CC BY
101
КАРТОГРАФИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И МОРФОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЗОНЫ ВЛИЯНИЯ КАСКАДА АНГАРСКИХ ВОДОХРАНИЛИЩ
Леонид Александрович Пластинин
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, доктор технических наук, профессор кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. 8(914)881-18-08, e-mail: [email protected]
Владимир Павлович Ступин
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, кандидат географических наук, доцент кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. 8(964)748-22-42, e-mail: [email protected]
В статье рассматриваются принципы картографирования и методика морфодинамического анализа береговых морфосистем водохранилищ.
Ключевые слова: картографирование береговых морфосистем водохранилищ, морфодинамический анализ.
CARTOGRAPHIC MODELING AND MORPHODYNAMICAL ANALYSIS OF ZONE OF INFLUENCE OF ANGARSK RESERVOIRS
Leonid A. Plastinin
Irkutsk State Technical University, 664074, Russia, Irkutsk, 83 Lermontova, doctor of technical Sciences, professor of Surveying and Geodesy, tel. 8(914)881-18-08, e-mail: [email protected]
Vladimir P. Stupin
Irkutsk State Technical University, 664074, Russia, Irkutsk, 83 Lermontova, candidate of geographical Sciences, associate professor of Surveying and Geodesy, tel. 8(964)748-22-42, e-mail: [email protected]
The article discusses the principles of mapping and methods of morphodynamic analysis of the coastal morphosystems of reservoirs.
Key words: mapping of the coastal morphosystems of reservoirs, morphodynamic analysis.
В состав Ангарского гидроэнергетического каскада входят четыре гидроузла: Иркутский, Братский, Усть-Илимский и Богучанский. Плотины ГЭС сооружены в суженных местах долины Ангары и образуют крупные
л
водохранилища. Общая площадь затопления составляет почти 10 000 км ; протяженность территории с юга на север - около 1,8 тыс. км; глубина затопления местами превышает 100 м. Создание столь грандиозного гидроузла привело к резкому перераспределению литодинамических потоков и изменению структуры морфогенеза обширных территорий [1-4].
Затопленные пространства перешли в субаквальный литодинамический режим, а в их пределах произошла смена эрозионно-денудационных процессов на процессы абразионного размыва и аккумуляции. В границах
субаэральных подтопленных территорий имело место поднятие и смещение местных базисов денудации, изменение уровня грунтовых вод и, следовательно, перестройка литодинамических потоков побережья (рис. 1).
Рис. 1. Изменения динамической остановки в процессе подтопления берегов
Изучение экзогенной геодинамики рельефа зоны влияния ангарского гидроузла представляет несомненный научный и практический интерес [5]. Одним из основных методов исследований такого рода является картографический. Для исследования геодинамики полосы влияния водохранилищ ангарского каскада нами разработана классификация ее рельефа, а также методика картографирования и морфодинамического анализа береговых морфосистем [6, 7]. В основу дефиниции основных таксонов этой классификации положен метод дискретизации и ранжировании земной поверхности путем анализа факторов морфогенеза, важнейшим из которых является морфологический. Именно морфология служит основой для формирования как природных, так и техногенных морфосистем, характеризующихся целостностью и относительной устойчивостью своей внутренней структуры, обмена веществом и энергией и т.д.
Под переработкой береговых морфосистем мы понимаем процесс совокупного воздействия на береговую зону различных факторов, проявившихся в результате нарушения динамического равновесия в ходе формирования молодых водохранилищ и приводящих к перестройке прежде равновесных побережных и прибрежных морфосистем. Процессы формирования и переформирования берегов водохранилищ протекают как в зоне непосредственного контакта водной массы с дном и берегом, так и в пределах прилегающих к берегу субаэральных и субаквальных морфосистем
- в зоне опосредованного контакта. Основными факторами, определяющими границы, тип, облик и интенсивность переработки морфосистем ангарских водохранилищ являются:
- геоморфологический (морфология и топология рельефа);
- инженерно-геологический (устойчивость пород, слагающих территорию, к выветриванию и денудации);
- гидрологический (ветровой и волновой режимы, колебания уровня, стоковые и волновые течения, ледовые условия);
- ландшафтный (тип климата, растительный покров);
- антропогенный (техногенная нарушенность территорий).
