CC BY
320
УДК: 556.557
А.Т. Горшкова, О.Н. Урбанова, A.A. Минуллина, Д.А. Семанов
А.Р. Валетдинов, Ю.С. Ионова
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Казань, [email protected]
ХАРАКТЕРИСТИКА СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ОЗЕР КАБАН ПО ДАННЫМ БАТИМЕТРИЧЕСКИХ СБЕМОК
В статье приводятся результаты батиметрической съемки системы озер Кабан. Даиа характеристика современного состояния озер. На основе полученных данных построены цифровые модели рельефа дна. Сравнительный анализ показал, что морфометрические характеристики за продолжительный период времени изменились незначительно.
Ключевые слова: батиметрическая съемка, озера Кабан, морфометрические параметры.
Введение
Кабан представляет собой единую водную систему, состоящую из трех крупных водных объектов (озера Верхний, Средний, Нижний Кабан). Верхний Кабан - обособленный водоем, Средний и Нижний Кабаны соединены Ботанической протокой, а Нижний Кабан имеет своим продолжением протоку (канал) Булак. Общая длина всех водоемов составляет 8,6 км, а площадь водосбора, находящаяся в настоящее время полностью внутри городской черты, составляет 76,3 км2.
Первые подробные сведения о распределении глубин, отразивших явную асимметрию озерных котловин, относятся к началу и первой половине XX в. Так, Н.Б. Никольским (1902) на основе этих данных подсчитаны площадь (1190,3 тыс.м2) и объем (11463,4 тыс.м3) оз. Средний Кабан. В 1928 г. для целей строительства КазГРЭС были проведены промеры глубин озер Нижний и Средний Кабан и составлены батиметрические планы с указанием абсолютных отметок дна (Масленников, 1929). По полученным данным площадь оз. Нижний Кабан составляла 590,5 тыс.м2, а объем 3739,3 м3. Детальные морфометрические, батиметрические и термические исследования всех трех озер системы Кабан (Нижнего, Среднего и Верхнего) были выполнены В.Н. Сементовским (1940). Известны батиметрические карты озер Кабан Н.Б.Никольского (Нижний Кабан, 1901), Н.И.Масленникова (Средний Кабан, 1930) и В.Н. Сементовского (Верхний Кабан, 1931) (Очерки ..., 1957).
Целью данной работы явилось определение современных морфометрических характеристик озер, в том числе и в связи с использованием акватории оз. Средний Кабан в качестве гребного канала во время проведения Универ-сиады-2013. Задачи исследования включали комплексное обследование всех водоемов системы с проведением детальных промерных работ, составление батиметрических карт и батиграфических зависимостей, необходимых для различных водохозяйственных расчетов и построения моделей рельефа дна, определение характера изменений основных параметров озер и вызывающих их причин.
Материалы и методы
Морфометрические характеристики определяли классическими методами гидрологических исследований озер (Быков, 1972; Самохин, 1980). Батиметрическую съемку осуществляли с использованием эхолота, установленного на моторную лодку. При скорости движения 3-5 км/ч измерение глубин осуществляли с периодом 5 секунд. За-
пись профилей вели с привязкой информации о глубине к координатам по GPS-приемнику. Измерение глубин производили с точностью до одной десятой независимо от глубины. На мелководьях, заросших высшей водной растительностью, измерения производили мерной рейкой.
Количество промерных профилей назначали исходя из площади водного зеркала озера. На оз. Нижний Кабан (площадь водного зеркала 45,63 га) было проложено 12 профилей, на оз. Средний Кабан (131,3 га) - 19, на оз. Верхний Кабан (24,13 га) - 8, на Ботанической протоке (6,4 га) - 4 профиля. Эхолотный вид промеров позволил выявить особенности рельефа дна озер, увеличить количество промерных точек, наиболее точно определить их положение, значительно ускорить выполнение промерных работ и повысить их точность.
