Природные условия береговой зоны Новосибирского водохранилища и проблемы защиты его берегов

Актуальность темы

Как и большая часть населения нашей планеты, население России предпочитает жить, работать или отдыхать на побережье внутренних водоемов — морей, озер и водохранилищ, в результате чего и береговая зона водоемов, и их побережья давно уже стали важнейшей средой обитания человека. Правда, в нашей стране более обжиты не морские побережья, а побережья озер и, особенно, водохранилищ. Это обусловлено двумя основными причинами. Во-первых, значительную долю материковой береговой линии России составляют берега морей бассейнов Северного Ледовитого и Тихого океанов с неблагоприятными для человека условиями жизни. С другой стороны, водохранилища всегда создавались в обжитых районах с развитой социально-экономической инфраструктурой или тяготели к ним, поскольку водоемы этого типа предназначены, прежде всего, для удовлетворения разнообразных потребностей населения и развивающейся экономики в пресной воде, энергетических ресурсах, транспортных путях и т. п. [Хабидов, Жиндарев, Тризно, 1999].

По недавним оценкам, к настоящему время в России создано около 2260 водохранилищ с объемом от 0,1−1 км и выше и несколько тысяч более мелких [Авакян, Шарапов, 1977; Водохранилища мира, 1979; Авакян, Салтанкин, Шарапов, 1987; Бурова, 1998]. Их создание повлекло за собой преобразование ландшафтов бассейнов рек и естественных озер на площади свыше 700 тыс. км2 и затронуло социально-экономическую гу инфраструктуру территорий общей площадью до 1,5 млн. км [Водохранилища и их воздействие на окружающую среду, 1986; Avakian, 1998]. Хотя факторы, обусловившие столь масштабные изменения, исключительно разнообразны, по заполнении водохранилищ наиболее серьезное влияние на инфраструктуру их побережий оказывает разрушение берегов. По данным ПНИИС Госстроя РФ [Бурова, 1998], при суммарной протяженности береговой линии крупных водохранилищ России, оцениваемой в 64 100 км, ущерб только от потери земель ежегодно составляет US$ 86 млн. Но даже и эта — весьма значительная — оценка не учитывает ни затрат на перенос жилья, промышленных, сельскохозяйственных, коммунальных объектов, дорог, линий электропередач и других объектов социально-экономической инфраструктуры, ни ущерба природной среде, наносимого ей в результате разрушения берегов (загрязнение природных вод органическими веществами наземных экосистем, продуктами жизнедеятельности сельскохозяйственных животных и химикатами, используемыми в хозяйственной деятельности на побережье, потеря лесов и кустарниковых насаждений, сокращение ареалов обитания животных и т. д.) и затраты на его компенсацию. К сожалению, даже грубые оценки величины этих затрат пока отсутствуют, однако можно полагать, что она заметно превосходит собственную стоимость теряемых земель. Отсюда следует, в частности, что задача защиты берегов водохранилищ была, есть и пока еще остается исключительно актуальной.

Решение проблемы защиты берегов в контексте общей задачи предотвращения нежелательных последствий изменения природных условий при создании водохранилищ является одним из ключевых моментов гармонизации взаимоотношений природной среды и человека при освоении береговой зоны и побережий водоемов [Хабидов, Жиндарев, Тризно, 1999]. Путь, на котором следует искать подходы к решению этой проблемы, наметил еще в начале 70-х годов известный голландский гидротехник Пер Бруун. В ставшей классической работе «История и философия берегозащиты» [Bruun, 1972] он отмечал, что «Природа не только показывает нам, как происходит разрушение берега, но и демонстрирует, как надо его защищать. Можно уверенно сказать, что нет такого способа защиты, который не был бы изобретен природой раньше, чем был применен человеком. Поэтому мы должны учиться у природы, для чего нужно лишь сделать над собой усилие и раскрыть глаза: мы заметим, что природа более выразительна и имеет больший успех, чем человек» (подчеркнуто нами — А. Т.). Другими словами, поиск эффективных решений по защите разрушаемых волнами и течениями берегов водохранилищ должен основываться на обстоятельном изучении природных условий водоемов и их побережий, а возводимые берегозащитные сооружения должны «вписываться» в природную среду береговой зоны, становясь ее естественным элементом. Именно такой вывод следует из рекомендаций П.Брууна.

