CC BY
80
Труды ИБВВ РАН, 2018, вып. 81(84)
Transactions of IBIW RAS, 2018, issue 81(84)
УДК 556.535.6:556.556.2
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ РОЛЬ В ФОРМИРОВАНИИ ДОННЫХ ОСАДКОВ ВОДОХРАНИЛИЩ ВОЛЖСКО-КАМСКОГО КАСКАДА
В. В. Законнов 1, А. В.Законнова1, А. И. Цветков 1, Н. Г. Шерышева2
'Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН 152742 пос. Борок, Ярославская обл., Некоузский р-н, e-mail: [email protected] 2 Институт экологии Волжского бассейна РАН 445012 г. Тольятти, ул. Комзина, 10
Приведены результаты мониторинга донных отложений водохранилищ Волги и экспериментальные данные по рейсу 2016 г. на экспедиционном судне «Академик Топчиев» по 155 гидрологическим станциям, наглядно демонстрирующим роль гидродинамических процессов в происхождении и формировании грунтового комплекса в системе водохранилищ Волжско-Камского каскада. Показана идентичность гидрологических и седиментационных процессов в водоемах Волжско-Камского бассейна, как в целом по водохранилищам, так и отдельным орографическим районам - озеровидным расширениям и крупным заливам. В работе принят формализованный показатель средней скорости течений, объединяющий воздействие стоковых и ветровых течений на ложе водоемов. Этот подход позволяет дать оценку происходившим экстремальным гидрометеорологическим ситуациям, провести датировку керна, а также решать ряд задач, связанных с функционированием экосистем водохранилищ.
Ключевые слова: мониторинг донных осадков, гидродинамические и седиментационные процессы, стоковые, ветровые течения, гранулометрия.
DOI 10.24411/0320-3557-2018-1-0004
ВВЕДЕНИЕ
Динамика вод - основа гидрологического режима любого водоема, важная составляющая функционирования экосистемы, его биологической продуктивности и качества воды (Эдельш-тейн, 2014).
Роль стоковых и ветровых течений - основных элементов гидродинамического режима в происхождении и формировании нижнего яруса экосистем водоемов и водотоков весьма существенна (Буторин, 1969; Буторин и др., 1975). На основании комплексных гидроэкологических исследований (уровенный и термический режимы, течения, волнение, физико-химический состав воды и донных осадков) получены количественные зависимости функциональных связей в системе вода - донные отложения. Транспорт наносов - перемещение - размыв, трансседиментация - переотложение, аккумуляция - накопление в реках, озерах, водохранилищах и морях являются составной частью энерго-массообмена в водных экосистемах (Литвинов, 2000, Лиси-
МАТЕРИАЛЫ
В работе рассматривается по единой схеме и методикам влияние гидродинамических процессов: ветровых и стоковых течений на формирование донных осадков (ДО) в системе крупных равнинных водохранилищ Волжско-Камского каскада, как в многолетнем аспекте, так и по результатам экспериментальной грунтовой съемки, выполненной в августе 2016 г. на экспедиционном судне «Академик Топчиев».
В статье использованы в качестве иллюстрационного материала описания и схемы цир-
цын, 2001). Теоретические основы водной и ветровой эрозии Земли, эмпирические коэффициенты и экспериментальные значения приведены и описаны в монографии (Звонков, 1962). Помимо научного интереса эти процессы имеют важное практическое значение в связи с размывом берегов и дна, образованием аккумулятивных форм (пляжей, баров, пересыпей, валов, побочней, осередков, подводных банок и гряд), нивелировкой рельефа ложа, спрямлением берегов, отторжением сушей части акватории и, наоборот, ме-андрированием, образованием стариц, занесением и заилением водоемов, каналов, портов и т.д. (Законнов и др., 2017).
Цель работы - на основании результатов мониторинга донных отложений и комплексного экспедиционного рейса 2016 г. оценить роль гидродинамических процессов в формировании наносов водохранилищ Волжско-Камского каскада и их отдельных орографических районов.
И МЕТОДЫ
куляции вод, опубликованные ранее, которые сыграли и продолжают играть основную роль в пространственно-временной трансформации грунтового комплекса водохранилищ (Буторин, 1969; Литвинов, 2002; Поддубный, Сухова, 2002; Законнов и др., 2010).
Отбор проб проводился с помощью гравитационных грунтовых трубок ГОИН-1 и 1.5 и дночерпателей различной конструкции с поверхностного горизонта 5-10 см. Гранулометрический состав определялся сухим и влажным про-
сеиванием на ситах с помощью электромагнитной установки «Analysette-З» фирмы Alfred Fritsch & CO (Германия), а также планктонными сетками с различным диаметром отверстий с выделением размерных фракций крупного песка >1 мм, среднего и мелкого - 1.0-0.1, алеврита - 0.1-0.01 и пелита <0.01 мм.
Всего в многолетнем аспекте обработано около 15 тыс. станций, а в рейсе 2016 г. более 150, как по продольным (судовой ход), так и по поперечным профилям, согласно методикам, апробированных на водохранилищах Верхней Волги (Буторин и др., 1975). Толщину керна определяли по маркирующему слою в виде дерновины и руслового песка. Согласно этим методикам, ошибки определения ареалов различных типов ДО и интенсивности осадконакопления составили 5-20% (Законнов, 2016).
Скорость стоковых течений определялась по расходам воды через плотины гидроузлов с учетом изменения скоростного режима по длине водохранилища. В полевых условиях исследования проводились на автоматических буйковых станциях (АБС) или с судов, оборудованных лебедками и гидрометрическими приборами (Буторин, 1969; Поддубный, Сухова, 2001). Ветровые
РЕЗУЛЬТАТЫ И
Преобладающее влияние на циркуляцию вод в речных плесах водохранилищ оказывает объем стока с водосборной площади. Расходы воды в притоках приводят к изменению скоростного и уровенного режима водотоков в большом диапазоне величин, что способствует размыву берегов и дна, и выносу взвешенных веществ вниз по течению в устьевые участки рек и далее в акваторию принимающего водоема, где они формируют отложения различного гранулометрического состава.
Не менее сложна система ветровых течений. Они свойственны крупным озерам, а также озеровидным расширениям водохранилищ. На мелководьях вдольбереговые течения создают аккумулятивные формы рельефа - валы, косы и пляжи и нивелируют ложе.
