Геоморфологические особенности формирования берегов водохранилищ Даугавского каскада

В плане экономического и социального развития республики значительное место отводится широкому использованию водно-энергетических ресурсов р.Даугава. Проектирование и сооружение каскада Даугавских ГЭС и особенно освоение берегов их водохранилищ часто осложняется развитием различных экзогенных процессов, среди которых немаловажное значение имеет переработка берегов новых водохранилищ. С этой целью необходимо изучение особенностей экзогенных и геоморфологических процессов, наиболее активно влияющих на характер рельефа и определяющих возможности народнохозяйственного освоения территорий. Поэтому борьба с водной эрозией рассматривается как актуальная государственная задача.

Интенсивность и степень участия береговых процессов в развитии водохранилищ вызывает отрицательные последствия, для устранения которых необходимы определенные затраты. Практическое значение имеет установление сроков активного берегообрушения и формирования новых береговых склонов.

Разработанные схемы эволюции берегов различного типа в условиях каскадного зарегулирования стока малых водохранилищ является методической основой составления прогнозов развития и определения мероприятий по их защите.

Рассмотренная в диссертации тема актуальна как с точки зрения научно-теоретических, так и прикладных аспектов.

Учитывая актуальность темы и недостаточную изученность природы формирования берегов водохранилищ данного региона, автор диссертации ставил перед собой цель: выявить особенности процесса формирования берегов каскада водохранилищ в условиях ледникового рельефа (на примере Даугавского каскада или Северо-Запада СССР).

— б.

Задачи работы определяются основной целью и формируются следующим образом.

1. Выявление влияния природных условий и воздействия основных факторов, определяющих процесс переработки берегов в условиях ледникового рельефа.

2. Установление закономерностей развития береговых процессов водохранилищ Даугавского каскада.

3. Выявление и оценка общих и отличительных особенностей развития берегообразующих процессов на водохранилищах каскада и отдельно эксплуатируемых.

4. Составление практических схем эволюции и природного районирования берегов водохранилищ Даугавского каскада.

5. Разработка нового метода прогноза развития берегоформирую-щего процесса на малых водохранилищах в условиях каскада.

6. Разработка предложений и рекомендаций по практическому применению результатов исследований при эксплуатации водохранилищ каскада в условиях ледникового рельефа.

В основу работы положены материалы 9-летних исследований водохранилищ Даугавского каскада, полученные автором в составе экспедиций кафедры физической географии ЛГУ им. П.Стучки, а также результаты выполненной в 1976;1983 гг. научно-исследовательской темы «Охрана природы и рациональное использование природных ресурсов Латвийской ССР» (№ гос. per. 780I62I3). Исследования проводились в 1976;1980 гг. в рамках научно-исследовательской теш универ' ситета «Изучение рельефообразующих процессов на территории Латвийской ССР и оценка возможности их влияния на хозяйственную деятельность» (№ 258) с использованием методов изучения рельефа и методик, разработанных для крупных водохранилищ. Они уточнены автором применительно к малым водохранилищам.

Выявленные климатологические, гидродинамические, геологические и морфологические различия отдельных водохранилищ Даугавскои го каскада позволили научно обоснованно объяснить природу и принципы формирования береговых процессов.

Впервые для рассматриваемого региона установлены особенности развития берегоформирующих процессов водохранилищ, отдельно эксплуатируемых, и в каскаде.

Автором разработана новая методика прогнозирования отступания береговой бровки на окончательный период процесса, которая применена при исследовании эксплуатируемых и вновь строящихся водохранилищ (Даугавпилсского-Екабпилеск oroj.

В диссертации впервые для малых водохранилищ Северо-Запада СССР рассмотрена теория эволюции берегоформирующих процессов, которая является основой для определения достоверности новой методики прогнозирования.

Проведенный анализ и полученные результаты позволят более полно учитывать особенности берегоформирующих факторов при планировании, размещении новых водохранилищ, строительстве промышленных, сельскохозяйственных, мелиоративных, гражданских и других объектов народного хозяйства.

Проведенные исследования помогут более полно оценить влияние береговых процессов на эксплуатационные качества водохранилищ, существенно дополнить современные теоретические положении о развитии берегов, что будет способствовать дальнейшему развитию теории эволюции малых водохранилищ данного региона.

