15 ж. Уклон пляжа отмели от 8°30/ до 26°.

1 Установленные геоморфологические элементы свидетельствуют о преоб­ ладании в 1969 г. абразионных процессов и подтверждают зависимость абра­

зии от уровенного режима.

На участке абразионного развития происходил размыв отмели, сформи­ ровавшийся в 1968 г. Величина отмели за 1969 г. уменьшилась с 13,5 до 4,4 ж. Объем размытого песка за год составил 24,3 ж3/ж, объем аккумуляции — 10,4 ж3/ж. Коэффициент аккумуляции — 0,43 (рис. 24).

75

Рис. 24. Переформирование берега у п,- Артумей в 1968 и 1969 гг. [112]

76

ским составом слагающих пород и уровепным режимом водохранилища. Наи­ более интенсивное развитие получают обвально-осыпные берега, сложенные лессовидными суглинками, супесями и песками.

Обвально-осыпные берега в отличие от абразионных характеризуются от­ сутствием отмелей и сортировки обрушенного материала у подножья склона.

Вразвитии этих берегов выделяются стадии:

1)интенсивного обрушения надводной и подводной части склона;

2) обрушения и выполаживания надводной части склона, выполаживания его подводной части;

Рис. 25. Стадии развития обвально-осыпных берегов в заливах водо­ хранилищ

берега в предыдущую стадию; 2—профиль берега при завершении стадии; 3-фация обвально-осыпных отложений в первую стадию развития склонов; 4—фация обвальноосыпных отложений во II и III стадии развития склонов.

Наибольшие обрушения происходят в период первоначального наполне­ ния водохранилища и в первые годы нормальной эксплуатации. Нарушение устойчивости склона в приурезовой зоне происходит вследствие размокания, растворения и гидратации горных пород.

Циклические переформирования сводятся к следующим основным фазам: 1) ослабление приурезовой части склона, образование трещин и отседание бло­ ков; 2) обрушение и образование осыпи; 3) разМокание, растворение и выполаживание подводной части склона.

Наибольшее число циклов переформирования отмечается в первую стадию. «Шаг» обрушения склона зависит от его высоты, крутизны и литологического состава слагающих пород. Максимальная ширина «шага» обрушения в первую стадию развития достигает обычно 4—6 м.

Величина отступания бровки берега, сложенного лессовидными супесями, составляет 1/3 Н (Н — глубина балки или оврага) при уклоне первичного откоса от 35 до 65°.

\

77

Г л а в а V.

БИОГЕННЫЕ БЕРЕГА И ВСПЛЫВАНИЕ ТОРФЯНИКОВ

В настоящей разделе представляется воЗійожным рассмотреть рельефооб­ разующую роль растительны* организмов и всплывание торфяников. На рав­ нинных водохранилищах лесной, лесостепной и степной зон зарастание мелко­ водий происходит в основном в заливах и других местах, где отсутствует волноприбойная зона. Вместе с тем на значительных участках берегов ряда водохранилищ растительный покров успешно противостоит волновой абразии. В таких местах происходит нарастание берега вследствие активного развития растительного покрова.

Значительные участки берегов на днепровских водохранилищах, где за­ росли высшей растительности, развиваясь у ранее размываемых абразионных берегов, полностью гасят ветровые волны и предохраняют берега от даль­ нейшего разрушения. Значительные участки нарастающих берегов за счет раз­ вития растительности выявлены на левобережье Киевского, на Кременчугском и Каховском водохранилищах [113].

Формирование и смена растительности зоны временного затопления во­ дохранилищ определяется рядом факторов, среди которых В. А. Экзерцев [114] и другие исследователи считают ведущими режим зачатков и наличие семенного материала, уровенный режим, морфометрию водоема и трофические условия.

На водохранилищах подзоны хвойных лесов (Иваньковское, Угличское и Рыбинское) в первые годы их существования происходило интенсивное'распро­ странение погруженных неприкрепленных растений. Это объясняется обилием озер и болот не только на пойме, но и на водоразделах, откуда происходит интенсивное обеспечение семенным материалом мелководий водохранлищ.

