CC BY
30
УДК 528.94
МОРФОДИНАМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ЗОНЫ ВЛИЯНИЯ ИРКУТСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА
Владимир Павлович Ступин
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (964)103-08-17, e-mail: stupinigu@mail.ru
Леонид Александрович Пластинин
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, доктор технических наук, профессор кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (914)881-18-08, e-mail: plast@istu.edu
Борис Николаевич Олзоев
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, кандидат географических наук, доцент кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (914)8811808, e-mail: icob_irk@mail.ru
Рассмотрены принципы, методика и результаты тематического картографирования и морфодинамического анализа зоны воздействия Иркутского водохранилища на основе концепции морфосистем, использования материалов дистанционного зондирования и технологий геоинформационной картографии.
Ключевые слова: геоинформационное картографирование, мониторингводохранилищ, морфодинамический анализ.
MORPHODYNAMIC STUDY AND GIS MAPPING OF THE ZONE OF INFLUENCE OF THE IRKUTSK RESERVOIR
Vladimir P. Stupin
Irkutsk National Research Technical University, 83, LermontovaSt., Irkutsk, 664074, Russia, D. Sc., Associate Professor, Professor, Department of Surveying and Geodesy, phone: (964)103-08-17, e-mail: stupinigu@mail.ru
Leonid A. Plastinin
Irkutsk National Research Technical University, 83, LermontovaSt., Irkutsk, 664074, Russia,
D. Sc., Professor, Department of Surveying and Geodesy, phone: (914)881-18-08, e-mail: plast@istu.edu
Boris N. Olzoev
Irkutsk National Research Technical University, 83, LermontovaSt., Irkutsk, 664074, Russia, Ph. D., Associate Professor, Department of Surveying and Geodesy, phone: (914)881-18-08, e-mail: icob_irk@mail.ru
Principles, methods and results of thematic mapping and morphodynamic analysis of the impact zone of the Irkutsk reservoir based on the concept of morphosystems, the use of remote sensing materials and technologies of GIS mapping are considered.
Key words: GIS mapping, monitoring of reservoirs, morphodynamic analysis.
Иркутское водохранилище на реке Ангара- первое из водохранилищ Ангарского каскада, образованное в результате строительства Иркутской ГЭС, которое началось в 1950 году и было закончено в 1958 году. Однако, наполнение водохранилища до уровня нормальной проектной отметки (НПУ) 456,59 м, было завершено только в 1962 году. При этом уровень озера Байкал поднялся на 1,46 м и озеро фактически стало частью водохранилища. Полезный объём речной части водохранилища составляет 0,07 км3, а озерной 23 615,39 км3. Речная часть водохранилища используется для суточного регулирования стока, а озёрная, составляющая более 99 % от общего объёма, обеспечивает многолетнее и годичное регулирование стока и равномерность работы Иркутской ГЭС. Отметка ФПУ (форсированного подпорного уровня) при пропуске паводка обеспеченностью 0,01 %, то есть 1 раз в 10 000 лет, составляет 458,2 м, а отметка УМО (уровня мёртвого объёма) - 456 м. Таким образом, практически колебания уреза водохранилища не превышают 1 м.
Несмотря на то, что Иркутская ГЭС является низконапорной русловой станцией, в зоне затопления и подтопления водохранилища оказалось 1 386 км , в том числе 323 км2 земель сельскохозяйственного назначения, более 200 населённых пунктов, участок шоссейной дороги Иркутск-Листвянка и часть Круго-байкальской железной дороги на участке Иркутск-Михалево-Подорвиха-Байкал. Из зоны затопления было переселено 3,3 тыс. дворов и 17 тыс. человек.