Изучение природы водохранилищ, берегов и побережий искусственных водоемов, их строения, динамики и внутриводоемных процессов, обусловливающих формирование рельефа береговой зоны, было начато Ф. П. Саваренским еще в 30-х годах [1935, 1940], а затем продолжено его учениками, последователями и специалистами смежных областей знания [Авакян, Шарапов, 1977; Авакян, Салтанкин, Шарапов, 1987; Богословский, 1974; Браславский, 1952; Буторин, 1969; Варазашвили, 1972; Вендров, 1953, 1955, 1957, 1958, 1959, 1970, 1979; Вендров, Стеженская, 1969; Вендров и др., 1972; Вендров, Дьяконов, 1976; Водохранилища и их воздействие на окружающую среду, 1986; Водохранилища мира, 1979; Гидрометеорологический режим озер и водохранилищ, 1975, 1976, 1978, 1979; Гречищев, 1961; Григорьев, 1959; Дубровин, 1958; Дубровин и др., 1959; Емельянова, 1972; Золотарев, 1955, 1969, 1971; Зубенко, 1967; Иконников, 1972; Кадастр водохранилищ СССР, 1971; Караулова, 1969; Караушев, 1952, 1969; Каскевич, 1970; Клюева, 1970; Кондратьев, 1953, 1956, 1960; Качугин, 1959, 1961, 1975, 1979; Кузнецов, 1976; Кусковский, 1996; Лисогор, 1970; Маккавеев, 1972; Матарзин, Двинских, 1975, 1978; Матарзин, Богословский, Мацкевич, 1977а, бМатарзин, Новосельский, 1985; Минервина, Хоситашвили, 1974; Овчинников, Карнаухова, 1985; Печеркин, 1969; Печеркин, Печеркин,.

Каченов, 1980; Пинегин, Рагозин, Лещиков и др., 1976; Поляков, 1938;

Пышкин, 1973; Пышкин, Максимчук, Цайтц, 1967; Рагозин, 1981; Розовский, 1969; Розовский и др., 1962; Розовский, Воскобойников, 1970; Савкин, 2000; Селюк, 1961; Судольский, 1962, 1969; Филатова, 1972; Финаров, 1974, 1982; Формирование береговой зоны., 1968, Формирование берегов., 1988; Фортунатов, 1974; Халматов, 1969; Халматова, Халматов, 1971; Чигиринский, 1971; Широков, 1974; Ширямов, 1940 и др.]. В ходе этих работ выделились три тесно переплетающихся основных направления исследований: (1) изучение гидрологии и особенностей гидродинамики искусственных водоемов, (2) изучение инженерно-геологических особенностей береговой зоны искусственных водоемов, изменений ее гидрогеологических условий и обусловленных этими факторами берегоформирующих процессов и (3) изучение геоморфологии берегов и процессов развития рельефа береговой зоны водохранилищ.

Однако, несмотря на предпринятые усилия, в учении о берегах водохранилищ все еще сохраняются пробелы, затрудняющие его приложение к решению важных прикладных задач. В ряду этих, не вполне решенных, стоит и задача защиты берегов от размыва волнами и течениями. Если использовать меткое выражение Прайса В. Алана [Alan, 1980], эффективная берегозащита и до сих пор остается «искусством невозможного».

Причинами этого явились не только сложность и разнообразие физико-географических условий развития берегов искусственных водоемов, но и их недостаточная изученность, а также ограниченность наших знаний о механизмах протекающих в береговой зоне природных процессов.

Правда, последний пробел в 80−90-е годы был в значительной мере преодолен, прежде всего, благодаря широкомасштабным исследованиям, проводившимся Институтом водных и экологических проблем СО РАН в сотрудничестве с Московским государственным университетом, Институтом океанологии РАН и его Южным отделением, ОКБ океанологической техники РАН, Университетом Флориды (г. Гейнсвилл, США), Университетом Калифорнии (г. Санта-Барбара, США), Университетом Восточной Англии (г. Норвич, Великобритания), Университетом Твенте (г. Твенте, Нидерланды), Университетом Квинсленда (г. Брисбен, Австралия) и Федеральным государственным водохозяйственным учреждением «ВерхнеОбьрегионводхоз» (до 1999 г. -Управление эксплуатации Новосибирского водохранилища) [Береговая зона., 2001; Жиндарев, Хабидов, Тризно, 1998; Хабидов, 1982, 1985; 2001; Хабидов, Жиндарев, Тризно, 1999; и др.]. Эти же исследования привели к созданию предпосылок для повышения эффективности защиты берегов водоемов, подверженных разрушению волнами и течениями.

Цель работы состоит в изучении природных условий береговой зоны Новосибирского водохранилища, природных и антропогенных факторов, являющихся движущей силой берегоформирующих процессов и разработке на этой основе новых подходов к защите берегов водоема.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить три основные задачи:

1. Провести комплексный анализ физико-географических условий Новосибирского водохранилища и оценить на этой основе роль природных и антропогенных факторов, существенно влияющих на характер, направленность и интенсивность процессов развития рельефа береговой зоны водоема.

2. Выявить районы котловины Новосибирского водохранилища, различающиеся по характеру, направленности и интенсивности берегоформирующих процессов, изучить присущие им особенности строения строения береговой зоны и выделить формы рельефа или их комплексы, характерные для стабильных и аккумулятивных берегов.