Одновременно с развитием погруженной растительности в первые же годы начинается процесс заселения обсыхающих мелководий растениями воздушно­ водной группы, а также некотопыми луговыми видами с широкой экологиче­ ской амплитудой.

Для нижневолжских водохранилищ характерно разрастание в первые годы узколистного воздушно-водного разнотравья при почти полном отсутствии по­ груженных неприкрепленных растений.

Такие различия в характере зарастания верхневолжских и нижневолжских водохранилищ объясняются прежде всего различием в обеспеченности мелко­ водий различных ландшафтных зон зачатками гидрофильной растительностью. При заполнении водохранилищ источником пополнения водной флоры остают­ ся близлежащие незатопленные естественные водоемы и болота водоразделов.

Основные площади мелководий водохранилищ степной и полупустынной зон приурочены к участкам, лишенным источников гидрофитов и занятыми ксерофильной растительностью [114].

Важнейшим фактором процесса зарастания мелководий является уровен­ ный режим водохранилищ. А. А. Потапов [115] и В. А. Экзерцев [114] по ре­ жиму уровней волжские водохранилища разделяют на три группы:

1)водохранилища, сохраняющие в течение лета сравнительно постоянный уровень (Горьковское, Иваньковское);

2)водохранилища с постепенным падением уровня в течение лета (Уг­

личское, Куйбышевское); 3) водохранилища с варьирующим по годам весенним наполнением и по­

стоянным падением уровня в течение лета (Рыбинское).

Скорость формирования фитоценозов находится в зависимости от рржима уровня. На водохранилищах с постоянным горизонтом воды через 5—10 лет создаются сформированные растительные сообщества, распределение которых подчиняется строгой зональности (Экзерцев, 1963 г.). На водохранилищахпеременного весеннего наполнения растительный покров нарушен, пятнист и сильно подавлен. Постепенное падение летнего уровня задерживает процесс формирования растительных сообществ, но одновременно способствует расши­ рению площадей, доступных для существования, воздушно-водных растений.

7 8

Важнейшим фактором процесса формирования растительного покрова мел­ ководий является их морфология. Ю. М. Матарзин [116, 117] считает морфо­ метрию водоемов камских водохранилищ ведущим фактором формирования растительности мелководий.

В развитии растительного покрова мелководий давно существующих во­ дохранилищ выделяется несколько стадий. На верхневолжских и камских -во­ дохранилищах Ю. М. Матарзин [118] и другие исследователи выделяют сле­ дующие стадии господствующих растительных группировок:

1) нитчатые водоросли (кладофора), свободноплавающая растительность (ряска, водокрас, пузырчатка), горец земноводный;

2) при господстве свободноплавающих растений — развитие воздушновод­ ных (осок, рогоза, сусака, веха ядовитого, горца земноводного, стрелолиста)

ипогруженных корневищных (рдестов, ежеголовок);

3)узколистное и широколистное воздушно-водное разнотравье;

4)при господстве воздушно-водного разнотравья — развитие болотной (гелофильной) растительности (хвощ приречный, телорез аэловидный, сабель­

ник болотный, белокрыльник болотный и др.).

Формирование высшей водной растительности и продолжительность ста­ дий в значительной мере определяются уровенным режимом.

Периодичность в становлении растительных ценозов соответствует ос­ новным периодам изменения уровенного режима и находится в непосредст­ венной связи с общим процессом формирования водоема (выравнивание бере­

говой линии, всплывание торфяников и др. [118].

Для растительности заливов Камского водохранилища характерно разви­ тие гидрофитов: стрелолиста, горца земноводного и рдестов.

Рельефообразующая роль прибрежной и водной растительности весьма значительная в заливах водохранилищ лесной зоны (табл. 7).

Таблица 7

Ежегодная продукция основных растительных формаций различных водоемов [114] (воздушно-сухой вес, г м 2)

Водохранилища

В. А. Экзерцев указывает, что наибольшую биомассу на единицу площади воздают сообщества манника водяного. На мелководьях Иваньковского и Уг­ личского водохранилищ сообщества манника являются самыми распростра­ ненными. Высокую ежегодную урожайность дают заросли рогоза широкодисг-

79

кого, омежника, частухи и лисохвоста. Много органического вещества дает элодея в верховьях заливов. Самую низкую биомассу образуют затопленные мелкоосочники и щучники.

