CC BY
96
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 556.55
А.Ш. Хабидов, К.В. Марусин, Е.А. Федорова, А.Л. Хомчановский, А.А. Лыгин, Ан.А. Лыгин
Организация мониторинга береговой зоны и дна Новосибирского водохранилища*
A.Sh. Khabidov, K.V. Marusin, E.A. Fedorova, A.L. Khomchanovsky, A.A. Lygin, An.A. Lygin
Monitoring of the Novosibirsk Reservoir’s Shores and Bottom Morphology
На примере Новосибирского водохранилища рассмотрен прототип системы мониторинга берегов и дна крупных искусственных водоемов федерального подчинения.
Ключевые слова: Новосибирское водохранилище, берега водоема, ложе водоема, мониторинг берегов и дна.
The prototype of the monitoring system of coastal zone and offshore area of large man-made lakes of federal importance is considered by an example of the Novosibirsk Reservoir.
Key words: Novosibirsk Reservoir, the man-made lake shores and bottom morphology, shores and bottom monitoring.
Введение. Создание водохранилищ влечет за собой преобразование ландшафтов бассейнов рек и естественных озер со многими негативными последствиями, в числе которых наиболее опасным является разрушение берегов искусственных водоемов [1]. В связи с этим возникает необходимость контроля за состоянием берегов искусственных водоемов, прогнозирования опасных природных явлений, разработки и внедрения эффективных методов предупреждения или смягчения их последствий.
Современный подход к мониторингу берегов и дна водных объектов России. В соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 10 апреля 2007 г. .№219 «Положение об осуществлении государственного мониторинга водных объектов» мониторинг представляет собой систему наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния водных объектов, находящихся в федеральной собственности, в собственности субъектов РФ, муниципальных образований, юридических и физических лиц. При этом одними из основных целей государственного мониторинга водных объектов должны стать мониторинг дна, берегов водных объектов и наблюдение за состоянием возведенных в береговой зоне гидротехнических сооружений.
Изменения состояния берегов и дна водохранилищ главным образом обусловлены деятельностью экзогенных процессов волновой и неволновой природы [2; 3].
Нормативную основу мониторинга состояния берегов водоемов данного типа сегодня составляют ГОСТ Р 22.1.06-99 «Мониторинг и прогнозирование опасных геологических явлений и процессов» и утвержденные 26 июля 2000 г. МПР РФ «Методические рекомендации по составлению и ведению реестра наблюдательной сети мониторинга экзогенных геологических процессов». Однако в указанных документах не рассматриваются ни возможные подходы к оценке состояния берегов и ложа каких-либо гидрографических единиц, ни состав наблюдаемых параметров. Поэтому результаты проводимых Центром государственного мониторинга состояния недр (www.geomonitoring.ru/index.html) наблюдений за изменением состояния берегов водных объектов России представляют собой качественную оценку современного состояния их берегов, исключающую возможность достижения сформулированных в «Положении об осуществлении государственного мониторинга водных объектов» целей.
Мониторинг состояния ложа каких-либо гидрографических единиц до сих пор нормативными документами не регламентируется и не проводится.
Альтернативный вариант организации мониторинга берегов и дна водных объектов. В рамках проекта «Разработка технологии создания автоматизированной информационной системы мониторинга состояния береговых зон морей и внутренних водоемов Российской Федерации» (государственный
* Работа выполнена в рамках мероприятия 1.5 Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» в соответствии с го сударственным контрактом №16.515.11.5075.
контракт .№16.515.11.5075) нами на примере Новосибирского водохранилища апробируется альтернативный подход к организации мониторинга его берегов и дна.
Созданное в 1957-1959 гг. Новосибирское водохранилище относится к числу широко распространенных в России искусственных водоемов - долинных водохранилищ низменных равнин и невысоких плато. Наблюдения за рельефообразующими процессами на водохранилищах этого типа [3] позволили нам выделить в их котловинах динамические обстановки рельефообразования и осадконакопления (области) преимущественно волнового и флювиального морфолитогенеза, а также переходную между ними зону.