Полученные материалы исследований внесут определенный вклад в проектирование и реконструкцию искусственных водоемов и разработку схем инженерной защиты берегов от разрушений, а также рекреационных объектов в зонах водохранилищ.

Научные результаты диссертации нашли применение в Управлении эксплуатации Даугавских водохранилищ Минводхоза Латвийской ССР при разраббтке конкретных мероприятий по планированию защиты берегов и рациональному использованию прилегающих к водохранилищам территорий. В частности, в I98I-I982 гг, автором была выполнена тема «Переработка берегов водохранилищ Даугавы',' которая вошла в производственный отчет Управления эксплуатации Даугавских водохранилищ, проводящего работы по программе изучения и хозяйственного использования водных объектов и прилегающих к ним террито.

Р1Й.

По результатам исследований делались доклады с их последующим обсуждением на республиканских и региональных конференциях, совещаниях (Рига, 1979,1980, 1981, 1982, 1983 гг.- Елгава, ЛСХА, 1979; научно-техническая конференция «Даугава-82», Минводхоза, 1982 г.). Основные положения диссертации опубликованы в 5-ти статьях и одном научном отчете.

Рассматривая процесс исследования, необходимо выделить отдельные этапы работы. Во-первых, сбор ранее опубликованных и доступных данных о процессах формирования берегов водохранилищ и их анализ. Во-вторых, сопоставление данных полевых исследований берегов водохранилищ Даугавского каскада и Каунасского (Литовская ССР) водохранилища.

Систематические ежегодные полевые исследования, в течение ряда лет (1975;1982 гг.) проводившиеся на эталонных участках, а также маршрутные обследования всех водохранилищ Даугавского каскада — главный этап работы. Уже с 1974 г. в изучении переработки берегов водохранилищ участвуют географический факультет ЛГУ им. П. Стучки и автор данной работы.

В основу полевых исследований первых лет (1974;1976 гг.) была положена задача проведения картирования берегов с последующим определением эталонных участков наблюдения берегов на Рижском водохранилище, характеризующихся различными геоморфологическими и геологическими показателями. Были избраны два участка: на левом берегу выше залива Томены и на правом берегу выше нас п. Саул-калне.Уже в 1971 г. Озерной станцией выделен эталонный участок на правом берегу Плявиньского водохранилища, примерно на километр выше г. Стучка. На этих участках ежегодно тривды проводилась инструментальная съемка конфигурации верхней бровки берега и поперечных профилей берегового склона с его подводной частью отмели. В качестве основы инструментальной съемки использовались теодолитные ходы, проложенные вдоль левого берега в 1975 г. В 1977 г. инструментальная съемка делалась и на участке правого берега у п.Саулкалне. Опорные пункты в натуре укреплены металлическими реперами. Кроме съемки и фотографирования берега, определялась скорость вдольберегового течения в различных погодных условиях, а также при работе ГЭС и во время весеннего подъема воды в водохранилищах (I980-I98I гг.).

Исследованные физико-механические свойства и гранулометрический состав образцов отложений использовались для анализа и расчетов перемещения материала вдольбереговыми течениями и для прогнозирования переработки берегов в характерных местах склона и пляжа.

Первоначально наблюдения велись на 40 поперечных профилях берегового склона. В конце 1977 г. были прекращены наблюдения на Ю профилях рща участков, где формирование берегов незначительно и мало характеризует изучаемый процесс. Периодически проводились маршрутные обследования берегов водохранилищ за пределами эталонных участков.

Особое внимание уделялось эталонным участкам, где создавалась сеть теодолитных ходов, выбирались оптимальные варианты для поперечных профилей берегового склона и подводной отмели.

Данные полевых исследований служат для морфогенетической и другой классификации берегов (по высоте, крутизне, генезису). Сопоставляя результаты исследований с имеющимися материалами и литературными данными по другим водохранилищам Прибалтики и некоторым водохранилищам северо-запада Европейской части СССР, удалось определить те отличия и общие закономерности, которые свойственны средним водохранилищам, расположенным на равнинных реках в области последнего материкового оледенения.

Одним из важнейших факторов формирования берегов диссертант полагает суточное колебание уровня воды и его сочетание с господствующими ветрами. Впервые представлено графическое изображение взаимосвязи суточного колебания уровня воды и господствующих ветров, их силы и направления. В результате рассмотрения существующих методов прогнозирования формирования берегов водохранилищ автор работы предлагает свой метод расчета для теоретического определения переработки берегов в пространстве на окончательный период процесса.