Длина образовавшегося искусственного водоема по прямой от истока Ангары до верхнего бьефа ГЭС составляет 55 км, а его средняя ширина 2,8 км (максимальная 7 км). Однако, вследствие сильной изрезанности берега в результате подтопления устьев притоков Ангары, длина береговой линии существенно больше и составляет 143 км для левого берега и 132 км для правого. Площадь водного зеркала при НПУ превышает 154 км . Средняя глубина водохранилища достигает 13,2 м, а максимальная глубина (35 м) находится у верхнего бьефа плотины ГЭС Площадь водосбора водохранилища, исключая его-озерную часть, составляет 542 км .
Иркутская ГЭС - первая крупная гидроэлектростанция в Сибири. Она выработала более 200 млрд кВтч возобновляемой электроэнергии, что позволило установить в Иркутской области самые низкие тарифы на электроэнергию в России и дало толчок к развитию промышленности региона, в том числе энергоёмких производств, таких как Иркутский алюминиевый завод. Станция используется как переход через Ангару - по плотине ГЭС проложена автомобильная дорога. ГЭС поддерживает судоходные глубины на Ангаре вплоть до Братского водохранилища. Иркутская ГЭС обеспечивает стабильную работу водозаборов, расположенных как на водохранилище, так и ниже его по течению. Обладая крупным регулирующим водохранилищем и широкими возможностями по управлению стоком, Иркутская ГЭС позволяет эффективно бороться с традиционными для Иркутска зимними наводнениями, вызываемыми за-жорными явлениями. Расход на нижнем бьефе Иркутской ГЭС при пропуске сильных паводков может достигать 6000 м3/с, в то время как в настоящее время,
по причине массовой застройки поймы Ангары, затопления начинаются уже при расходе 3000 м3/с.
С другой стороны, создание каскада ангарских водохранилищ осложнило общую экологическую обстановку и привело к негативному изменению природных условий на их побережье, поскольку сопровождалось резким нарушением сложившегося веками естественного равновесия ландшафтов, активизацией и расширением спектра опасных экзогенных геологических процессов [1].
По достижении уровня воды своего НПУ, основной ареной активизации геологических процессов становятся подтопленные склоны и прибрежное мелководье. Прежде всего, это касается процессов непосредственной переработки образовавшихся берегов в поле воздействия волн и течений, где начинается интенсивное изменение рельефа под воздействием процессов абразии, аккумуляции и вдольберегового переноса наносов, формирующих новую береговую ли-нию.В результате размыва берегов и взмучивания наносов, глинистая составляющая береговых отложений уносится водой во взвешенном состоянии, а запасы песка возобновляются.
На вышележащих склонах молодых берегов оживляются многие до этого вялотекущие и возникают ранее не присущие геологические и гидрогеологические процессы: овражная эрозия, карст, суффозия, просадки, оползни, осыпи, обвалы и т.д. В зоне осушки и на мелководьях формируются надводные формы аккумулятивного рельефа (пляжи, косы, пересыпи), а на приглубых прибрежьях - подводные аккумулятивные призмы (рис. 1, а). Интенсивность многих перечисленных процессов в настоящее время не только не затухает, но зачастую, наоборот, усиливается, что свидетельствует о том, что берега водохранилищ еще далеки от стабилизации.
Влияние созданного водохранилища не ограничивается только переформированием береговой линии и прилегающих склонов. На территории всего побережья могут развиваться процессы подтопления, заболачивания, гибели лесов и др. Ширина зоны воздействия зависит от размера водохранилища, положения НПУ и амплитуды его колебаний относительно бровки берега и изменяется от места к месту от нескольких десятков метров до нескольких километров.
В зоне подтопления, включающей прибрежную полосу водохранилища, повышается уровень грунтовых вод и происходят его колебания синхронно с колебаниями уровня самого водохранилища. Это вызывает активизацию проявлений, овражной эрозии, суффозии и карста.
В зоне береговой переработки, которая включает подзоны непосредственного волнового воздействия (клифы, пляжи и подводные террасы) ведущими геологическими процессами является выветривание, абразия и, связанные с ней оползни, осыпи и обвалы, а также вдоль береговой перенос и аккумуляция наносов (рис. 1, б).