Сочетание однонаправленных стоковых и флюктуирующих ветровых течений приводит к пестроте распределения типов донных отложений (ДО) в водохранилищах. Максимальные скорости течений являются определяющими в формировании типа ДО, а пульсации скоростей приводят к насыщению основного скелета наносов дополнительными размерными фракциями, которые и определяют окончательный тип осадка и его средний диаметр.
Согласно классификации грунтового комплекса равнинных водохранилищ (табл. 1) (За-
течения и их дрейфы измерялись вертушками, глубинными и поверхностными поплавками, а также по данным наблюдений Гидрометеослужбы, опубликованных в открытой печати. В работе принят простейший формализованный показатель средней скорости, объединяющий воздействие стоковых и ветровых течений на ложе водоемов. Для решения этой задачи использовались данные по Горьковскому водохранилищу, где проводился большой комплекс синхронных и мониторинговых гидрологических съемок (Буторин, 1969; Законнов и др., 2017). В итоге получена четкая зависимость между средним диаметром наносов и скоростью течения на основных створах (180 станций). В дальнейшем, с графика связи были сняты средние скорости течения в водоемах гумидной зоны, включая оз. Белое и системы водохранилищ Волжско-Камского каскада до г. Тольятти (124 станции). Такая же процедура проведена и для нижележащих водохранилищ, расположенных в аридной зоне, вплоть до дельты Волги (31 станция). Результаты обработаны статистически в пакете программ STATISTICA, с использованием метода дисперсионного анализа ANOVA и процедуры LSD-теста при уровне значимости р <0.05.
ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
коннов, 2014) грунты подразделяются на три группы:
«первичные», реликтовые (остаточные) -сохранившие после затопления свои свойства и качество - скальные, каменистые, галечно-гравийные, песчаные, глины и торф;
трансформированные - затопленные почвы и подстилающие породы - разбухшие (заболоченные), обнаженные (размытые вплоть до иллювиального горизонта) и болотно-луговые в пределах границ НПУ;
вторичные - образовавшиеся в водохранилищах - собственно донные осадки - гетеродис-персные минерально-органические крупнозернистые наносы (пески) и тонкодисперсные отложения (илы).
Каждая из групп делится на две подгруппы
- минеральные и органические. Первые содержат менее 30% органического вещества (ОВ), вторые
- более 30%. Разделение подгруппы на отдельные типы производится по гранулометрическому составу в зависимости от принадлежности (процентного соотношения) к фракциям песка, алеврита, пелита и содержания ОВ. Основным критерием выделения типа ДО служит 30% доля в преобладании той или иной фракции и концентрация ОВ.
Таблица 1. Классификация грунтов равнинных водохранилищ (Законнов, 2007; 2014) Table 1. Classification of soils of lowland reservoirs (Zakonnov, 2007, 2014)_
Грунты Soils
Группа Подгруппа Тип CyMMa фракций, % Органическое
Group Subgroup Type Amount of frac-tions,% вещество, % Organic
>0.1 мм <0.01 MM matter,%
>0.1 >0.01 mm
mm
Реликтовые Минеральные Скалы <1
(остаточные) Mineral Rocks
Relict Валуны Boulders Галька Pebbles Гравий Gravel - - <1 <1 <1
Пески >90 <10 <1
Sands
Глины <10 >90 <1
Clays
Органические Торф - - >70
Organic Peat
Трансформированные Минеральные Обнаженные (размы-
Transformed Mineral тые) почвы и породы >30 <30 <3
Naked (blurred) soil
and rock
Разбухшие почвы и
породы <30 >30 >10
Swollen soils and
rocks
Заболачивающиеся
почвы <30 >30 <30
Dampening soils
Органические Болотные почвы <30 >30 >30
Organic Marsh soils
Вторичные Минеральные Пески 100 - <1
Secondary precipita- Mineral Sands
tion Илистые пески Silt sands >70 <30 1-5
Песчанистые илы <70 >30 5-10
Sandy silts
Глинистые илы <30 >70 10-30
Clayey silt
Отложения из рако- - <1
вин
Deposits from shells of
shellfish
Органические Торфогенный ил <30 >30 30-40
Organic Peaty silt Торфянистый ил Peaty ooze Отложения из мак- - >30 40-70
рофитов >30
Deposits from
macrophytes
Основные физико-химические характеристики Basic physical and chemical characteristics
По результатам 38 гидрологических съемок водохранилищ Волги с 1947 по 2016 гг. выявлена четкая динамика в хронологическом ряду распределения площадей грунтов и ДО, которая отражает следующие закономерности (рис. 1):
сокращение площадей под обнаженными (размытыми) и разбухшими почвами (с 99 до 1517%);
увеличение площадей, занятых крупнозернистыми наносами - песками (с 0.9 до 55% и более);
увеличение площадей тонкодисперсных отложений (илов) к 30-40 годам эксплуатации водохранилищ (до 40-50%), а затем их сокращение и постепенное выравнивание (в пределах 3035%).
Рис. 1. Распределение площадей различных грунтов и ДО в водохранилищах Волги. 1 -трансформированные грунты, 2 - крупнозернистые наносы, 3 - тонкодисперсные отложения, 4 -вторичные осадки.
Fig. 1. Distribution of areas of various soils and DO in the reservoirs of the Volga. 1 - transformed soils, 2 - coarsegrained deposits, 3 - fine-dispersed deposits, 4 - secondary sediments.
Площади вторичных отложений, находятся в противофазе к трансформированным грунтам. Последние, в результате заболачивания мелководий, постепенно превращаются в болотные почвы, отчуждая часть акватории.
С учетом стабилизации седиментационных процессов в пространстве и во времени были сделаны прогнозы распределения основных ареалов грунтов и ДО к 100-летию существования водохранилищ (Законнов, 2016).
Однако это не означает, что структура грунтового комплекса одинакова во всех водохранилищах. Интенсивность осадконакопления в отдельно взятом водохранилище зависит от многих факторов, которые в итоге приводят к разному соотношению площадей песков (Рпес) и илов (Fra), (табл. 2). Это соотношение характеризует
показатель структуры ДО (а), сформировавшейся в период относительной стабилизации и выражается формулой:
а= F / F
^ А пес ' А ил ?