Перечисленные факторы положены в основу зонирования морфосистем
территории исследований. Мы стремились к тому, чтобы разрабатываемая классификация была картографичной, т.е. могла служить основой для последующего картографирования. Рассмотрим подробнее основные принципы выделения морфосистем в порядке приоритетности перечисленных факторов.
Береговые каскадные склоновые системы классифицировались по морфотопологическим и морфодинамическим характеристикам. Тип береговых морфосистем определялся по совокупности следующих факторов: морфологии и морфометрии рельефа, инженерно-геологическим и гидрогеологическим условиям, ландшафтным условиям, антропогенному воздействию. Проведенная классификации береговых морфосистем стала основой для их последующего картографирования.
Таксоны, выделяемые по картам и материалам ДЗЗ на основании морфотопологических признаков, являются основными, так как определяют закономерности морфогенеза. Они характеризуются определенной структурой нисходящих литодинамических потоков под воздействием силы тяжести. Выделяется следующие типы морфосистем (рис. 2).
Рис. 2. Каскад береговых морфосистем. Пояснения в тексте
Классификация по характеру геологического субстрата отражает осложняющие инженерно-геологические локальные особенности
экзогенных геодинамических процессов. Выделены следующие тины субстрата:
- скальные грунты коренного основания (с выделением закарстованных);
- дисперсные связные грунты покровных и делювиальных склоновых отложений;
- дисперсные несвязные грунты аллювиальных отложений террас. д) классификация по ландшафтным признакам определяет региональный фон морфосистем, приуроченных к степным, таежным и техногенным ландшафтам. Ландшафтные факторы проявляются, в основном, через особенности климата и, опосредованно, растительного покрова.
Морфодинамические типы берегов определены по соотношению абразионных и аккумулятивных процессов в их пределах (табл. 1).
Таблица 1
Морфодинамические типы берегов_____________________
Типы берегов Соотношение скоростей абразии и аккумуляции Подтипы берегов
1. Абразионные Абразия больше аккумуляции а. Сложенные скальными грунтами б. Сложенные дисперсными грунтами
2. Абразионноаккумулятивные Абразия равна аккумуляции
3. Аккумулятивные Абразия меньше аккумуляции
4. Стабильные Абразия и аккумуляция незначительны
Типы берегов дешифрируются на КС по наличию (отсутствию) физиономичных морфодинамических элементов: клифа, бенча, пляжа.
Абразионный тип берегов развивается при условии преобладания абразионного процесса над аккумулятивным. Для таких берегов характерен клиф при отсутствующем или слабо выраженном пляже, что возможно при наличии достаточно сильных вдольбереговых течений, выносящих поступающие с береговых склонов наносы за пределы данного берега.
Абразионно-аккумулятивный тип берегов развивается в условиях равновесия абразионного и аккумулятивного процесса. Клиф, бенч, пляж и подводная намывная терраса развиты хорошо. Подобные морфосистемы характерны для берегов, сложенных рыхлыми отложениями, а также слабометаморфизованными или сильно выветрелыми коренными породами
Аккумулятивный тип берегов развивается в условиях отложения наносов, поступивших в процессе вдольберегового переноса. Представлен причлененными пляжами и косами при отсутствующем или зачаточном клифе.
Стабильный тип берега характеризуется малой интенсивностью размыва, отсутствием как клифа, так и пляжа. Выделяется стабильные скальные берега - крутые и приглубые, приуроченные к выдающимся в акваторию мысам, сложенным коренными породами, и стабильные дисперсные берега - пологие и отмелые, приуроченные к зонам выклинивания подпора в верховьях ингрессионных заливов.
На рис. 3 приведена карта зоны влияния водохранилища, составленная по морфотопологическому признакам [8-11]. В легенде отражены: Морфосистемы зоны влияния водохранилища: подзона постоянно
затопленных (субаквальных) морфосистем: 1 - пояс глубже волнового воздействия, 2 - пояс волнового воздействия, 3 - переходный периодически затопляемый пояс (пояс осушки); подзона субаэральных морфосистем: 4 -пояс подпора грунтовых вод; 5 - пояс прибрежных склонов, непосредственно опирающихся на береговые клифы и пляжи. Типы берегов: 6 - абразионные (клиф без пляжа), 7 - абразионно-аккумулятивные (клиф и пляж), 8-аккумулятивные (пляж без клифа), 9 - стабильные (без клифа и пляжа). Морфодинамические элементы рельефа: 10 - гребневые линии (водоразделы) 11 - килевые линии (тальвеги); 12 - бровки (выпуклые перегибы склонов); 13 - подошвы (вогнутые перегибы склонов; 14 - вершинные точки; 15- донные точки; 16 - линии тока (векторы литодинамических потоков). Характер грунта: 17 - скальные (долериты) с маломощным чехлом дресвянощебнистых отложений; 18 - полускальные (песчаники, алевролиты,
аргиллиты) с мощным чехлом глинистых, суглинистых и лессовидных отложений; 19 - техногенные перемещенные или измененные в условиях естественного залегания в результате деятельности человека. Прочие обозначения: 20 - оползни; 21 - проявления карста; 22 - эоловые формы; 23 -затопленная береговая линия Ангары; 24 - плотина ГЭС; 25 - русло Ангары.