3. Изучить результаты инженерного вмешательства в протекающие в береговой зоне Новосибирского водохранилища природные процессы с использованием традиционных сооружений инженерной защиты берегов (волноотбойных стен, береговых покрытий, каменнонабросных одежд), провести натурные эксперименты с целью создания условий для стабилизации размываемых берегов или их развития по аккумулятивному типу и разработать на основе сравнительного анализа работы различных сооружений основные принципы стратегии повышения эффективности берегозащиты.

Исходные материалы и методы исследований. Основной объем фактического материала получен при выполнении, топографогеодезических, геолого-геоморфологических и гидрологических исследований на незащищенных берегах Новосибирского водохранилища, при планировании, разработке и проведении берегозащитных мероприятий на водохранилище, а также при наблюдениях за вводимыми в строй и эксплуатируемыми берегозащитными сооружениями. Эти данные были дополнены опубликованными материалами изучения динамики берегов и рельефообразующих процессов, протекающих в береговой зоне однотипных с Новосибирским водохранилищ.

Разработка стратегии защиты берегов Новосибирского водохранилища, выбор и обоснование конкретных берегозащитных мероприятий потребовали изучения отечественного и зарубежного опыта управления береговыми процессами не только на водохранилищах и озерах, но и, прежде всего, на морях, история борьбы с разрушением берегов которых насчитывает уже несколько веков.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе детального регионального анализа природных условий Новосибирского водохранилища существенно уточнены особенности пространственно-временной изменчивости природных и природно-технических факторов, оказывающих существенное влияние на характер, направленность или интенсивность процессов формирования берегов водоема.

2. Выделены и описаны районы котловины Новосибирского водохранилища, в пределах которых формирование берегов водоема преимущественно обусловлено действием ветрового волнения, проточного (стокового) течения и — в переходной между ними области — совместным действием волновых процессов и стоковых течений.

3. Изучены последствия инженерного вмешательства в естественный ход развития берегов водохранилищ путем создания волнотбойных стен, береговых покрытий, каменнонабросных одежд и получены новые данные, объясняющие недостаточную надежность работы берегозащитных сооружений этого типа. В широкомасштабных натурных экспериментах доказаны преимущества использования альтернативных методов «активной» защиты размываемых берегов (питание береговой зоны наносами и/или регулирование их переноса в волновом потоке), с использованием которых на практике реализована эффективная стратегия управления береговыми процессами Новосибирского водохранилища для целей берегозащиты.

Защищаемые положения:

1. Деятельность ведущих факторов формирования берегов Новосибирского водохранилища — ветрового волнения и проточных (стоковых) течений — характеризует пространственно-временная изменчивость, особенности которой обусловливают разделение котловины водоема на области в пределах которых берегоформирующие процессы контролируются преимущественно работой волн и стоковых течений, а в переходной между ними зоне — и волн, и течений. Наиболее представительной по площади и периметру береговой линии является область преимущественно волнового рельефообразования.

2. В соответствии с изменением природных условий в направлении простирания водоема, на Новосибирском водохранилище происходит последовательное замещение форм рельефа, свойственных речным дельтам, на формы рельефа создаваемые в бере-говой зоне деятельностью ветрового волнения.

3. В сложившихся физико-географических условиях эффективная защита берегов Новосибирского водохранилища может быть обеспечена путем питания береговой зоны наносами, создания искусственных аккумулятивных форм рельефа и регулирования переноса рыхлого материала волнами и течениями.

Практическаязначимость исследования определяется использованием его результатов в берегозащитном строительстве. Полученные результаты были использованы при обосновании «Технико-экономических расчетов по улучшению технического состояния берегов Новосибирского водохранилища в связи с их абразионной переработкой на период до 1995 года с прогнозом до 2005 года», при подготовке рабочих проектов конкретных берегозащитных мероприятий, проводившихся на Новосибирском водохранилище в 80х-90х годах, а также при организации мониторинга введенных в эксплуатацию берегозащитных сооружений.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на ряде международных, всероссийских и региональных конференций и совещаний, в том числе: на International Conference on Coastal Engineering" (Orlando, USA, 1996 г.), на Международном научном совещании по динамике берегов морей и водохранилищ (Новосибирск, 1998 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Новосибирское водохранилище — основа Новосибирского водохозяйственного комплекса» (Новосибирск, 2000 г.), на XXVI Пленуме геоморфологической комиссии РАН (Барнаул-Артыбаш-Новосибирск, 2001 г.) на научных семинарах Лаборатории морфолитогенеза водоемов (с 1998 г. — Лаборатория комплексных исследований водоемов) Института водных и экологических проблем СО РАН (1995;2002), на заседаниях научно-технического совета Управления эксплуатации Новосибирского водохранилища (УЭНВ) и созданного на его основе в 1999 г. Федерального государственного водохозяйственного учреждения (ФГУ) «ВерхнеОбьрегионводхоз» (1992;2001).