что позволило выделить три группы водохранилищ:
соотношение площадей примерно равное (а<1.5) - Иваньковское, Куйбышевское, Волгоградское;
площади песков превышают почти в 2 раза ареалы илов (а=1.5-2.5) - Угличское, Рыбинское, Горьковское, Чебоксарское;
площади песчаных наносов превышают более, чем в 3 раза ареалы глинистых илов (а>2.5) - Саратовское.
Деление на группы условное, но, тем не менее, в водохранилищах Волги со сложными гидродинамическими процессами вторичные осадки - secondary precipitation (ВО - SP) стремятся к установлению определенных соотношений ареалов. Очевидно, что при существующих гидрометеорологических условиях, геологическом, геоморфологическом строении ложа и берегов, и эксплуатационном режиме эти пропорции соответствуют оптимальной структуре ДО в каждом водохранилище. Итоговая табл. 2 может быть использована в балансовых, седиментологических, гидробиологических и гидрохимических расчетах, т.к. характеризует нижний ярус экосистемы как стабильный на современном этапе.
Средняя толщина слоя песчаных наносов для длительно эксплуатируемых водохранилищ выравнивается по каскаду и составляет 8.313.5 см, в Чебоксарском (30 лет) она пока минимальная - 3.2 см. Средняя толщина илистых отложений более неравномерна и постоянно возрастает (Законнов, 2016). Однако темпы осадко-накопления по основным типам ДО постепенно увеличиваются от водохранилищ Верхней к Нижней Волге, подтверждая зональность седи-ментационных потоков от гумидной к аридной зоне в пределах Волжского бассейна (Законнов, Законнова, 2008).
Наиболее сложная картина формирования ДО в реках. Максимальная величина эпюры скорости течения проходит по стрежню, что приводит к образованию на дне песчано-галечно-каменистых наносов. По поперечному разрезу скорости течения уменьшаются к берегам, поэтому тонкодисперсные наносы накапливаются в прибрежье на прямолинейных участках. В излучинах, в вогнутой части происходит подмыв берега, в выпуклой - намыв кос, а ближе к стрежню - образование осередков и гряд, что связано с поперечной циркуляцией воды.
Таблица 2. Интенсивность осадконакопления в водохранилищах Волги
Площадь, км2 Средняя толщина, Объем, V, Масса, Среднегодовое накопление Average annual accumulation
Тип осадка Sediment type Area, km2 h, см Average thickness, млн.м3 Volume, V, Mass, million tons мм mm тыс. т thousand tons кг/м2 kg / m2
h, cm mln.m3
Крупнозернистые Coarse-grained Тонкодисперсные Fine-dispersed Всего ВО, Total SP
Крупнозернистые Coarse-grained Тонкодисперсные Fine-dispersed Всего ВО, Total SP
Крупнозернистые Coarse-grained Тонкодисперсные Fine-dispersed Всего ВО, Total SP
Крупнозернистые Coarse-grained Тонкодисперсные Fine-dispersed Всего ВО, Total SP
Крупнозернистые Coarse-grained Тонкодисперсные Fine-dispersed Всего ВО, Total SP
Крупнозернистые Coarse-grained Тонкодисперсные Fine-dispersed Всего ВО, Total SP
Крупнозернистые Coarse-grained Тонкодисперсные Fine-dispersed Всего ВО, Total SP
Крупнозернистые Coarse-grained Тонкодисперсные Fine-dispersed Всего ВО, Total SP
Иваньковское (2012), а =1.2 (Ivankovskoe Reservoir(2012), а =1.2)
133.9
109.6 243.1
8.4
22.5
14.6
11.2
24.7 35.9
12.9
17.9 30.8
1.1
3.0 1.9
Угличское (2012), а = 2.2(Uglich Reservoir (2012), а = 2.2)
138.9
62.6 201.5
8.6 12.0
28.6 17.9
14.8 29.9
17.2
5.8
23.0
1.2
4.0
2.1
Рыбинское (2010), а =2.0 (Rybinsk Reservoir(2010), а =2.0)
2550
1274 3824
8.3
41.0 19.2
2120
5220 7340
290.0
155.0 445.0
1.2
5.9 2.8
248
160 411
239
81
320
4203
2250 6453
Горьковское (2010), а =1.6 (Gorky Reservoir(2010), а =1.6)
790
506 1296
8.5
25.1 15.0
672
1270 1942
76.0
68.0 144.0
1.5
4.6
2.7
Чебоксарское (2010), а = 1.7 (Cheboksary Reservoir(2010), а = 1.7)
630
362 992
3.2
8.8 5.3
20.2
31.9 52.1
37.0
20.0 57.0
1.1
3.0 1.8
Куйбышевское (2016), а = 1.0 (Kuibyshev Reservoir(2016), а = 1.0)
2602
2480 5082
11.1
43.2 26.8
2890
10714 13604
281.0
590.0 871.0
1.8
7.1 4.4
Саратовское (2005), а = 3.5 (Saratov Reservoir(2005), а = 3.5)
1120
320 1440
11.5
40.8 18.1
1290
1310 2600
187.2
76.8 264.0
2.4
8.5 3.8
Волгоградское (2012), а = 1.0 (Volgograd Reservoir(2012), а = 1.0)
1500
1250 2750
13.5
44.3 27.5
2025
5537 7562
254.4
360.0 614.4
2.5
8.2 5.2
1.9
1.5 1.7
1.7
1.3
1.6
1.6
1.8 1.7
1382 1.7
1236 2.4
2618 2.0
1276 2.0
690 1.9
1966 2.0
4738 1.8
9672 3.9
14410 2.8
3900 3.5
1600 5.0
5500 3.8
5300 3.5
7500 6.0
12800 4.7
Течения в не зарегулированных участках рек всех порядков, а также в нижних бьефах плотин водохранилищ ведут себя, как типичные речные потоки, размывая ложе и берега и формируя наносы в соответствии с расходами воды и их транспортирующей способности (Девятко-ва, 2006, Законнов и др., 2010).
Несколько иная картина наблюдается в верхних бьефах. С учетом максимальных глубин у плотины, большой массы воды и слабых изменений уровенного режима, течения могут захватывать только верхнюю часть акватории, не воздействуя на дно. В связи с неравномерной работой ГЭС могут возникать прямые и обратные волны попуска, которые захватывают всю толщу воды, что приводит к размыву ложа и уменьшению темпов седиментации в приплотинных участках.