На основе промеров глубин построены батиметрические карты озер. Сечение горизонталей подбирали в зависимости от амплитуды колебания отметок дна, чтобы характерные особенности рельефа дна были достаточно хорошо выявлены. Для озер Кабан сечение горизонталей закладывали через 1 м, но для удобства пользования картами и сравнения их с ранее построенными были также составлены батиметрические карты с сечением горизонталей 2 м. Карты построены в картографическом пакете MapInfo, в равноугольной поперечно-цилиндрической проекции Гаусса-Крюгера (Пулково, 1942).
Создание цифровых моделей рельефа (ЦМР) основывалось на данных, полученных в ходе промерных работ, представленных в виде нерегулярного пространственного поля точек со значениями глубин. Область построения цифровых моделей рельефа дна ограничивалась береговыми линиями исследуемых водоемов, полученными путем векторизации на основе данных дистанционного зондирования (спутник GeoEye). ЦМР дна озер создавались в пакете Surfer 8.0. На основе данных по глубинам построены регулярные сетки значений рельефа дна. Интерполяция рельефа осуществлялась методом кригинга с учетом анизотропии. Изолинии, выходящие за контуры уреза воды, корректировались в программе Zerogrd.exe, 3D модели рельефа дна построены в программе Model3D.
Результаты и их обсуждение
Морфометрические показатели системы озер Кабан по результатам батиметрической съемки 2011 г. представлены в таблице 1. Положение озер Кабан в плане и распре-
|— научно-технический журнал
7 (49) 2012 I еоресурсы
Водоем Площадь, га Длина, км Ширина макс., м Ширина средн., м Глубина средн., м Глубина макс., м Объем, тыс. м3
Оз. Верхний Кабан 24.1 1.0 358 241 6.4 13.2 1544.9
Оз. Средний Кабан 131.3 3.7 560 346 7.6 19.0 10013.4
Оз. Нижний Кабан 45.6 1.8 322 254 8.4 17.3 3820.9
Ботаническая протока 6.4 0.56 148.5 113.5 2.5 4.4 159.6
Протока Булак 3.2 1.5 28.7 21.4 0.64 0.8 20.6
Табл. 1. Морфометрические параметры системы озер Кабан по результатам батиметрической съемки 2011 г.
деление глубин озерных котловин отражает единство их происхождения и системную зависимость. Озерные котловины вытянуты по длине, имеют неширокую береговую отмель (до 2 м глубины), крутой откос (от 2 до 6-8 м) и относительно ровное дно, на котором сформировались как глубокие понижения (13-19 м), так и возвышения (до 68 м). По конфигурации откосов и дна озерные котловины являются как бы продолжением друг друга, составляя одно целое углубление в земной поверхности, чем подтверждается факт их образования на месте палеодолины Волги.
Изменение объемов и площадей озер Кабан в зависимости от изменения глубин озер представлено батигра-фическими кривыми площадей и объемов (Рис.1). Построенные кривые имеют изгибы и переломы, что связано с особенностями строения озерных котловин. Кривые используют при различных водохозяйственных расчетах.
Оз. Верхний Кабан расположено в 1,3 км от Среднего Кабана, не соединяется с остальными водоемами системы и отличается наименьшими размерами (Рис. 2, 3). Озеро смешанного типа, продолговатое, его форма очень близка к эллипсу. Длина озера 1,0 км, средняя глубина около 6,4 м, максимальная 13,2 м. Средняя ширина 241 м, максимальная 358 м. Площадь водного зеркала 24,1 га, объем водной массы 1544,9 тыс. м3. Анализ разновременных данных показывает, что площадь водного зеркала оз. Верхний Кабан за последние 70 лет практически не изменилась (24,6 га в 1940 г. и 24,1 га в 2011 г.).
Озеро имеет ровную береговую линию. Максимальные глубины зафиксированы в средней части водоема и составляют 10-13 м. В сравнении с небольшой площадью озера подобные глубины весьма значительны и являются показателем карстового генезиса, как и у остальных озер. Изобата в 6 м захватывает всю центральную ложбину озера. На относительно плоском дне выделяются небольшие по площади понижения чуть более 12 м, расположенные в северной части озера, за которой идет большое по площади повышение. Далее дно повышается и северная оконечность озера, как и южная его часть, заболачивается и зарастает ивняком. Восточный (правый) берег примыкает к крутому уступу террасы, на которой расположена автодорога и далее на склоне частные сады. На западном (левом) берегу озера расположен п.Борисково, строения которого подходят вплотную к урезу воды. На юго-западном конце сохранилась заболоченная ложбина с небольшой протокой. Питание озера смешанное, в период весеннего половодья в него поступают талые воды.