Личный вклад автора в планировании проводившихся исследований на основе широкой интеграции УЭНВ/ФГУ «Верхнеобьрегионводхоз» с учреждениями РАН (ИВЭП СО РАН, ОИГГМ СО РАН, ИО РАН, ОКБ ОТ РАН и др.), ВУЗов России (МГУ) и зарубежных стран, в организации и непосредственном участии в полевых работах, а также в обработке и обобщении материалов полевых и аналитических исследований. Основные научные выводы и практические рекомендации принадлежат автору или сделаны им в публикациях, подготовленных в соавторстве с коллегами по работе.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 2 монографии (в соавторстве с Л. А. Жиндаревым и А.Ш.Хабидовым).

На всех этапах работы над диссертацией автор ощущал поддержку сотрудников Института водных и экологических проблем Сибирского отделения РАН, Объединенного института геологии, геофизики и минералогии СО РАН и коллег с кафедры геоморфологии и палеогеографии Географического факультета МГУ. Особую признательность автор выражает своим научным руководителям д.г.н. А. Ш. Хабидову (ИВЭП СО РАН) и д.г.н. Л. А. Жиндареву (МГУ), советнику РАН академику О. Ф. Васильеву, директору ИВЭП СО РАН д.г.н. Ю. И. Винокурову, д.г.н. В. М. Савкину, д.г.м-н. В. С. Кусковскому и сотрудникам УЭНВ/ФГУ «Верхнеобьрегионводхоз» .

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, насчитывающего 155 наименований. Объем работы — 175 страниц, включая 64 рисунка, 9 таблиц и 1 приложение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Показано, что на Новосибирском водохранилищ! деятельность ведущих факторов развития рельефа котловины и береговой зоны водоема — ветрового волнения и проточных (стоковых) теченийхарактеризует пространственная изменчивость, особенности которой обусловливают дифференциацию среды рельефообразования на области преимущественно волнового, преимущественно флювиального и переходного между ними типов. Наиболее представительной по площади и периметру береговой линии является область котловины водохранилища, в пределах которой развитие берегов обусловлено деятельностью ветрового волнения.

2. Описаны основные области рельефообразования котловины Новосибирского водохранилища, в пределах которых развитие рельефа береговой зоны преимущественно обусловлено действием ветрового волнения, проточного (стокового) течения и — в переходной между ними области — совместным действием волновых процессов и стокового течения.

3. Показано, что на Новосибирском водохранилище рельеф области флювиального рельефообразования имеет облик естественных естественных речных дельт и его наиболее близким природным аналогом являются дельты выполнения. В обстановках преимущественно волнового и переходного типа рельеф береговой зоны водохранилища представлен разнообразным комплексом абразионных и аккумулятивных формам рельефа, в числе которых наиболее перспективными прототипами берегозащитных сооружений являются примкнувшие, замыкающие или свободные аккумулятивные формы, а также берега мелкобухтового расчленения с «карманными» пляжами.

4. Изучено состояние сооружений инженерной защиты берегов «пассивного» типа (волноотбойных стен, береговых покрытий, каменно-набросных одежд), применявшихся ранее для защиты берегов Новосибирского водохранилища и показана их недостаточная надежность. Проведены натурные эксперименты, показавшие, что ненадежность берегозащитных сооружений этого типа объясняется локальным размывом дна у основания сооружений и нарушением целостности самого основания при волновых нагрузках.

5. Сформулировано положение о том, что характер действующих в береговой зоне Новосибирского и однотипных с ним водохранилищ процессов волновой природы обусловливает принципиальную возможность организации эффективной защиты их берегов путем питания береговой зоны водоемов наносами, создания искусственных аккумулятивных форм рельефа или инициации мелкобухтового расчленения береговой линии и, при необходимости, регулирования переноса рыхлого материала волнами и связанными с ними течениями. Это положение составило концептуальную основу современной стратегии защиты берегов водоема.

6. В ходе проведения широкомасштабного экспериментального берегозащитного строительства на Новосибирском водохранилище доказаны преимущества использования методов «активной» защиты размываемых берегов, основанных на создании условий для их стабилизации или развития по аккумулятивному типу. Достигнутые при защите берегов водохранилища результаты полностью подтвердили основные принципы предложенной стратегии защиты берегов.

Таким образом, можно заключить, что задачи, поставленные при выполнении настоящего исследования, решены, основные защищаемые положения обоснованы материалами натурных исследований, а сформулированные в работе предложения по защите берегов получили и экспериментальное подтверждение.