Регулирование водного стока оказывает существенное влияние на проточность, а через нее на интенсивность эрозионно-абразионных и седиментационных процессов. Степень этого воздействия зависит от режима эксплуатации гидроузлов, который включает естественные (сезонные, годовые) и искусственные (суточные и недельные) сбросы воды в каскаде водохранилищ (Буторин, 1969; Литвинов, 2000; Эдельш-тейн, 1998, 2014). Многолетние периоды воздействия гидродинамических процессов нивелируют их флуктуирующую тенденцию, выражаемую в среднегодовых темпах осадконакопления, которые в водохранилищах Волги составляют от 1.8 до 5.2 мм/год (табл. 2).
В мелководном проточном оз. Белое (Б= 1284 км2) Шекснинского, озеровидном Главном плесе (Б=3077 км2) Рыбинского и Волжско-Камском расширении ^=1011 км2) Куйбышевского водохранилищ наблюдаются стоковые и ветровые течения, которые взаимодействуя создают циклональные и антициклональные вихри, определяющие перенос водных масс в пределах акватории водоемов. Сейшевые и денивеляцион-ные колебания незначительны и не превышают 0.5 м. При этом может наблюдаться слоистость ветровых и стоковых течений.
Результаты расчетов показали, что в оз. Белое при ветрах западных и восточных румбов прослеживается два устойчивых вихревых образования, локализованных в северной и южной части акватории, а при ветрах южных и северных румбов - в западной и восточной части озера (рис. 2а, б) (Литвинов, 2002).
Такая система течений привела к тому, что на Белозерском участке Шекснинского водохранилища донные отложения в основном представлены глинисто-илистыми осадками, которые занимают всю центральную котловину и
0 (Г %
Аз ^ «
Рис. 2. Распределение функций полных потоков воды в поверхностном слое оз. Белое при реальном рельефе дна. а - ветер восточный, 5 м/с, б - ветер северозападный, 7 м/с.
Fig. 2. Distribution of functions of total flows in the surface layer of the Lake. White with a real bottom relief. a -east wind, 5 m/s, b - northwesterly wind, 7 m/s.
составляют ~90%, а по периферии - песками ~ 10%, где превалируют волновые процессы, вдольбереговой перенос крупнозернистых наносов и размыв древних морен последнего оледенения (рис. 3) (Законнов, 2002).
Иная картина наблюдается в крупных озе-ровидных расширениях Рыбинского и Куйбышевского водохранилищ. В Главном плесе общая циркуляция вод представляет собой систему разнонаправленных круговоротов в большом диапазоне величин: от мезомасштабных - 5-10 км, до крупномасштабных - 10-90 км. Площадь этих вихрей достигает 2 тыс. км2, или 65% акватории (рис. 4) (Поддубный, Сухова, 2002).
Скорости течений в верхних слоях составляют 3.0-12, а в средних и нижних - 1.0-4.0 см/с. При усилении ветра до 15 м/с, структура циркуляции не меняется, а скорости течения по вертикали увеличиваются в 1.5-2 раза.
Поскольку глубоководные участки Главного плеса - районы интенсивного илонакопления (5.9 мм/год), вертикальная компонента течения может играть достаточно ощутимую роль в перемещении взвесей. Ветровое волнение в Рыбинском водохранилище имеет значительные размеры. В центральной части, а также над затопленными долинами рек Волги, Мологи и Шексны отмечаются максимальные высоты волн (2.5 м).
Рис. 3. Карта-схема распределения донных отложений Белого озера (съемка 1995 г.). 1 - камни, галечник, 2 -песок, илистый песок, 3 - песчаный ил, 4 - глинистый ил, 5 - острова.
Fig. 3. Map-scheme of distribution of bottom sediments of the White Lake (1995 survey). 1 - stones, pebbles, 2 -pe-juice, muddy sand, 3 - sandy ooze, 4 - clayey mud, 5 - islands.
Так, осенью при наибольших сработках уровня при ветрах 5, 10, 15 м/с глубина размывающего действия волн находится в интервале 4-8 м от НПУ. При ветрах более 15 м/с воздействие волн прослеживается до отметки 10 м, ниже которой и аккумулируются илистые (торфогенные) отложения (Курдин, Зиминова, 1968).
Зафиксированное ранее продвижение песчаных наносов в глубь водоема имеет место и на современном этапе (Буторин и др., 1975). Их граница четко обозначилась изобатой 6 м. Между изобатами 6-10 м располагаются ДО различного гранулометрического состава - это переходная зона. Площади под торфогенными илами к 2012 г. не изменились (рис.5) (Законнов, 2007).
Рис. 4. Схемы интегральной циркуляции воды в без-ледный период в Рыбинском водохранилище. а - при северо-западном ветре 6 м/с, б - при южном ветре 6 м/с, в - при суммарном ветровом воздействии с учетом двух румбов 315 и 180 градусов, 1-2 соответственно зоны минимальных и максимальных скоростей интегрального переноса, 3 - направление ветра, 4 - острова.
Fig. 4. Schemes of integral circulation of water in the icefree period in the Rybinsk Reservoir. a - with a northwesterly wind of 6 m/s, b - with a southerly wind of 6 m/s, c - with a total wind impact, taking into account two knobs of 315 and 180 degrees, 1-2 respectively zones of maximum and minimum short, 3 - wind direction, 4 -islands.
Рис. 5. Карта донных отложений Рыбинского водохранилища (съемка 1992-1994 гг). 1 - размытые почвы, 2 - заболачивающиеся почвы, 3 - затопленный торф, 4 - пески, 5 - песок с торфяной крошкой, 6 -песок с галькой, 7 - илистый песок, 8 - песчанистый ил, 9 - глинистый (серый) ил, 10 - торфянистый ил, 11 - торфогенный ил, 12 - острова. Fig. 5. Map of bottom sediments of the Rybinsk Reservoir (survey 1992-1994). 1 - blurred soil, 2 - swampy soil, 3 - flooded peat, 4 - sand, 5 - sand with peat, 6 -sand with gullet, 7 - muddy sand, 8 - sandy ooze, 9 -clayey (gray) yl, 10 - peaty silt, 11 - peaty silt, 12 - islands.