а) б)
Рис. 1. Снимок ОеоБуе-1 (дата съемки 03 июня 2017 г.):
а) приглубый берег Иркутского водохранилища; б) береговой перенос и аккумуляция наносов Иркутского водохранилища. Район Иркутского аграрного университета
В зоне постоянного затопления, приуроченной к субаквальной части водохранилища, характерно отложение наносов, в основном абразионного происхождения, а также всплывание дернины, торфяников и топляка.
Влияние водохранилища проявляется также на нижнем бьефе и далее вниз по течению реки, а также и на участке реки выше по течению в зоне влияния подпора. Одновременно происходят изменения гидрологического и атмосферного режима - скорости течения, проточности, ледового режима, температуры, влажности, ветров, туманов и т. д.
В Иркутском водохранилище отчетливо обособляются правобережная и левобережная части. Правый берег в его нижней части сложен четвертичными лессовидными склоновыми суглинками и песчано-галечными отложениями ангарских террас. Левый берег почти на всем протяжении сложен скальными и полускальными породами юрского возраста и лишь в средней части в районе залива Большой Калей на незначительном протяжении берега формируются в суглинистых и песчано-галечных отложениях.
В береговой зоне водохранилища на протяжении 152 км (55 % общей дли-ны)по интенсивности и масштабам наиболее развиты абразионные процессы. Максимальная ширина размыва иногда превышает 200 м. Наиболее подвержено размыву сложенное дисперсными грунтами правобережье водохранилища от плотины ГЭС до поселка Патроны. Это привело к значительным безвозвратным потерям земель, в том числе приусадебных участков, пашен и лесных угодий. Максимальные высоты абразионных уступов в рыхлых отложениях подчас превышают 8 м, а в скальных и полускальных - до 3 м. Максимальная ширина размыва уже к 2000 году составляла для слабых грунтов 180 м, а для прочных 25 м [2]. Сейчас эти показатели стали еще больше.
Таким образом, изучение зоны влияния Иркутского водохранилища представляет несомненный научный и практический интерес вследствие особо высокой динамичности происходящих здесь процессов. Очевидна также необходимость организации комплексного и оперативного экологического мониторинга рассматриваемой территории, как части водохранилищ Ангарского кас-када[3]. В этом аспекте немаловажное значение имеют относительно небольшие размеры и доступность Иркутского водохранилища как эталона для системно-комплексного мониторинга других водохранилищ каскада.
Наиболее эффективным инструментом указанного мониторинга является геоинформационное картографирование. Применение ГИС-технологий и цифровой картографии позволяет изучать и анализировать сложный механизм формирования и развития крупных водохранилищ по их цифровым картографическим моделям, реализуемым в двухмерном, трехмерном и четырехмерном (динамика во времени) представлении. Геоинформационное картографическое моделирование многократно увеличивает возможности накопления, актуализации, передачи, тиражирования и управления информацией и данными о динамике зоны воздействия водохранилищ. Оно является незаменимым, эффективным и гибким инструментом для научных, ведомственных, административных и других организаций, при выявлении, территориальной привязке, изучении и оценке абразионных, оползневых, гравитационных, карстовых, биогенных и других негативных процессов. Они активно протекают в береговой зоне и за ее пределами, это важно при их прогнозе, планировании и управлении мероприятиями по борьбе с этими процессамии ликвидации их последствий.
Основой геоинформационного картографирования в интересах мониторинга зон влияния водохранилищ являются следующие базовые составляющие: методологическая, информационная и технологическая.