Область преимущественно флювиального мор-фолитогенеза Новосибирского водохранилища характеризуется значительной скоростью неволновой природы течений (стоковых/проточных), пренебрежимо малыми волновыми нагрузками на берега и представляет собой аналог естественных речных дельт - дельт выполнения. В области переходного типа происходит замещение дельтовых субобстановок обстановками мелководного водоема, благодаря чему формирование рельефа в основном обусловлено совместным действием ветровых волн и проточных течений. Однако, как и на других крупных искусственных водоемах [2], наиболее представительна по площади акватории и протяженности береговой линии область преимущественно волнового морфолитогенеза Новосибирского водохранилища. Здесь ведущую роль в процессах рельефообразования и осадконакопления играют волновые процессы, следствием чего является высокая скорость разрушения берегов (за 50 лет нормальной эксплуатации гидроузла они отступили на расстояние до 535 м), многократно превышающая скорость отступания береговой линии в других областях морфолитогенеза.
Иная ситуация складывается с накоплением твердого стока Оби, который происходит главным образом в области преимущественно флювиального морфоли-тогенеза. Значительная часть этого материала расходуется на образование новых островов и выдвижение береговой линии: за период нормальной эксплуатации Новосибирского водохранилища количество островов здесь возросло с 257 до 272, а их суммарная площадь изменилась с 43,330 до 68,233 км2. В области с господствующей ролью ветрового волнения число островов, напротив, сократилось с 231 (площадь 19,321 км2) до 133 (площадь 13,510 км2). Соответственно изменялась и площадь территорий, утраченных в результате размыва берегов водохранилища. В границах области преимущественно флювиального морфолитогенеза она составила 1,301 км2 , в переходной области также превысила 1 км2, тогда как в области преимущественно волнового морфолитогенеза достигла 28,786 км2.
Крупнозернистые продукты (главным образом песчаные разности) размыва берегов составляют основную часть наносов береговой зоны, а тонкозернистый материал выводится за ее пределы и накапливается на ложе водоема. В результате за последние 50 лет средняя глубина Новосибирского водохранилища снизилась на 12,32%, а полный объем котловины водоема сократился на 11,59%.
Организация мониторинга берегов Новосибирского водохранилища. Как и берега всех крупных водохранилищ низменных равнин и невысоких плато, берега рассматриваемого водоема на большей части своей протяженности в геоморфологическом отношении подобны берегам внутренних морей [3]. Поэтому при развертывании опорных разрезов во внимание прежде всего необходимо принимать основные положения учения о развитии морских берегов [4], что и было сделано нами на Новосибирском водохранилище, где в 2008-2009 гг. мы заложили 50 разрезов (рис. 1).
Следуя [3; 4] и другим предложениям, наблюдаемыми параметрами на опорных разрезах должны стать колебания уровня невозмущенной водной поверхности, скорость и направление ветра, параметры ветровых волн, скорость течений, концентрация взвешенных наносов в охваченной волнением толще воды, изменения рельефа дна, протяженность и высота берегового уступа, подвергшегося размыву, средняя скорость отступания береговой линии и объем размытых пород за год, месяц и/или в шторм. Поскольку поступление продуктов размыва берегов может оказать неблагоприятное воздействие на качество прибрежных вод [5], состав наблюдений было решено дополнить контролем их состояния.
Для получения оперативных данных о состоянии водной среды создана мобильная платформа, в устройстве которой применены современные технические средства для определения ее местоположения и измерения параметров состояния природной среды в прибрежной зоне водоема: температуры воды, параметров ветровых волн, скорости (трех составляющих результирующего потока) и направления течений, концентрации взвешенных наносов, рН воды, содержания растворенного кислорода, содержания биогенных веществ в воде и других ее характеристик; измерение этих параметров осуществляется синхронно с работой устанавливаемой на изучаемых участках побережья метеостанции, позволяющей регистрировать скорость и направление ветра в приземном слое атмосферы. В контексте решаемых задач параллельно наблюдениям за состоянием водной среды на акватории водоема проводятся детальные промерно-грунтовые работы (в которых используется совмещенный с GPS-приемником навигационный эхолот), отбор проб грунта, а на побережье, на пляжах и в приуре-зовой полосе водохранилища - крупномасштабные топографические съемки.
Перечисленные средства измерений образуют единый автоматизированный измерительный комплекс (рис. 2), в полевых условиях поддерживаемый промышленным защищенным планшетным компьютером TS-006 «Гранат». Компьютер «Гранат» использует программные продукты семейства ArcGIS и их прило-
жения, которые обеспечивают интеграцию данных из локальных (данные наблюдений при осуществлении мониторинга состояния береговой зоны) и удаленных источников, с доступом к удаленным источникам через Web-сервер, а также оперативную работу клиентских приложений.