Волжско-Камский плес в течение всего года заполнен двумя генетически разнородными водными массами - Волжской и Камской и их модификациями с четко выраженной фронтальной зоной между ними, определяемой объемом притока по Волге и Каме (Поддубный, Сухова, 2002). Согласно натурным измерениям, выполненным в 1989-1991 гг. по хоздоговорной теме «Оценка влияния добычи ПГС на водную среду и гидрофауну Куйбышевского водохранилища...», установлено, что на мелководных участках преобладает
ветровой перенос вод, характеризующимся однонаправленностью по вертикали.
В затопленных руслах рек прослеживаются стоковые течения. При штормовых ветрах, противоположных направлению стоковых течений, образуются циклональные и антициклональные вихри протяженностью до 10 км.
При сложной схеме наибольших скоростей интегрального переноса при ветрах различных
румбов средняя скорость течений наблюдается по всей толще водного столба (12 м) в пределах 8.0-17.0 см/с, что способствует хорошей промы-ваемости дна. В результате чего структура ложа весьма неоднородна и представляет собой мозаику зон размыва, трансседиментации и накопления (табл. 3).
Таблица 3. Распределение и накопление ДО в Волжско-Камском расширении (Камское Устье - Рыбная Слобода) в 2016 г.
Table 3. Distribution and accumulation of DO in the Volga-Kama expansion (Kamskoye Ustie - Rybnaya Sloboda) in 2016.
Тип грунта, донных осад- Площадь, км2 Средняя Объем, млн. м3 Объемная Масса Среднегодовое
ков толщина, масса, млн.т накопление
Type of soil, bottom sedi- Area, см Volume, т/м3 Weight Average annual
ments km2 Average million Volumetric mln.t accumulation
thickness, m3 weight, мм тыс. т кг/м2
cm t/m3 mm thousand tons kg/m2
Заболачивающиеся почвы 7 - - - - - - -
Dampening soils
Валуны 3 - - - - - - -
Boulders
Галька 5 - - - - - - -
Pebbles
Трансформированные 150 - - - - - - -
грунты
Transformed soils
Песок 245 6.6 161.7 1.60 25.8 1.1 430 1.8
Sand
Илистый песок 183 9.6 175.7 0.90 15.8 1.6 263 1.4
Thick sand
Песчанистый ил 200 21.0 420.0 0.65 27.3 3.5 455 2.3
Sandy ooze
Глинистый (серый) ил 200 45.0 900.0 0.50 45.0 7.5 750 3.8
Clay (gray) ooze
Глинистый (бурый) ил 15 56.4 84.6 0.90 7.5 9.4 125 8.3
Clayey (brown) silt
Отложения из макрофитов 3 66.0 20.0 0.40 0.8 11.0 13 4.3
Deposits from macrophytes
ВСЕГО 1011 17.4 1762 0.69 122.2 2.9 2036 2.0
TOTAL
В крупных заливах (площадью более 100 км2), образовавшихся в местах впадения в водоем одной или нескольких рек, стоковые и ветровые течения формируют структурный скелет наносов и обеспечивают темпы их накопления во многом схожие с основным водоемом (табл. 4) (Законнов и др., 2010).
Анализ корреляционной матрицы по материалам экспедиции 2016 года показал, что не все физико-химические показатели объектов исследования взаимосвязаны (табл. 5).
Гидродинамические, морфометрические, размерные фракции наносов имеют высокую степень функциональной связи с типом донных осадков (средним диаметром частиц) и некото-
рыми их свойствами, что свидетельствует о единой природе их формирования. Так, естественная влажность, органическое вещество и средний диаметр четко зависят от типа наносов: крупнозернистые - насыщены влагой на 15-25%, илистые пески - 25-30%, песчанистые илы-30-50%, глинистые илы - 50-65%, торфянистые илы и отложения из отмерших макрофитов более чем на 65%. Соответственно, в данном ряду увеличивается содержание органического вещества и уменьшается средний диаметр частиц.
Таблица 4. Гидроморфометрические и седиментационные показатели крупных заливов
Залив Площадь, км2 Area, km2 Длина, Глубина Глубина Ширина Объем, км3 Vol- Кв Скорость
Bay км Length, средняя, м макс, м Depth of макс. м Width of Coefficient of седиментации, мм/год
km Depth the max, max. m ume, water Speed
average, m m km3 exchange sedimentation, mm / year
Шошинский Shoshinskiy
Моложский
Molozhskiy
Ухро-
Согожский
Ukhro-
Sogozhskiy
Волковский
Volkovskiy
Костромской Kostromskoy
122
144 114
148 286
35
20 18
21
30
Иваньковское Ivan'kovskoye 1.7 10 5
3.2 4.0
5.5
Рыбинское Rybinskoye 13
12 15
30
18
14
Горьковское Gor'kovskoye 1.2 9 8
0.2
0.5 0.5
0.8 0.3
1.0
12.6 7.4
41.6 7.1
2.1 (1.9)
2.6 (2.8) 3.1 (2.8)
2.8 (2.8) 2.5 (2.7)
Черемшано- 678 50 9.5 22 14 6.4 5.2 3.0 (4.5)
Сусканский
Cheremshan-
Suskanskiy
Примечание. В скобках темпы седиментации в водохранилище. Note. In brackets, the rate of sedimentation in the reservoir.
Таблица 5. Корреляция натурных гидрологических характеристик и наносов Волжско-Камских водохранилищ. Table 5. Correlation of natural hydrological characteristics ^ and deposits of the Volga-Kama water reservoirs.