Оз. Средний Кабан расположено в центральной части города и вытянуто с юго-востока на северо-запад между озерами Нижний и Верхний Кабан. Озеро смешанного типа,
продолговатое, самое крупное в системе озер (Рис. 4, 5). Длина озера 3,7 км, средняя глубина около 7,6 м, максимальная 19,0 м. Средняя ширина 346 м, максимальная 560 м. Площадь водного зеркала 131,3 га, объем водной массы 10013,4 тыс.м3. Береговая линия отличается глубокими заливами, на северо-восточном берегу значительное количество мелководий и заболоченных участков, юго-западный берег крутой, местами обрывистый, с большим количеством промышленных предприятий и жилых построек.
Площадь водного зеркала оз. Средний Кабан за последние 110 лет увеличилась почти на 10 га (возможно, это связано с различиями в методах измерения). Максимальная ширина оз. Средний Кабан сохраняется примерно в одних размерах (560-622 м).
Максимальная глубина оз. Средний Кабан за последние 110 лет сократилась на 11 метров. Если выполненные Б.Н. Никольским (1901) замеры верны, то за первые четыре десятилетия XX века произошло сокращение глубины водоема на 6-7 м, до 90-х гг. она сохранялась примерно на одном
0 0,05
F, тыс.кв.м
0,1 0,15 0,2
Верхний Кабан 0,25 0,3 500 400
V, тыс.куб.м
300 200 100
F, тыс.кв.м
Ботаническая протока
V, тыс.куб.м 60 50 40 30 20 10
Средний Кабан
F, тыс.кв.м V, тыс.куб.м
n inn inn inn -7ПП onn linn linn 0 5П0 100П 1500 9.000 ?snn
Нижний Кабан
Р, тыс.кв.м V, тыс.куб.м
О 100 200 300 400 500 1000 800 600 400 200 0„
Рис.1. Кривые площадей и объемов системы озер Кабан.
научно-технический журнал
I еоресурсы 7 (49) 2012
уровне, в 2007 г. максимальная глубина сократилась еще на 0,2-1,2 м, а по промерам 2011 г. она составляет 19,0 м.
По данным В.Н. Сементовского (1940), глубина котловины в заливе «Чертов угол» в 1901 г. была 19 м, к в 1940 г. она уменьшилась до 12 м и за последующие 70 лет глубина этой части озера практически не изменилась (в настоящее время она составляет 11 м). «Чертов угол» отделен от соседней глубокой котловины перешейком, глубины которого составляют 5 м. У обеих котловин обрывистые откосы, уже в 1015 м от берега глубина достигает 4-6 м и изобата в 8 м окаймляет одинаковые по площади углубления, в которых идет понижение глубины до 12 м. Оба углубления имеют форму котлов и, по мнению В.Н. Сементовского, одного происхождения, что дает возможность говорить, что «здесь имеются значительные карстовые котловины, или, одна общая котловина в склоне к востоку хребтика коренных пород». Поступление больших масс ливневых вод с Оренбургского тракта приносит большое количество твердых частиц, что способствует уменьшению глубины в районе перешейка между двумя имеющимися котловинами.
Изобата в 10 м захватывает всю центральную ложбину озера. На этом относительно плоском узком дне выделяются вытянутые щелеобразные (14-16 м) и воронкообразные (16-19 м) понижения, формирование которых может быть связано с разгрузкой здесь подземных вод в озеро. Достаточно сложным представляется рельеф дна озера в районе выпуска циркуляционного канала ОАО «Казанская ТЭЦ-1». Большой объем теплых сбрасываемых вод поступает в глубокое и длинное понижение озерной котловины, где на глубинах 12-13 м ощущается согревающее действие циркуляционных вод. Вдоль юго-западных берегов большая часть сбрасываемых вод перетекает в район водозабора ТЭЦ-1 и значительно меньшая уходит на юг водоема, где также имеются воронкообразные понижения с глубинами до 12 м.