Морфодинамический анализ берегов водохранилищ рассмотрим на примере эталонного участка Братского водохранилища в районе п. Заярск, где имеют место наиболее благоприятные для размыва берегов инженерногеологические и гидрометеорологические условия [2, 12]. Здесь по карте береговых морфосистем был проанализирован поперечный профиль каскада береговых склонов следующей последовательности: поверхность террасы -клиф - бенч (абразионная терраса, состоящая из надводного пляжа и подводной прибрежной отмели) - подводный склон (рис. 4).
По особенностям своего развития в береговой полосе ключевого участка Заярск в плане прослеживаются три переходящие друг в друга зоны:
- зона интенсивного размыва, приуроченная к оконечностям мысов;
- зона аккумуляции, приуроченная к изголовьям бухт и заливов с отмелыми берегами в условиях волновой тени;
- переходная зона, расположенная между первыми двумя; характеризуется невысокими клифами со сглаженными бровками и высоложенными уступами.
Морфодинамический анализ продольного профиля берега позволил определить скорость размыва, которая составляет здесь 3-4 м/год, выявить тенденции развития берега и сделать прогноз на ближайшие несколько десятков лет. Полученные цифры были подтверждены независимыми методами: сравнительным анализом разновременных карт и повторным геодезическим профилированием [13].
Два других эталонных участка расположены в нижней части Иркутского водохранилища (рис. 5).
Рис. 3. Морфодинамическая карта нижней части Братского водохранилища.
Пояснения в тексте
Рис. 4. Геоморфологический профиль ключевого участка Заярск 1 - полускальные грунты цоколя высокой 8-ой террасы Ангары (аргиллиты, алевролиты); 2 - дисперсные грунты аллювия высокой 8-ой террасы ангары и чехла склоновых отложений (суглинки, лессовидные суглинки); 3 - дисперсные грунты наносов водохранилища (пески, супеси); 4 - минимальный уровень
водохранилища;
5 - максимальный уровень водохранилища; 6 - живые деревья (современный лес); 7 - местоположение подмытых и унесенных деревьев (лес до затопления); 8 -отмершие деревья (топляки на корню); 9 - профиль берега до подтопления; 10 -современный профиль берега с клифом, бенчем и пляжем (после подтопления и
размыва)
I I 7 I I 8
Рис. 5. Морфодинамический анализ береговых морфосистем Ершовского
и Ново-Разводнинского полигонов Профили берегов Иркутского водохранилища (верху - правого, внизу -левого): 1 - полускальные грунты коренного берега (юрские песчаники, аргиллиты, алевролиты); 2 - рыхлые грунты чехла склоновых отложений (суглинки); 3 - аллювий затопленной поймы Ангары (гравийники и галечники); 4 - дисперсные абразионные отложения (супеси, суглинки); 5 -водная масса; 6 - исходный профиль берега; Отложения III террасы Ангары: 7 - аллювиальные (пески и галечники); 8 - делювиальные (лессовидные
суглинки).
Правый берег, сложенный связными дисперсными отложениями, размывается со скоростью 2-3 м/год, а левый, сложенный полускальными породами, со скоростями на два порядка меньше. Это видно из морфодинамического анализа профилей рассматриваемых морфосистем и анализа разновременных космических снимков.
Прогноз переформирования берегов был выполнен для затопляемого участка береговой зоны Богучанского водохранилища, расположенного на террасированном склоне левого берега Ангары в районе устья Тушамы (рис. 6). Анализ показал, что заполнение водохранилища вызовет подъем уреза воды на 13 м, нарушение литодинамического равновесия береговых морфосистем и переформирование берегов вследствие волновой абразии и размыва надпойменных террас, сложенных дисперсными грунтами.