Переменные Variables
H
T
V
Отв
Omc
ЕВ
ППП
>1
1-0.1
0.10.01
<0.01
H
1.00
0.25
-0.16
-0.23
-0.24
0.27
0.26
-0.08
-0.16
0.04
0.38
-0.14
T
0.25
1.00
0.23
0.28
0.29
-0.31
-0.15
0.13
0.29
-0.36
-0.04
0.23
V
-0.16
0.23
1.00
0.82
0.81
-0.77
-0.61
0.55
0.84
-0.85
-0.63
0.98
Отв
-0.23
0.28
0.82
1.00
0.99
-0.98
-0.78
0.36
0.83
-0.78
-0.65
0.83
Omc
-0.24
0.29
0.81
0.99
1.00
-0.99
-0.78
0.35
0.83
-0.79
-0.66
0.83
ЕВ
0.27
-0.31
-0.77
-0.98
-0.99
1.00
0.81
-0.30
-0.83
0.77
0.65
-0.80
ППП
0.26
-0.15
-0.61
-0.78
-0.78
0.81
1.00
-0.22
-0.67
0.59
0.57
-0.65
>1
-0.08
0.13
0.55
0.36
0.35
-0.30
-0.22
1.00
0.12
-0.31
-0.23
0.50
1-0.1
-0.16
0.29
0.84
0.83
0.83
-0.83
-0.67
0.12
1.00
-0.92
-0.66
0.89
0.1-0.01
0.04
-0.36
-0.85
-0.78
-0.79
0.77
0.59
-0.31
-0.92
1.00
0.38
-0.90
<0.01
0.38
-0.04
-0.63
-0.65
-0.66
0.65
0.57
-0.23
-0.66
0.38
1.00
-0.64
d
-0.14
0.23
0.98
0.83
0.83
-0.80
-0.65
0.50
0.89
-0.90
-0.64
1.00
Примечание. Н - глубина, м; Т - температура грунта, оС; V - средняя скорость течения, м/с; Ошв- объемная масса влажная, г/см3; Ошс- объемная масса сухая, г/см3; ЕВ -естественная влажность, %; ППП - органическое вещество, %; >1-<0.01 - размерные фракции , d -средний диаметр частиц, мм. Жирным шрифтом отмечены значимые коэффициенты корреляции.
Note. H is the depth, m; Tis the temperature of the soil, °C; Vis the average flow velocity, m/s; Ошв - volumetric mass wet, g/cm3; OMc - bulk density dry, g/cm3; EB - natural humidity, %; PPP organic matter,%; > 1-<0.01 - size fractions, %; d is the average particle diameter, mm. Significant correlation coefficients are indicated in boldface.
Распределение наносов в естественных и занного с водностью года, режимом эксплуата-
техногенных водоемах определяется циркумизо-батной структурой рельефа дна, изрезанностью берегов и их ориентацией в пространстве. Связь с глубиной прослеживается слабо, что объясняется непостоянством уровенного режима, свя-
ции, интенсивностью гидродинамических процессов.
Таким образом, приведенные примеры показывают, что разнообразие стоковых и ветровых течений в различных частях водоемов, при-
d
водит к пестроте распределения в них типов ДО, которые различаются степенью воздействия гидродинамических сил на формирование наносов, через размыв, транзит, переотложение - трансседиментацию и аккумуляцию (накопление). При этом, натурные данные рейса 2016 г. по водохранилищам Волжско-Камского каскада, четко подтверждают наличие тесной корреляционной связи среднего диаметра частиц со средней скоростью течения в водоемах различных климатических зон, полученной нами для поверхностных вод Евразии в виде степенной функции с коэффициентом = 0.92) и ошибкой, не превышающей 10%:
У=2.16 х а107 (Я2=0.92, п=222) (Законнов, 2017).
наносов, наиболее соответствуют природным условиям и характеризуют тип донного осадка. В кернах часто встречаются слои не типичные для данного осадка, поэтому вышеупомянутые прослойки могут быть реперами по датировке экстремальных гидрометерологических событий. Такой метод позволяет сделать ретроспективную оценку происходивших природных явлений и катаклизмов палеоклимата.
Таблица 6. Шкала формирования донных осадков различного диаметра (d) в зависимости от проточно-сти (V) в водохранилищах Волжско-Камского каскада.
Table 6. Scale formation of bottom sediments of various diameters (d) as a function of flow (V) in reservoirs of the Volga-Kama cascade.
Тип донных осадков Type of bottom sediments d, мм d, mm V, м/с V, m/s
Крупный песок Coarse sand 0.5-1.0 >1.0
Средний песок Medium sand 0.3-0.5 0.5-1.0
Мелкий песок 0.2-0.3 0.2-0.5
Fine sand
Илистый песок 0.05-0.2 0.1-0.2
Thick sand
Песчанистый ил Sandy ooze 0.02-0.05 0.05-0.1
Глинистый ил Clayey silt 0.01-0.02 0.01-0.05
Анализ накопленных результатов по донным отложениям водохранилищ Волги показал, что скорости течения в интервале значений от 0.01 до 0.1 м/с формируют тонкодисперсные глинисто-илистые отложения со средним диаметром частиц 0.01-0.05 мм; V = 0.1-0.2 м/с -переходный тип - илистый песок, d = 0.050.2 мм; У = 0.2-1.0 м/с - крупнозернистые наносы (мелкий и средний песок), а = 0.2-0.5 мм; У => 1.0 м/с - крупный песок, d = 0.5-1.0 мм (табл.6).
В природе редко встречаются одноразмерные фракции, чаще всего это процентное соотношение частиц различного гранулометрического состава. Поэтому осредненные значения скоростей течения и среднего диаметра частиц
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Несмотря на природные различия гумид-ной и аридной зон Европейской территории России, гидродинамические процессы - стоковые и ветровые течения создают только им свойственные типы донных осадков (наносов).
Скорости течения выше средних формируют основной гранулометрический скелет осадков, а меньше средних - насыщают его структуру тонкодисперсными частичками. При максимальных скоростях происходит размыв дна и берегов, и сортировка осадков по крупности, а при слабых градиентах скоростного режима -создаются условия для накопления тонкодисперсных фракций с повышенными сорбционны-ми свойствами.
Естественным процессом в трансформации взвешенных веществ, поступающих из различных источников, является их интегральное перемешивание и аккумуляция на дне водотоков и
Работа выполнена в рамках государственного задания ФАНО России (тема АААА-А18-118012690104-3) и приоритетного проекта «Оздоровление Волги».