При оценке рельефообразующей роли растительности мелководий необ­ ходимо учитывать, что накопление органической массы происходит не только за счет отмирания стеблей растений, а значительно больше вследствие при­ роста подземных органов (корневищ и корней). Во всех типах грунта прирост корней и корневищ, например камыша, в три раза превышает продукцию над­ земных побегов (Лисицина Л. И., Жукова Г. А., 1970 г,).

Большая часть ежегодно образующейся продукции высшей водной рас­ тительности остается в водоеме. На дне не происходит полного разложения органических веществ, что приводит к накоплению в грунтах литоральной зоны продуктов полураспада. Особенно большое количество органических ве­ ществ накапливается в верховьях отшнурованных заливов. По данным В. А. Экзерцева [114] в Обуховском заливе Иваньковского водохранилища пло­ щадь зарослей макрофитов составляет 130 га или 61% ют всей его площади. Ежегодно высшие растения создают 350 г/ж2, что в 10 раз. больше, чем в сред­ нем по всему водохранилищу. Содержание органических веществ в грунтах залива составляет 80%. Следовательно, в этом заливе преобладают биоген­ ные процессы в формировании донных отложений и его ложа.

Исследованиями М.-Ш. Д. Ахмедова, П. Н. Емгушева и др. [119] установ­ лена рельефообразующая роль водной растительности на предгорном Чирюртском водохранилище. Продолжительное и теплое лето способствует интен­ сивному развитию на мелководье камыша, осоки, тростника, рогоза и ивы. Во время паводка заросли растительности в верховьях водохранилища и его средней зоне на островах у берегов уменьшают скорость потока воды и тем самым определяют быстрое осаждение влекомых и взвешенных частиц. В та­ ких местах происходит быстрое нарастание берегов.

Весьма значительна рельефообразующая роль высших растений на водо­ хранилищах пустынной зоны.

Интенсивное формирование берегов и мелководий вследствие зарастания водной растительностью наблюдается на Кайраккумском водохранилище.

Площадь зарастающих мелководий за первые годы эксплуатации Кайракумского водохранилища составила 90 км2 (в среднем 230 га в 1 год). На границе зарослей камыша наносы аккумулируются особенно интенсивно, об­ разуя песчаные валы.

При глубокой сработке водохранилища песчаные наносы валов разве­ ваются іі задерживаясь на границе с камышом образуют барханы высотой до 4—5 м.

Ш. И. Коган [120] установил особенности зарастания водохранилищ на р. Мургаб. Зарастание водохранилищ в первые годы их существования про­ исходит очень слабо в связи с резкими и значительными колебаниями уровня воды во время вегетационного периода. Интенсивность зарастания увеличи­ вается по мере заиления водохранилищ, особенно в их хвостовой части. Завершающая стадия развития водохранилища характеризуется почти полным его заилением и образованием водоемов типа поемных озер и русла. В это время наблюдается сильное развитие растительности.

В развитии Мургабских водохранилищ выделяются три стадии: юности, когда водохранилище только начинает заиляться, зрелости, когда заилено до половины объема водохранилища и стадию старости или отмирания, когда водохранилище почти полностью заилено [120, 121]. Из мургабских водо­ хранилищ зрелым является Ташкепринское, а старым или отмирающим Султанбентское. Особенно интенсивному зарастанию подвергаются верхние части водохранилищ, где происходит аккумуляция наносов. На больших участ­ ках, покрытых свежими наносами, развиваются заросли тростника и тугайных растений — гребенщика, ивы, туранги. После появления растений при их ин­ тенсивном развитии проявляется их рельефообразующая роль. Как уже было отмечено, растительный покров уменьшает скорость течения и тем самым обусловливает осаждение влекомых и взвешенных в воде частиц.

80

хотливые и неясно выраженные очертания. Многочисленные заливы уходят' далеко в торфяник и располагаются кулисообразно {261.