Наличие больших глубин позволяет говорить о карстовом происхождении озерной котловины, дно которой лежит ниже дна Волги в районе г. Казани, несмотря на то, что водоем расположен на волжской террасе. В настоящее время карстовая котловина оз. Средний Кабан сильно сглажена озерными отложениями, а возможно и сползанием склонов. Существенные вариации максимальных глубин водоема на протяжении одного столетия могут найти объяснение не столько за счет заиления водоема продуктами размыва берегов и поступления в озеро
Рис.2. Батиметрическая карта оз. Верхний Кабан.
Рис. 4. Батиметрическая карта оз. Средний Кабан.
Рис.3. 3Б модель оз. Верхний Кабан.
Рис. 5. 3Б модель оз. Средний Кабан.
взвешенных веществ в составе сточных и ливневых вод и в связи с ростом его биопродуктивности, сколько влиянием постоянно протекающих в ложе водоема процессов карстообразования.
Ботаническая протока соединяет озера Нижний и Средний Кабан и вытянута с юго-востока на северо-запад. Длина протоки 0,56 км, средняя глубина около 2,5 м, максимальная 4,4 м. Средняя ширина 113,5 м, максимальная 148,5 м. Площадь водного зеркала 6,4 га, объем водной массы 159,6 тыс.м3. Изобата 2 м окаймляет почти всю поверхность протоки. На ней лежат два углубления до 3 м, на которых выделяются две продолговатых котловины глубиной до 4 м (Рис. 6, 7).
Оз. Нижний Кабан ранее соединялось с рекой Казан-кой через протоку Булак, который представляет собой выровненный и выпрямленный ров длиной 1 км по направлению русла древней речки Булак. В периоды высокого весеннего половодья волжские воды вливались через Бу-лак в озера, наполняли их и по ложбинам уходили на юг, сливаясь с волжским разливом.
Котловина озера имеет вытянутую форму, извилистые берега выровнены насыпным грунтом (2-8 м). По полученным данным, длина озера составляет 1,8 км, максимальная ширина 322 м, средняя 254 м, средняя глубина водоема 8,4 м, максимальная 17,3 м. Площадь водного зеркала 45,6 га, объем водной массы озера 3820,9 тыс.м3.
Озеро представляет собой узкий, глубокий бассейн, с очень значительным падением поперечных профилей (Рис. 8, 9). Рельеф дна южной части озера узкой полосой опускается от 2 до 12 м глубины. Изобата в 12 м захватывает всю центральную ложбину озера. На относительно плоском дне выделяются вытянутые щелеобразные (до 14 м) и воронкообразные (до 17 м) понижения, расположенные ближе к северной части озера. Как и в Среднем Кабане, возможно именно они являются местами разгрузки подземных вод, поддерживающих постоянный объем водоема в период межени. Площадь водного зеркала оз. Нижний Кабан по сравнению с 1940 г. уменьшилась на 13,5 га при неизменной длине, но увеличившейся ширине водоема. Связано это с благоустройством территории вдоль озера, расположенного в центре города и служащего местом отдыха горожан. Максимальная глубина озера за этот период увеличилась на 1,7 м.
Протока Булак тянется от ул. Татарстан до Ярмарочной площади на протяжении 1,5 км между улицами Пра-вобулачная и Левобулачная. Протоку Булак пересекают 5 мостов: Батуринский, Дегтяровский, Романовский, Лебе-девский и Ложкинский.
научно-технический журнал
7 (49) 2012 I еоресурсы
Рис. 6. Батиметрическая карта Ботанической протоки.
Рис. 7. 3Б модель Ботанической протоки.
От Ярмарочной площади до Ложкинского моста Булак, шириной 23,7 м и глубиной 0,65 м, «одет» в отвесные бетонные берега. Несмотря на то, что дно протоки в этом месте заиленное и отмечены места с зарослями водорослей, прозрачность воды составляет 60 см. Этот участок протоки имеет следующие морфометрические характеристики: площадь 29200 м2, объем 8754,7 м3.