водоемов в виде донных осадков (Законнов, 2007). В зависимости от проявления гидродинамической активности они безвозвратно захораниваются или многократно участвуют во внут-риводоемных процессах трансседиментации и взаимодействия с водой и гидробионтами. При этом донные отложения теряют первоначальные свойства в результате растворения, сорбции, десорбции, микробиальной деструкции и т.д. Процесс седиментации - осаждение взвешенных минерально-органических частиц (80-90%), химическое выпадение солей, биогенных и ряда других элементов, в том числе и поллютантов, а также самоочищение воды с учетом биотических факторов (10-20%) - представляют собой не только проявление физико-химических законов, а сложный энерго-массообмен в системе вода -донные осадки - биота (Остроумов, 2005).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Буторин Н.В. Гидрологические процессы и динамика водных масс в водохранилищах Волжского каскада. Л.: Наука, 1969. 322 с.
Буторин Н.В., Зиминова Н.А., Курдин В.П. Донные отложения верхневолжских водохранилищ. Л.: Наука, 1975. 160 с.
Девяткова Т.П. Оценка транспортирующей способности потока в нижнем бьефе Воткинской ГЭС // Инновационный потенциал естественных наук. Экология и рациональное природопользование. Управление инновационной деятельностью. Тр. Международной научной конференции. Перм. гос. ун-т. Пермь, 2006. Т. II. С. 204-208.
Законнов В.В. Генетическая классификация грунтового комплекса равнинных водохранилищ // Комплексные исследования водохранилищ. Межвуз. сб. науч. тр. Перм. гос. ун-та. Пермь, 2014. С. 23-30.
Законнов В.В. Донные отложения // Современное состояние экосистемы Шекснинского водохранилища. Ярославль: Изд-во ЯРГУ, 2002. С. 45-51.
Законнов В.В. Илонакопление в системе водохранилищ Волжского каскада // Гидролого-гидрохимические исследования водоемов бассейна Волги. Тр. ИБВВ РАН. Вып. 75 (78). Ярославль: Филигрань, 2016. С. 30-40.
Законнов В.В. Осадкообразование в водохранилищах Волжского каскада. Автореф. дис. ... докт. геогр. наук. М.: ИГРАН, 2007. 39 с.
Законнов В.В. Поддубный С.А., Законнова А.В., Касьянова В.В. Осадкообразование в зонах переменного подпора водохранилищ Волжского каскада // Водные ресурсы. 2010. Т. 37. № 4. С. 425.
Законнов В.В. Течения и их роль в формировании наносов // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов. Гидро- и геодинамические процессы. Управление водными ресурсами Т. 1. Перм. гос. ун-т. Пермь, 2017. С. 65-68.
Законнов В.В., Законнова А.В. Географическая зональность осадкообразования в системе волжских водохранилищ // Изв. РАН. Сер. геогр. 2008. № 2. С. 105-111.
Законнов В.В., Костров А.В., Законнова А.В. Пространственно-временная трансформация грунтового комплекса водохранилищ Волги. Сообщение 4. Роль берегозащиты в формировании донных отложений Горьковско-го водохранилища // Водное хозяйство России. № 4. 2017. С. 60-74.
Звонков В.В. Водная и ветровая эрозия земли. М: Изд-во АН СССР, 1962. 175 с.
Курдин В.П., Зиминова Н.А. Об изменениях в грунтовом комплексе Рыбинского водохранилища // Биология внутренних вод: Информ. бюлл. 1968. № 2. С. 38-40.
Лисицын А.П. Потоки вещества и энергии во внешних и внутренних сферах Земли // Глобальные изменения природной среды - 2001. Новосибирск: СО РАН, филиал "Гео", 2001. С. 163-248.
Литвинов А.С. Гидродинамические процессы в водохранилище. Гидрологические особенности Шекснинского водохранилища // Современное состояние экосистемы Шекснинского водохранилища. Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2002. С. 23-27.
Литвинов А.С. Энерго- и массообмен в водохранилищах Волжского каскада. Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2000. 83 с.
Остроумов С.А. О самоочищении водных экосистем // Антропогенное влияние на водные экосистемы. М.: МГУ, 2005. С. 94-119.
Поддубный С.А., Сухова Э.В. Моделирование влияния гидродинамических и антропогенных факторов на распределение гидробионтов в водохранилищах. Руководство для пользователей. Рыбинск: Рыбинский Дом печати, 2002. 120 с.
Эдельштейн К.К. Водохранилища России: Экологические проблемы, пути их решения. М.: ГЕОС,1998. 227 с.
Эдельштейн К.К. Гидрология озер и водохранилищ. Учебник для вузов. - М.: Перо, 2014. 399 с.
REFERENCES
Butorin N.V. 1969. Gidrologicheskie protsessy i dinamika vodnykh mass v vodokhranilishchakh Volzhskogo kaskada [Hydrological Processes and Dynamics of Water Masses in the Volga Cascade Reservoirs]. L.: Nauka. 322 s. [In Russian].
Butorin N.V., Ziminova N.A., Kurdin V.P. 1975. Donnye otlozheniia verkhnevolzhskikh vodokhranilishch [Bottom Sediments in the Upper Volga Reservoirs]. L.: Nauka.160 s. [In Russian].
Deviatkova T.P. 2006. Otsenka transportirujushchei sposobnosti potoka v nizhnem b'efe Votkinskoi GES [Estimation of the transporting Capacity of the Stream in the lower tail of the Votkinskaya HPP] // Innovatsionnyi potentsial estestvennykh nauk. Ekologiia i ratsional'noe prirodopol'zovanie. Upravlenie innovatsionnoi deyatel'nost'u. Tr. Mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii. Perm. gos. un-t. Perm'. T. II. S. 204-208. [In Russian].
Edel'shtein K.K. 1998. Vodokhranilishcha Rossii: Ekologicheskie problemy, puti ich resheniia [Reservoirs of Russia: Ecological problems and Ways of their Decision]. M.: GEOS. 227 s. [In Russian].
Edelstein K.K. Gidrologiya ozer i vodokhranilishch. Uchebnik dlya vuzov. [Hydrology of lakes and reservoirs. Textbook for high schools]. Moscow: Pero, 2014. 399 p. [In Russian].
Kurdin V.P., Ziminova N.A. 1968. Ob izmeneniiach v gruntovom komplekse Rybinskogo vodokhranilishcha /[About Changes in the ground Complex of the Rybinsk Reservoir] / Biologiia vnutrennich vod: Inform. biull. № 2. S. 3840. [In Russian].