Причины и механизм всплывания торфяников на затопленных болотах освещены в работах И. Д. Богдановской-Гиенэф [124] и Ю. М. Матарзина [116]. Одной из основных причин всплывания торфяников является интен-

Таблица 8

Площади болот зоны подтопления и затопления в долине р. Камы и ее основных притоков [116]

сивное газоооразование в их толщах. обусловленное жизнедеятельностью анаэробных микроорганизмов. Наиболее интенсивно газообразование проис­ ходит в слаборазложившихся торфах, где имеется наиболее благоприятная среда для размножения микроорганизмов. Сезонные изменения температуры и промерзание верхнего

^слоя торфа способствует герметизации полостей для скапливающихся газов.

Всплывание торфяни­ ков., вызванное накоплени­ ем газов, происходит обыч­ но в середине лета. Места­ ми вспученный слон торфа остается под водой, обра­ зуя отмели.

*2

II. Болота покрыты водой даже зимой, но в период низкого стояния

всплывание. На глубинах более 10 м всплывание обычно не происходит. Всплывание торфяников зависит от гидрологического режима. На водо­

При значительной сработке уровня, особенно в верховьях водохранили­ ща ледовый покров ложится на дно и смерзается с торфом. В период весен­ него наполнения этот лед отрывает торфяники и поднимает на . поверхность воды. Такие процессы всплывания торфяников установлены на Камских и других водохранилищах.

Г л а в а VI. ФОРМИРОВАНИЕ БЕРЕГОВ

ВЗАЛИВАХ ВОДОХРАНИЛИЩ

Взаливах по долинам рек и балкам при сравнительно небольшой их ши­ рине формирование приглубых берегов уже в первые годы эксплуатации во­ дохранилищ происходит по абразионно-аккумулятивному типу, минуя стадию абразионной отмели. Это обычно бывает связано не только с отсутствием вы­

носа обрушаемого материала, а, как правило, с наличием приноса материала с соседних участков и выносом аллювиальных образований в устье рек.

На значительных участках в заливах отсутствует ветровое волнение. По­ этому ведущим процессом являются колебания уровня воды и связанные с

.ними процессы размокания, растворения и выветривания горных пород. В та­ ких условиях получают, развитие водно-гравитационные процессы (обвалы, осыпание и т. п.). Особенности этих процессов рассмотрены в IV главе.

Плановое переформирование берегов и дна -заливов водохранилищ зави­ сит от их конфигурации, соотношений размеров (ширина, длина, глубина л т. п.) и расположения по отношению к господствующим направлениям вол­ нения и вдольбереговых движений наносов.

Процессы формирования берегов в заливах происходят во взаимосвязи с участками акватории водохранилища. Можно выделить [124] восемь наиболее характерных разновидностёй заливов и бухт водохранилищ, отличающихся ха­ рактером переформирования: 1) короткие бухты с крутым падением тальвега, 2) открытые удлиненные узкие заливы, 3) открытые треугольные бухты, 4) от­ крытые округлые бухты, 5) закрытые удлиненные бухты, 6) сложные зали­ вы с заливами второго порядка, 7) широкие открытые заливы с узкими зали­ вами второго порядка и 8) озеровидные мелководные заливы (рис. 27).

В коротких бухтах с крутым падением тальвега, образовавшихся на месте оврагов, балок и логов вследствие развития миграций наносов.^ заполняются их кутовые части и образуются «карманные» пляжи (рис. 28). Эти пляжи фор­ мируются за счет продуктов абразии и частично-овражного аллювия, выноси­ мого временными водотоками. Мощность отложений пляжей достигает 1— 2 м уже после 1—2 лет эксплуатации водохранилища. Внешняя сторона пес­ чаного пляжа обычно имеет выположенный уклон 1—1,5°. Такие пляжи можно наблюдать уже после первого года нормальной эксплуатации на Краснояр­

ском водохранилище.

Переформирование более крупных открытых удлиненных узких заливов '

мости от характера первичного рельефа заливов и развития вдольбереговых потоков наносов. Для широких и крупных заливов характерны треугольные аккумулятивные выступы с широким основанием. Ширина -их изменяется от 2—4 до 10—20 м. Уклоны их обычно не больше уклонов прилегающих пля­ жей, Более крутые (до 5—7°) склоны, обращенные в сторону залива, а более пологие (2—3°) — в сторону акватории водохранилища. Нарастание кос с