Методологическая составляющая является теоретической основой мониторинга и ГИС-картографирования динамики водохранилищ. В качестве такой основы выступает концепция морфосистем и морфодинамического анализа земной поверхности, позволяющая выявить естественную делимость и динамическую иерархию рельефа и выполнить его картографирование на трех уровнях генерализации - морфоструктурном, бассейновом и склоновом [4, 5]. Одним из базовых принципов мониторинга морфосистем водохранилищ представляется картографирование и районирование их морфологии и динамики на основе двух последних из указанных уровней - бассейновом, в еще большей степени, склоновом. Именно в бассейнах осуществляется распределение потоков талых, дождевых и подземных вод и их наносов. Береговые же склоновые системы являются ареной наиболее динамичной перестройки морфодинамических обста-новок при наполнении и эксплуатации водохранилищ.
Согласно бассейновой концепции границами бассейновых систем служат водоразделы, а выводящими каналами - тальвеги стволовых водотоков. Бассейновые системы имеют только один выход и опираются непосредственно на урез водохранилища, то есть линии тока вещества и энергии образуют древовидные конвергентные системы. Бассейновые системы обычно включают два-
три уровня бассейнов низших порядков. Наименьшая таксономическая единица бассейнового ряда - элементарный бассейн с тальвегом первого порядка - выделяется по особенности морфологии эрозионной сети, заключающейся в том, расчленяющие его борта тальвеги нулевого порядка конформны своим склонам и лишь осложняют их, не образуя собственных бассейнов.
Информационная составляющая геоинформационного системного картографирования представляет собой систему сбора, систематизации и оперативного обновления баз специальных данных. Источниками информации служат: оперативные постоянно обновляемые материалы дистанционного зондирования (цифровые и аналоговые аэро- и космические снимки, получаемые с разнообразных летательных аппаратов и сенсоров); топографические, инженерно-геологические, ландшафтные и другие карты; цифровые модели рельефа; данные, описания и материалы предыдущих и современных исследований и изысканий (рис. 2).
а) б)
Рис. 2. Берег (полуостров Чертугеевский) Иркутского водохранилища:
а) фрагмент космического снимка Оео-Буе-1 (дата съемки 03.06.2017 г.);
б) цифровая модель рельефа, построенная по данным цифровой топографической карты
Технологическая составляющая системного картографирования представляет собой ГИС, предназначенную для пространственной привязки, накопления, хранения, актуализации, обработки и получения новой информации о динамике водохранилищ. Одним из главных средств отображения и исследования геоданных является ГИС-картографирование, которое позволяет выполнить анализ и синтез факторов и условий формирования и развития береговых мор-фосистем на разных масштабных и временных уровнях (рис. 3).
Рис. 3. Принципиальная схема ГИС-картографирования береговых
морфосистем
Качество получаемых цифровых карт определяется применяемым программным обеспечением, возможностями средств ввода, вывода и обработки информации. Например, приблизительно одинаковые результаты обеспечивают такие ГИС, как MapInfo, Панорама и др., однако наиболее предпочтительной представляется Esri ArcGIS - геоинформационная платформа корпоративного уровня, предназначенная для поддержки принятия решений с использованием пространственной информации для управления территорией, регионом или организацией. ArcGIS обеспечивает решение любых технологических задач, связанных со сбором, хранением, анализом, визуализацией и предоставлением доступа к пространственным данным (рис. 6). Наиболее полезным для наших исследований модулем системы является модуль Spatial Analyst и особенно такие его опции, как построение изолиний и вычисление производных характеристик поверхностей (отмывки, зон видимости, уклонов, кривизны, экспозиций, поступления солнечной радиации). Также успешно выполняются гидрологические расчеты (поверхностный сток, инфильтрация грунтовых вод, построение речных бассейнов, выделение и порядковая классификация тальвегов). Вторая опция реализуется с помощью стандартных и специализированных инструментов ArcGIS, соответственно, модуля Гидрология и модуля ArcHydro. Эти модули позволяют получать карты гидрографии с соответствующими данными и описаниями, строить дренажные системы, реализовывать 3-D представление как отдельных водотоков, так и их сетей; создавать временные ряды, описывавшие динамику береговых систем.