Рис. 1. Фрагмент карты-схемы размещения опорных разрезов системы мониторинга состояния берегов
Новосибирского водохранилища
Аналитический блок
Базовая рабочая станция Дго0!8
Блок
математического
моделирования
Сервер
Автоматизирої
информаци
сис
СУБД Блок
Базы данных предоставления
информации
000
Измерительная сеть Росгидромета
т
!Пегпе1
Web-браузер
Мобильный аппаратный комплекс мониторинга
Мобильная
платформа
Наземный
геодезический
модуль
Модуль обеспечения промерных работ
Пользовательская рабочая станция ДгоО!в
Рис. 2. Принципиальная схема автоматизированной системы мониторинга берегов и дна водоемов
Организация мониторинга дна Новосибирского водохранилища. Проект мониторинга состояния дна Новосибирского водохранилища базируется на батиметрических картах и цифровых моделях рельефа котловины водоема масштаба 1:25000 (основная акватория водоема) и 1:10000 (мелководные области водоема), построенных по результатам измерений глубины в 862267 точках с определенными географическими координатами. В результате были выявлены основные морфометрические характеристики водохранилища: объем при НПУ 113,5 м БС в настоящее время составляет 7,78 км3, площадь - 1081,79 км2, в том числе площадь мелководий - 228,16 км2, средняя ширина - 5,90 км, максимальная ширина -
22,00 км, длина по судовому ходу - 183,40 км, средняя глубина - 7,19 м, максимальная глубина - 24,20 м, количество островов - 406, площадь островов -87,35 км2, протяженность береговой линии (коренной берег) - 725,64 км. В дальнейшем промерные работы будут проводиться на 21 поперечном профиле (рис. 3), размещение которых учитывает особенности строения и плановых очертаний котловины, а также особенности протекающих на Новосибирском водохранилище процессов морфолитогенеза [3]. При ведении мониторинга дна контролируемый по результатам промерных работ параметр - изменение глубины водоема в точках с заданными географическими координатами.
Заключение
1. До настоящего времени концепция мониторинга берегов и дна внутренних водоемов России не создана, отсутствует методика сбора, обработки и хранения информации, равно как нет рекомендаций по оперативному, средне- и долгосрочному прогнозированию береговых процессов на водохранилищах. В связи с этим ИВЭП СО РАН разрабатывается система мониторинга берегов и дна искусственных водоемов, апробируемая на Новосибирском водохранилище.
2. Ведение мониторинга состояния берегов Новосибирского водохранилища и программное обеспечение, используемое для анализа накапливаемых данных, позволяют составлять как оперативные, так и средне-, долгосрочные прогнозы их развития
и соответственно определять риск превышения контролируемых параметров в зависимости не только от степени активности протекающих в береговой зоне природных процессов, но и от масштабов и характера антропогенных нагрузок.
3. Анализ ЦМР котловины Новосибирского водохранилища и материалов мониторинга его дна дает возможность оценивать изменения морфометрических характеристик котловины водоема и использовать полученные данные для решения широкого круга прикладных задач, включая задачи управления водными ресурсами.
4. Система мониторинга берегов и дна Новосибирского водохранилища может стать прототипом аналогичных систем, намеченных к развертыванию на других искусственных водоемах России.
Библиографический список
1. Природные опасности России. Экзогенные геологические процессы / под ред. В.М. Кутепова, А.И. Шеко. - М., 2002. - Т. 3.
2. Хабидов А.Ш., Жиндарев Л.А., Тризно А.К. Динамические обстановки рельефообразования и осадконакопления береговой зоны крупных водохранилищ. - Новосибирск, 1999.
3. Хабидов А.Ш., Леонтьев И.О., Марусин К.В. и др. Управление состоянием берегов водохранилищ. - Новосибирск, 2009.
4. Зенкович В.П. Основы учения о развитии морских берегов. - М., 1962.
5. Guidance specifying management measures for sources of nonpoint pollution in coastal waters // Chapter I. Washington, DC: United States Environmental Protection Agency, Office of Water, 1990.