Автор считает своим долгом выразить благодарность научному руководителю работы — кандидату географических наук, доценту географического факультета Латвийского государственного университета им. П.Стучки Г. Я. Эберхардсу, доктору географических наук В. М. Широкову (Белгосуниверситет), доцентам, кандидатам географических наук О. Г. Аболтиню (ЛГУ) и З. Малинавскас (Вильнюсский государственный университет) за ценные советы и указания. Диссертант выражает благодарность руководству кафедры физической географии за возможности проведения исследований, а также руководству Управления эксплуатации Даугавских водохранилищ за помощь в техническом оснащении экспедиций. В заключение диссертант благодарит студентов географического факультета Э. Циематниекс и В. Шаршупе за добросовестную работу во время полевых исследований.

Диссертация объемом 235 страниц состоит из введения, трех глав, выводов и приложения. Работа иллюстрирована 59 рисунками и 36 таблицами.

Список литературы

ссрержит 137 наименований отечественной и 5 зарубежной литературы.

ВЫВОДЫ.

1. Водохранилища Даугавского каскада характеризуются средними напорами у плотин, незначительным (10−13% от общей площади) мелководьем и приглубыми берегами. После завершения строительства Даугавпилсского и Екабпилсского водохранилищ течение р. Даугава на территории ЛатвССР будет полностью зарегулировано. Рассмотренные водохранилища каскада равнозначны по своим гидроморфологическим и водным особенностям. Все они расположены в районе равнинного рельефа, характеризуются сравнительно одинаковыми условиями подпора и степенью водообмена, ориентированы с востока на запад и имеют вытянутую конфигурацию с озеровидным приплотинным расширением.

2. Условия формирования берегов водохранилищ обусловлены совокупностью воздействия режима регулирования стока (колебания уровня воды) и волновой энергии. Верхнее в каскаде действующее Плявиньское водохранилище имеет значительную (более 5 м) амплитуду колебания уровня воды за навигационный период. По сравнению с другими (Кегумским, Рижским) Плявиньское отличается замедленным ходом формирования берегов, протяженность которых более 130 км, и довольно сложным окружающим рельефом.

3. Неоднородность отложений, слагающих береговые склоны водохранилищ, — основная причина их разделения на две группы, различно влияющие на процесс формирования берегов. Выделены: I) четвертичные отложения плейстоценового и голоценового комплексов;

2) коренные породы верхнего девона. Лабораторные исследования четвертичных отложений и их физико-механические свойства показали, что корреляционные зависимости величин механических свойств от физических выражены слабо (для каждого генетического типа отложений зависимость различна). Физико-механические свойства четвертичных отложений и коренных пород являются критерием, определяющим продолжительность процесса формирования берегов.

4. Предложенный автором способ обработки ежедневных данных о направлении ветров и их взаимодействии с уровнями воды позволяют определить энергию волн с многолетней обеспеченностью, а также выявить количество материала, перемещаемого вдольбереговыми течениями, что составляет значительную часть размытого грунта.

5. Исследованиями на эталонных участках водохранилищ выявлены причины сравнительно медленного образования подводной отмели у высоких берегов, сложенных мелкозернистыми песками, по сравнению с другими типами берега. Установлено, что в случаях отступания береговых склонов более чем на 20 м, ширина подводной отмели не достигает 10 м. Мелкие частицы песчаных отложений имеют слабое сцепление и легко перемещаются вдольбереговыми течениями, а также выносятся за пределы отмели. Выявлено, что на подводной отмели низких моренных берегов аккумулируется материал соседних береговых участков, сложенных песчаными отложениями.

6. Раскрыт характер цикличности переработки абразионно-об-вальных берегов, сложенных моренными суглинками и супесями. Каждому обвалу предшествует нарушение равновесия основного склона, которое последовательно включает: подмыв основания берега с образованием ниш и промоинотрыв определенного блока и дальнейшее его разрушение волнами и вдольбереговыми течениями.

7. Из числа наиболее изученных явлений процесса формирования берегов необходимо выделить влияние оползней. Создание новых водохранилищ — главная причина активизации старых и возникновение новых оползней, в местах разгрузки грунтовых вод на близком уровне от уреза воды. На водохранилищах Даугавского каскада оползневый процесс имеет локальный характер распространения.