Контуры бассейновых морфосистем разного ранга строятся на основе цифровых моделей рельефа (ЦМР), например, таких как SRTMv4. Наилучшие результаты получаются в том случае, если сначала используется инструмент Привязка точки устья (SnapPourPoint), который позволит определить положение точек устьев, привязав их к ячейкам с высоким суммарным стоком. Усть-
евые точки можно также набирать вручную по горизонталям векторной карты, построенной по ЦМР.
Принципы, положенные в основу классификации картографируемых берегов и методики картографирования зоны воздействия водохранилищ специально заточены на широкое использование материалов дистанционного зондирования. Классификации должны быть картографичными, т.е. служить основой для последующего оперативного картографирования протяженных береговых линий и обширных площадей зон влияния всех водохранилищ Ангарского каскада, в т.ч. в условиях ограниченного финансирования и сжатых сроков картографирования. Поэтому в основу классификации берегов положен морфотопо-логический принцип, так как именно морфотопология есть результат прошлого, основа настоящего и предпосылка будущего развития рельефа. Одновременно, она является индикатором выявления природных и техногенных морфосистем, характеризующихся целостностью и относительной устойчивостью своей внутренней структуры, обмена веществом и энергией и т.д.
Основными факторами, определяющими морфотопологию, границы, тип, облик и интенсивность переработки морфосистем водохранилищ являются:
- геоморфологический (морфология и морфометрия 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).
Итак, береговые каскадные склоновые системы классифицируются по морфотопологическим и морфодинамическим характеристикам. Тип береговых морфосистем определялся по совокупности морфологии и морфометрии рельефа, инженерно-геологическим, гидрогеологическим и ландшафтным условиям и антропогенному воздействию.
На рис. 4 приведен авторский вариант базовой морфодинамической карты Иркутского водохранилища, на которой отображена бассейновая структура зоны его воздействия, инженерно-геологические условия, антропогенная нагрузка и морфодинамические типы берегов.
Рис. 4. Морфодинамическая карта Иркутского водохранилища Условные обозначения: 1-3 Грунты: 1 - скальные: сильнометаморфизован-
V-» V-» /-Ч
ные архенскне гранитоиды, гнейсы, кристаллические сланцы, мраморы; 2 -полускальные: песчаники, алевролиты, аргиллиты, конгломераты, угли; 3 -дисперсные: суглинки, пески, галечники; 4 - акватория водохранилища; 5 -селитебные территории; 6-8 - структурные линии: 6 - главный водораздел водосбора водохранилища; 7 - водоразделы второго порядка; 8 - тальвеги; 9 - плотина ГЭС; 10-13 - морфодинамические типы берегов: 10 - абразионные, интенсивно размываемые; 11 - относительно стабильные; 12 - аккумулятивные; 13 - ингрессионные подтопленные
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Тржцинский Ю. Б., Козырева Е. А., Мазаева О. А. Активизация экзогенных геологических процессов под воздействием водохранилищ // О состоянии окружающей природной среды Иркутской области в 2000 году. - Иркутск: ОАО НПО "Облмашинформ", 2001. -С.188-190.
2. Тржцинский Ю. Б., Овчинников Г. И. Окончательный отчет по теме: «Мониторинг экзогенных геологических процессов береговой зоны Иркутского и Братского водохранилищ», том 1. Институт Земной коры СО РАН, 2004. - 356с.
3. Пластинин Л. А., Ступин В. П. Картографо-космический мониторинг зоны воздействия водохранилищ Ангарского каскада: монография. - Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2018. -188 с.
4. Ступин В. П. Картографирование морфосистем. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. - 160 с.
5. Пластинин Л. А., Ступин В. П. Морфосистемное картографирование экзогенных геологических процессов Байкальской горной страны // Геодезия и картография. - 2013. - № 10. - С.17-21.
© В. П. Ступин, Л. А. Пластинин, Б. Н. Олзоев, 2018
