Абразия и переработка берегов водохранилищ

Вторым по значимости источником минеральных взвесей в большинстве озёр служит абразия. Для создаваемого долинного водохранилищаэто их главный источник. Участки берега даже небольших водоёмов обычно извилисты и неоднородны по литологическому составу грунтов и пород, слагающих берега плёсов и бухт, сужающихся заливов, разнообразных по форме и близости к берегу островов.

Эти геоморфологические различия участков берега сильно влияют на процессы взаимодействия водных масс с береговым склоном озёрной котловины или водохранилищного ложа. Поэтому участки берега водоема делят на три основных типа:

• • нейтральные — участки берега, практически не подверженные размыву волнением и течениями. Они могут быть скалистыми, сложенными кристаллическими породами, или пологими, крутизной не более 2−4°, залуженными или поросшими кустарником, лесом, защищенными от волнения поясом макрофитов, заостровными участками, укрытыми от ветроволнового воздействия, а также участки берега с инженерной защитой. На озёрах — участки берега с давно сформированными устойчивыми к размыву обширными пляжами;
• • абразионные участки — более крутые, сложенные рыхлыми, сыпучими, размокающими грунтами (песчаными, суглинистыми, глинистыми), лёссами. Они возникают на водохранилищах в местах подмытых ранее рекой коренных склонов долины, оползней на равнинах и в предгорьях, осыпей и ледниковых морен в горах при достаточно больших размерах акватории для развития волнения. Встречающиеся в озере подводные террасы — следы абразии в маловодные гидроклиматические эпохи с его более низким уровнем равновесия, бывают такие озерные террасы и на склонах котловин выше современного уровня;
• • аккумулятивные участки образуются при отложении взвешенных и влекомых наносов — продуктов абразии соседних участков берега. К ним относятся косы в устьях заливов, где скорость вдольберегового течения за изгибом берега уменьшается, пересыпи, пляжи на пологих участках вогнутого берега, а также дельты, сложенные крупнозернистыми фракциями взвешенных наносов втекающих в водоем притоков.

В крупных водохранилищах России суммарная протяженность абразионных участков составляет 36% общей длины их береговой линии (Хабидов и др., 2009).

В водохранилищах Верхневолжского каскада^[1] от Твери до Нижегородского гидроузла их доля 19%, относительно устойчивых нейтральных 69%, аккумулятивных 4% и подверженных русловым процессам в нижних бьефах ГЭС 8%. Но в Новосибирском, Куйбышевском, Красноярском и Цимлянском водохранилищах длина абразионных участков превышает 50% длины побережья.

Выделяют три стадии формирования берегов водохранилищ (Финаров, 1986):

I — стадия зарождения отмели и берегового уступа. В период начального заполнения водой ложа водохранилища в большом количестве образуются автохтонные взвеси на подверженных абразии участках берега. Продолжительность интенсивной абразии на Братском водохранилище, например, составила 5 лет, а среднегодовое смещение бровки обрыва — около 200 м/год. При повышении уровня склон долины пропитывается водой. Когда участок оказывается наветренным, волны, накатывающиеся на него, вымывают частицы грунта, ослабляют корневую систему растительного покрова, разрушают его и с каждым штормом всё более подмывают оголяющийся склон. В грунтах образуется волноприбойная ниша, в которую обрушивается находящийся выше грунт. Возникающий так береговой уступ, откос или обрыв (клиф) имеет высоту (от подошвы до бровки) 1−2 м, и в 10 раз больше. Вымываемый в нише или у подножья клифа осыпавшийся грунт смывается водой, или мелкие его фракции взвешиваются, образуя мутные потоки разрывного течения в пелагиаль или вдольберегового течения, а вымытые камни и моренные валуны сдвигаются к урезу. О типичной скорости отступания бровки и подошвы клифа, нарастания ширины береговой отмели даст представление рис. 10.2;

Рис. 10.2. Изменение профиля берега в приплотинной части Новосибирского водохранилища: / - профиль склона долины р. Обь; 2- профиль берега и Н₂- уровень воды в конце безледного периода 1-го года наполнения; 3 и — 2-го года, 4нН_л — 3-го года (по: Хабидов и др., 2009).

II стадия формирования абразионной отмели и обрушения берега. Она продолжается первые 3−7 лет эксплуатации водохранилища при НПУ, если берега сложены рыхлыми отложениями. Интенсивный подмыв берегов происходит под воздействием энергии волн и волноприбойных потоков, размывающих осыпающиеся или обваливающиеся массы грунта. Продукты разрушения берегов (взвеси) уносятся за пределы участка, а крупные фракции песка и гравий накапливаются у основания подводного склона, формируя первые слои подводной аккумулятивной террасы. Отношение объёма отложившихся в пределах берегового участка наносов к объему размытого грунта берегового склона называют коэффициентом аккумуляции к_А, средние для участка значения которого изменяются от 3 до 80%. Продолжительность этой стадии — наибольшая в водохранилищах многолетнего регулирования стока из-за присущего им большого размаха колебаний уровня воды и разнообразия типов внутригодового его режима (см. раздел 4.3). Темп отступания бровки клифа в таких водоёмах — меньше, чем на водохранилищах с уровнем воды у НПУ в течение навигационного периода. В маловодные годы, когда уровень не достигает НПУ, размывается волнением береговая отмель;