Lisitsyn A.P. 2001. Potoki veshchestva i energii vo vneshnirh i vnutrennikh sferakh zemli [Flows of Matter and Energy in the outer and inner Spheres of the Earth] // Global'nye izmeneniia prirodnoi sredy - 2001. Novosibirsk: SO RAN, filial "Geo". S. 163-248. [In Russian].
Litvinov A.S. 2000.Energo-i massoobmen v vodokhranilischakh Volzhskogo kaskada[Energy and Mass Exchange in the Volga Cascade Reservoirs. Yaroslavl: YaGTU. 83 p. [In Russian].
Litvinov A.S. 2002.Gidrodinamicheskie protsessy v vodokhranilishche. Gidrologicheskie osobennosti Sheksninskogo vodokhranilishcha [Hydrodynamic Processes in the Reservoir. Hydrological Features of the Sheksna Reservoir] // Sovremennoe sostoianie ekosistemy Sheksninskogo vodokhranilishcha. Iaroslavl': Izd-vo IaRGU. S. 23-27. [In Russian].
Ostroumov S.A. 2005. O samoochishchenii vodnych ekosistem [On the self-purification of aquatic ecosystems] // An-tropogennoe vliianie na vodnye ekosistemy. M.: MGU. C. 94-119. [In Russian].
Poddubnyi S.A., Sukhova E.V. 2002. Modelirovanie vliianiia gidrodinamicheskikh i antropogennykh faktorov na raspredelenie gidrobiontov v vodokhranilishchach. Rukovodstvo dlia pol'sovatelei [Modeling the Influence of hydrodynamic and anthropogenic Factors on the Distribution of aquatic Organisms in the Reservoirs]. Rybinsk: Pybin-skij dom pechati. 120 s. [In Russian].
Zakonnov V.V. 2002. Donnye otlozheniia [Bottom Sediments] // Sovremennoe sostoianie ekosistemy Sheksninskogo vodokhranilishcha. Yaroslavl': Izd-vo IaRGU. S. 45-51. [In Russian].
Zakonnov V.V. 2007. Osadkoobrazovanie v vodokhranilishchakh Volzhskogo kaskada. Avtoref. dis. ... dokt.geogr. nauk [ Sediment Formation in Reservoirs of the Volga Cascade. Extended Abstract of Dr. Sci. (Geogr.) Dissertation]. M.: Inst. geogr. RAS. 39 p. [In Russian].
Zakonnov V.V. 2014. Geneticheskaia klassifikatsiia gruntovogo kompleksa ravninnykh vodokhranilishch [Genetic classification of the ground Complex of lowland Reservoirs] // Kompleksnye issledovaniia vodokhranilishch. Mezhvuz. sb. nauch. tr. Perm. gos. un-ta. Perm'. S. 23-30. [In Russian].
Zakonnov V.V. 2016. Ilonakoplenie v sisteme vodokhranilishch Volzhskogo kaskada [Silt Accumulation in the System of the Volga Cascade Reservoirs] // Gidrologo-gidrokhimicheskie issledovaniia vodoemov basseina Volgi. Tr. IBVV RAN. Vyp. 75 (78). Yaroslavl': Filigran'. S. 30-40. [In Russian].
Zakonnov V.V. 2017.Techeniia i ich rol' v formirovanii nanosov [Currents and their Role Informations of Sedimentes] // Sovremennye problemy vodokhranilishch i ich vodosborov. Gidro- i geodinamicheskie protsessy. Upravlenie vodnymi resursami. T. 1. Perm. gos. un-t. Perm'. S. 65-68. [In Russian].
Zakonnov V.V., Kostrov A.V., Zakonnova A.V. 2017. Prostranstvenno-vremennaia transformatsiia gruntovogo kompleksa vodokhranilishcha Volgi. Soobshchenie 4. Rol' beregozashchity v formorovanii donnykh otlozhenii Gor'kovskogo vodokhranilishcha [Spatial and Temporal Transformation of the Ground Complex in the Volga Reservoirs. Communication 4. The role of bank protection in formation of sediments in the Gorky Reservoir] // Vodnoe khoziaistvo Rossii. № 4. S. 60-74. [In Russian].
Zakonnov V.V., Poddubnyi S.A., Zakonnova A.V., Kas'yanova V.V. 2010. Sedimentation in variable-backwater Zones
of Volga cains Reservoirs // Water Resources. V. 37, No. 4. P. 462-470. DOI: 10.1134/S0097807810040056
Zakonnov V.V., Zakonnova A.V. 2008. Geograficheskaia zonalnost' osadkoobrazovaniia v sisteme volzhskikh vodokhranilishch [Geographical Zonality of Sediment Formation in the System of the Volga Reservoirs]. Izv. RAN. Ser. geogr. № 2. S. 105-111. [In Russian].
Zvonkov V.V. 1962. Vodnaia i vetrovaia eroziia zemli [Water and wind Erosion of the Earth]. M: Izd-vo AN SSSR. 175 s. [In Russian].
HYDRODYNAMIC PROCESSES AND THEIR ROLE IN FORMATION OF BOTTOM SEDIMENTS IN RESERVOIRS OF THE VOLGA - KAMA CASCADE
V. V. Zakonnov1, A. V. Zakonnova1 , A. I. Tsvetkov1 , N. G. Sherysheva2
'Papanin Institute for Biology of Inland Waters, Russian Academy of Sciences, Borok, Nekouzski raion, Yaroslavl oblast, '52742 Russia, e-mail: [email protected] 2 Institute of Ecology of the Volga River Basin RAS 445012 Togliatti, ul. Komzina, '0
The results of monitoring of bottom sediments in the Volga River reservoirs and experimental data obtained during the expedition onboard the RV Academician Topchiev along 155 hydrobiological stations are presented. The data demonstrate the role of hydrochemical processes in origin and formation of the sediment complex in the Volga-Kama cascade of reservoirs. The identity of hydrological and sedimentation processes in reservoirs, in whole, and in some orographical areas such as lake-like expansions and large bays is shown. A formalized parameter of the average current velocity based on easily calculated average diameter of sediment particles is accepted in the work. This approach makes it possible to assess extremal hydrometeorological situations, date the core, and solve some problems concerning functioning of reservoir ecosystems.
Keywords: monitoring of bottom sediments, hydrodynamic and sedimentary processes, runoff, wind currents, granulometry