Между Ложкинским и Дегтяровским мостами протока сужается до 11,7 м, а глубина увеличивается до 0,78 м. Берега этого участка наклонные и задернованные. В углу Дегтяровского моста со стороны ул. Правобулачной, возможно в результате строительных работ, образовался конус выноса грунта. Этот участок Булака имеет следующие морфометрические характеристики: площадь 6433,8 м2, объем 5018,4 м3.
Протока Булак на участке между Батуринским мостом и ул. Татарстан характеризуется следующими параметрами: ширина 28,7 м, средняя глубина 0,55 м, площадь 12375,4 м2, объем 6806,5 м3. Под мостом дно сильно заилено и, несмотря на большой функционирующий фонтан, прозрачность воды составляет 40 см.
Заключение
Полученные результаты позволяют заключить, что характеристики озерных котловин непостоянны во времени и под воздействием различных физико-географических факторов изменяют свои численные значения, что является нормальным циклом развития водоемов. Исследованные озера подвержены однонаправленному процессу заиления.
Однако, в отличие от донного рельефа рек, особенностью рельефа дна озер является его относительная стабильность. За продолжительный период времени (более 100 лет) параметры озер изменились незначительно. Система озер Кабан находится в устойчивом состоянии, на этапе зрелости озерных котловин, на что
глубже
указывают неширокие береговые отмели, а также видовой состав высшей водной растительности.
Проведенное гидрометрическое обследование системы озер Кабан с последующей обработкой результатов позволило построить батиметрические карты, создать цифровые модели рельефа дна водоемов и на их основе рассчитать современные морфометрические характеристики озер. Значения объемов водной массы и площадей водного зеркала озер, как наиболее используемые в водохозяйственных расчетах, определены для различных глубин (уровней воды) водоемов с помощью батиграфических кривых площадей и объемов.
Сравнение результатов батиметрических съемок, выполненных в различные годы, показало, что морфологические характеристики озер Кабан практически не изменились.
Литература
Быков В.Д., Васильев A.B. Гидрометрия. Л.: Гидрометеоиздат. 1972. 447.
Масленников Н.И. Некоторые данные по режиму озера Кабана. Ученые записки Казанского университета. 1929. Т. 89. Кн.5-6. 876-880.
Никольский Н.И. Физико-географические исследования озера Кабана. Тр. об-ва естествоисп. при Казанск. ун-те. 1902. Т.36. Вып.5. 206-212.
Очерки по географии Татарии. Казань. Изд-во «Таткнигоиз-дат». 1957. 356.
Сементовский В.Н. Материалы для геоморфологии и гидрографии территории Большой Казани. Ученыге записки Казанского университета. 1940. Т.100. Кн.3. 3-150.
A.T. Gorshkova, O.N. Urbanova, A.A. Minullina, D.A. Semanov, A.R. Valetdinov, U.S. Ionova. The current state characteristics of the Kaban lakes according to bathymetric survey (Kazan, Russia).
The results of bathymetric survey of the Kaban lakes are described in the article. Specification of the current condition of lakes is presented. Based on the available data the digital bottom relief models of lake were created. Comparative analysis showed that the morphometric characteristics for a long time have slightly changed.
Key words: bathymetric survey, Kaban lakes, morphometric parameters.
Рис. 8. Батиметри ческая карта оз. Нижний Кабан.
Рис. 9. 3D модель оз. Нижний Кабан.
Алсу Альбертовна Минуллина
Научный сотрудник лаборатории гидрологии. Научные интересы: качество вод, экологическое картографирование.
Дмитрий Александрович Семанов
К.хим.н., научный сотрудник лаборатории гидрологии. Научные интересы: математическое моделирование экологических систем, базы данных, метрология.
Айрат Ренатович Валетдинов
К.техн.н., старший научный сотрудник лаборатории гидрологии. Научные интересы: загрязнение атмосферы.
Юлия Сергеевна Ионова
Младший научный сотрудник лаборатории гидрологии. Научные интересы: водохозяйственные расчеты.
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ.
420087, Казань, ул. Даурская, д.28. Тел.: (843)298-56-10.
научно-технический журнал
шШ I еоресурсы 7 (49) 2012