По аналогии с подобными участками берегов Иркутского и Братского водохранилищ, можно предположить, что размыв берегов в пределах ключевого участка Тушама за первые 10 лет существования водохранилища составит примерно 20-30 м.
Рис. 6. Морфодинамический анализ береговых морфосистем
Тушамского полигона
В целом, по результатам моделирования береговых морфосистем получены следующие скорости размыва берегов: миллиметры в год для скальных грунтов (траппы, долериты, туфы); сантиметры в год для полускальных грунтов (песчаники, аргиллиты, алевролиты); метры в год для дисперсных грунтов (суглинки, лессовидные суглинки, супеси).
Судя по современной активности абразионных процессов у берегов водохранилищ, процессы их размыва еще далеки от стабилизации.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК:
1. Вологодский Г.П., Логачев, Н.А., Папшева К.М., Чарушин Г.В. Геологические условия // Братское водохранилище. Инженерная геология территории. - М.: АН СССР, 1963.-275 с.
2. Овчинников Г.И., Павлов С.Х., Тржцинский Ю.Б. Изменение геологической среды в зонах влияния Ангаро-Енисейских водохранилищ. - Новосибирск: Наука, 1999. -254 с.
3. Пластинин Л.А., Гиенко А.Я., Ступин В.П., Олзоев Б.Н., Коптев А.В. Проблемы методологических и методических разработок регионального мониторинга и экологического прогноза на примере водохранилищ Ангарского каскада // Известия ВУЗов. Горный журнал. - Екатеринбург: Изд-во Уральск. гос. горн. ун-та, 2010. - №5. -С.105-110.
4. Тржцинский Ю.Б., Овчинников Г.И. Окончательный отчет по теме: «Мониторинг экзогенных геологических процессов береговой зоны Иркутского и Братского водохранилищ». - Иркутск: Институт Земной коры СО РАН, 2004. - том 1. - 250 с
5. Пластинин Л.А. Региональное экологическое картографирование Сибири (на примере Прибайкалья и Забайкалья). Дис. ... доктора техн. наук . - Иркутск. - 2000. -181 с.
6. Ступин В.П. Морфодинамический анализ и картографирование рельефа зоны влияния водохранилищ Ангарского каскада на основе концепции морфосистем // Известия ВУЗов. Горный журнал. - Екатеринбург: Изд-во Уральск, гос. горн, ун-та, 2010. - №5. -С. 115-120.
7. Ступин В.П. Анализ возможностей использования данных Google Earth в интересах мониторинга динамики морфосистем зоны влияния каскада ангарских водохранилищ // Вестник ИрГТУ, 2011. - № 8. - С. 46-54.
8. Ступин В.П. Морфодинамическое картографирование типов берегов Ангарских водохранилищ по материалам ДЗЗ [электронный ресурс] // Геоинформационное обеспечение аэрокосмического мониторинга опасных природных процессов. - Иркутск: изд-во ИрГТУ, 2010. - 1 эл. опт. диск (CD- ROM).
9. Ступин В.П. Анализ возможностей использования данных Google Earth в интересах мониторинга динамики морфосистем зоны влияния каскада Ангарских водохранилищ [электронный ресурс] // Геоинформационное обеспечение аэрокосмического мониторинга опасных природных процессов.- Иркутск: изд-во ИрГТУ, 2010. - 1 эл. опт. диск (CD- ROM).
10. Ступин В.П., Пластинин Л.А. Морфодинамическое картографирование типов берегов ангарских водохранилищ по материалам дистанционного зондирования Земли // Вестник ИрГТУ, 2011. - № 9. - С. 72-78.
11. Ступин В. П., Паженцева А. О., Ланина Л. П. Возможности данных ДЗЗ открытого доступа для картографирования морфосистем водохранилищ Ангарского каскада // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 2. - С. 84-88.
12. Гидрометеорологический режим озер и водохранилищ СССР. Братское водохранилище . - Л.: Гидрометеоиздат, 1978. - 166 с.
13. Ступин В. П., Кононенко А. В., Пластинин Л. А. Комплексный анализ динамики размыва берегов Братского водохранилища (на примере Заярского участка) // Вестник ИрГТУ, 2012. - № 12. - С. 77-82.
© Л. А. Пластинин, В. П. Ступин, 2014