8. Впервые на водохранилищах Прибалтики исследован плывунно-оползневый тип берега, особенность которого заключается в том, что разрушение берега начинается в период заполнения водохранилища и продолжается первые годы. В результате происходит значительное отступание бровки берега в короткий промежуток времени (до.

50 м в два года). Береговой склон на урезе воды и ниже сложен мелкими тонкозернистыми песками (фракция 0,1−0,25 мм) более 60%. Свойство таких песков при контакте с водой — плывучесть. Прекращение затопления новых участков склона уменьшает зону взаимодействия с водой, и процесс принимает признаки абразионно-осып-ного берега. В соответствии с фильтрационной теорией Н. Н. Маслова (1959) разрушения откосов зависят от мощности слоя сухого песка, перекрывающего водонасыщенныйчем толще слой, тем меньше вероятность разжижения песка и наоборот.

9. Непериодические вспышки переработки берегов водохранилищ каскада вызваны значительными колебаниями уровня воды (форсирование уровней выше НПУ, сброс больших объемов воды через гидроузел, ввод дополнительных водозаборных сооружений). Важными факторами являются физико-механические свойства коренных пород и четвертичных отложений, слагающих береговые склоны. Изучение характеристик группы пассивных явлений и воздействия на них активных факторов позволило определить коэффициент степени затухания процесса формирования берегов Каунасского — 0,2−0,70, на водохранилищах Даугавского каскада — 0,15−0,68.

10. В отличие от отдельно эксплуатируемых (Каунасское) водохранилища каскада имеют более высокую амплитуду колебания уровня воды при суточной сработке, что влечет за собой ряд последствий: а) увеличивается продолжительность процесса формирования берегов и объем перерабатываемого материала (разрушается подводная отмель), усиливается процесс выветривания, нарушается стабильность склона (в результате частого замачивания и высыхания). В зависимости от геологического строения склонов берегов водохранилищ Даугавского каскада, характера и интенсивности показателей процесса формирования берегов автором вьщелено восемь отличительных между собой районов.

11. Сопоставление данных натурных наблюдений и результатов, полученных по одним и тем же створам различными методами прогнозирования, позволило автору диссертации разработать более простой метод создания профиля динамического равновесия и выполнить теоретический расчет отступания берегов на конечный период процесса формирования берегов. Метод основан на изучении физико-механических характеристик, слагающих береговой склон отложений и расчете ширины подводной отмели, необходимой для гашения энергии волн. Кроме того, в зависимости от свойств материала вводится коэффициент, определяющий количество материала, остающегося на подводной отмели. Результаты расчета близки к действительному отступанию бровки берега (Кегумское водохранилище). Предложенный метод может быть использован при расчете прогнозирования отступания берегов новых и существующих водохранилищ изучаемого региона.

12. Для расчета прогноза процесса формирования берегов водохранилищ рекомендуется принимать расчетным верхним пределом зоны размыва горизонт уровня воды 3−6 $, а нижним — 95−98% обеспеченности. Для берегов, сложенных мелкозернистыми песками, 3−98%, а для берегов сложенных моренными суглинками — 98−95%.

13. Для определения времени окончания процесса формирования берегов использован метод расчета Н. Е. Кондратьева. Окончание стадии стабилизации и полная выработка динамического равновесия на водохранилищах каскада р. Даугава намечаются через 30−50 лет. Расчетный период совпадает с действительным ходом процесса, что подтверждает исследование и картирование берегов Кегумского водохранилища (43 года эксплуатации).

14. Процесс формирования берегов может быть остановлен после создания искусственных сооружений, препятствующих воздействию волновой энергии на береговой склон. На водохранилищах Даугавского каскада применяются пассивные мероприятия защиты берегов: дамбы, укрепленные железобетонными плитами, каменные набросы, посадки ивняков на подводной отмели. При сравнительно небольших размерах водохранилищ, чем ограничена сила и активность воздействия группы активных факторов, применяемые защитные мероприятия, дают положительные результаты. Однако на отдельных участках (у гг. Плявиняс, Екабпилс) необходимы более эффективные меры защиты. Но строительство таких сооружений требует значительных капиталовложений.