IIIстадия формирования абразионно-аккумулятивной отмели. Она отличается уменьшением интенсивности абразии вследствие снижения энергии волн на расширяющемся мелководье. Ослабевают и волноприбойные потоки, образующиеся на пляже, затопленном при нагоне. Из-за более редкого обрушения берега на поверхности отмели начинают накапливаться отложения. Возникает подвижной аккумулятивный слой наносов с убывающей крупностью от подошвы клифа к откосу аккумулятивной отмели. Вместе с абразионной частью отмели она становится единой формой рельефа. На отмелях особенно интенсивен поток воды, формирующийся в прибрежной полосе прибоя, где при нагоне глубина в 1,5−2 раза больше высоты обрушивающихся волн. Производимое ими в шторм кратковременное абразионное разрушение грунта и взмучивание его частиц сменяется через каждые 3−5 с несколько более продолжительным оттоком воды с пляжа и выносом ею взвесей в полосу деформации волн. Там обратный поток встречается с более мощным потоком в сторону уреза и затухает, теряя наносы, из которых образуется подводная аккумулятивная часть береговой отмели.

На поверхности пляжа, сложенного коренными грунтами, появляются горизонтально-слоистые пески, микроступсньки при летнеосенней сработке (следы штормов). Более крупные подводные ступени на аккумулятивной подводной отмели вырабатываются и перестраиваются в водохранилищах многолетнего регулирования в маловодные годы при уровнях наполнения ниже НПУ, что и тормозит завершение конечной стадии формирования их абразионных берегов. Площадь образовавшихся в эту стадию пляжей на берегах Куйбышевского и Цимлянского водохранилищ составляет приблизительно 35 и 50 км" (Всндров, 1970). В этой стадии формирования берегового профиля сейчас находится большинство российских водохранилищ. За 10−30 лет и более на участке абразионного берега образуется развитая, структурно неоднородная абразионно-аккумулятивная отмель достаточной ширины для обрушения и гашения энергии ветровых волн. Уменьшается вынос минеральных взвесей в пелагиаль и накопление песков на соседнем аккумулятивном участке берега.

Третья стадия сменяется устойчивым равновесием процессов заиления прибрежных подводных отмелей в штиль и взмучивания наилка в шторм, как и на открытой литорали в озерах. Однако и на крупнейших озёрах, существующих многие тысячи лет (например, Онтарио), при редких, особенно сильных нагонах и волнении наблюдаются затопление пляжа вплоть до подножья клифа и кратковременное возобновление абразии.

Для каждого водохранилища разрабатывается прогноз переформирования склонов долины в берега будущего водоёма. Это необходимо для отвода земель под сооружение водохранилища, проектирования защитных сооружений для коммунальных и промышленных объектов либо переноса их в безопасные места, не подверженные абразии в будущем. Для обеспечения возможности таких инженерногеологических прогнозов на берегах вводимых в эксплуатацию водохранилищ в 1938;1941 гг. были проведены обследования абразионных берегов и заложены репера в створе сотен поперечников. Ежегодные нивелировки и геологические наблюдения за темпом переформирования берегового уступа, ростом отмели в течение полувека использованы для разработки методик прогнозирования:

— волнового режима водохранилища на участках возможного развития абразии;

профиля устойчивой береговой отмели на этих участках при характерных размерах волн и проектном уровенном режиме с учетом рельефа, литологического строения склона и вероятного значения коэффициента аккумуляции;

• — переформирования берега под воздействием одного шторма с расчётной высотой волн и их мощности;
• — наиболее вероятного переформирования участка берега за заданный срок (12, 25, 50, 100, 200 лет)¹.

В основу этих методик положены мсханико-детсрминистическая модель процессов абразии и формирования профиля абразионноаккумулятивной отмели, а также метод аналогии для оценки значения к_л по данным о литологическом составе грунтов участка, разработанный профессором МГУ Г. С. Золотаревым^-. В конце XX в. начали использовать стохастические модели этих процессов путём отбора наиболее статистически значимых (для того или иного абразионного участка) геоморфологических, геологических, гидрогеологических, геоботанических и гидрометеорологических факторов, определяющих темп переработки берегов водохранилищ. По данным наблюдений на абразионном участке уточняются эмпирические коэффициенты многочленного уравнения, что повышает надежность прогноза на ближайшие годы.

Образование в местах нагонов и волнобоя береговых отмелей имеет большое значение для активизации самоочищения воды в водоёмах. Физические, химические и биологические процессы очищения воды, набегающей на отмель при нагоне и волнении, от органических веществ определяются жизнедеятельностью микроорганизмов, населяющих прибрежные пески. Улучшаются свойства поровой воды в грунтах отмелей и пляжей, фильтрующейся в водоем'.^[2][3][4]

• [1] Водохранилища Верхней Волги / Гидрометеорологический режим озер и водохранилищ СССР. — Л.: Гидрометеоиздат, 1975. — 291 с.
• [2] Кондратьев Н. Е. Расчеты береговых переформирований на водохранилищах: практическое пособие. — Л.: Гидрометеоиздат, 1960. — 63 с.
• [3] «Золотарев Г. С. Инженерно-геологическое изучение береговых склонов водохранилищ и оценка их переработки // Тр. Лабор. гидрогеол. проблем. — Т. XII. — М. :Изд-во АН СССР, 1955.
• [4] Эпштейн И. М. Фильтрация воды в пляжах Учинского водохранилища // Учинскоеи Можайское водохранилища. — М.: Изд-во Моек, ун-та, 1963. — С. 72−79.