9УДК 627.8
ПОКАЗАТЕЛИ ПОДОБИЯ АБРАЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ НА ИСКУССТВЕННЫХ И ЕСТЕСТВЕННЫХ ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ
Левкевич В.Е., к.т.н., Кобяк В.В.
При создании водохранилищ на базе уже существующих озер (путем обвалования, подпора дамбами и подпорными гидротехническими сооружениями, дноуглубления и т. д.) происходит поднятие уровня воды, что увеличивает развитие абразионных процессов, формирование зон подтопления, изменения растительного и животного мира в прибрежной зоне и т. д. Для прогнозирования данных негативных процессов и в особенности переработки береговой линии, необходимо учитывать показатели подобия с учетом соблюдения условий морфологического, геологического и гидрологического сходства между объектом-аналогом и прогнозируемым водоемом.
(Поступила в редакцию 23 ноября 2007 г.)
Озера и водохранилища являются важнейшими элементами природного ландшафта. Они широко используются в целях мелиорации, рекреации, орошения, регулирования поверхностного и речного стока, рыбного хозяйства, технического, питьевого и противопожарного водоснабжения, а также для энергетических нужд, борьбы с наводнениями и т. д. [1-3].
В количественном отношении на территории нашей страны преобладают озера, так как их фонд насчитывает более 10 тысяч, в то время как на долю водохранилищ приходится около 200. Поэтому для решения различных промышленных, народнохозяйственных и других проблем с 50 гг. XX ст. началось интенсивное строительство искусственных водных объектов на базе естественных. Большинство данных объектов создавалось на территории северной части Республики Беларусь в бассейне Западной Двины, которые предназначались в основном для выработки электроэнергии (строительство малых гидроэлектростанций) [1-4].
Несмотря на множество положительных моментов, искусственные водоемы оказывают определенное отрицательное влияние на окружающую природную среду и могут нарушать условия жизнедеятельности населения. Это выражается в проявлении таких процессов, как переформирование берегов - абразия, на долю которой приходится свыше 30% от всей протяженности береговой линии, подпор подземных и грунтовых вод, затопление территории, а также изменение микроклимата, почвенного, грунтового и растительного покрова, оглеение почв и т. д. [2, 5].
Комплексное и детальное изучение основных процессов, происходящих на водохранилищах и озерах, с их общей оценкой и анализом позволит вывести ряд закономерностей и определить аналогию данных процессов, что окажется очень важным при прогнозировании переработки береговой линии на естественных водных объектах - озерах, трансформируемых в озера-водохранилища, которые будут применяться для целей народного хозяйства по ряду научно-технических (ГППИ) и народнохозяйственных программ Республики Беларусь («Энергетика», «Энергозамещение» и др.). Это позволит предотвратить материальный, экологический и другие виды ущерба, уменьшит количество пострадавших среди населения, проживающего и работающего вблизи данных водоемов.
Основными берегоформирующими факторами и условиями протекания абразионных процессов являются:
- ветроволновое воздействие;
- ледовое явление;
- подводные течения;
- эрозионная деятельность поверхностных вод в верхнем бьефе;
- территориальное размещение водоемов;
- состав грунта.
Но среди них имеются и определенные геоморфологические и гидрологические отличия, которые влияют на переработку береговых склонов. К ним относятся:
- уровневый режим;
- форма объекта;
- форма склонов;
- показатель глубинности и форма подводной части водоема.
На основе анализа литературных источников [1-11] и проведенных натурных и лабораторных исследований на ряде тестовых водоемах различного происхождения можно выделить ряд специфических показателей, которые оказывают существенное влияние на прогноз абразионных процессов:
1. Коэффициент извилистости береговой линии.
Протяженность берегов, подверженных процессу абразии на озерах и водохранилищах, может определяться в зависимости от коэффициента извилистости береговой линии в плане по формуле (1) [11]:
¿абр=0,472-12, (1)
где 0,472 - численный коэффициент, показывающий зависимость извилистости береговой линии, равной отношению длины спрямленной береговой линии Ь\ к протяженности реальной береговой линии Ь2. Фактически выражение (1) показывает соотношение протяженности абразионных берегов водоемов различного происхождения и геологического строения с формой береговой линии водных объектов, т. е.
А* = /&)■ (2)
2. Ветроволновое воздействие.
Для оценки ветроволнового режима водохранилищ рассматриваются следующие
условия:
а) по данным наблюдений метеостанций республики, в районах расположения тестовых водоемов составляется карта-схема преобладающих направлений ветров [7] (рисунок 1);
б) в зависимости от силы и направления ветров развивается волновое воздействие, которое влияет на устойчивость береговых откосов, находящихся с подветренной стороны (выделенной линией указан процесс переработки береговой линии (рисунок 2)).
3. Интенсивность протекания абразионных процессов в условиях развития плоскостной и линейной эрозии (рисунок 3) [8, 9].
Используя способ совмещения карт, можно получить общую оценку о развитии аб-разионно-эрозионных процессов. В наиболее неблагоприятном положении окажется центральная часть Беларуси. Такое районирование территории дает более точную оценку протекания негативных явлений, что позволит более точно спрогнозировать негативные процессы, которые могут возникнуть после введения в эксплуатацию новых водохранилищ, а по аналогии с озерами - возможность их наблюдения.
4. Ледовое воздействие.
Значительную роль в процессе берегоформирования как водохранилищ, так и озер играют ледовые явления, наблюдаемые в зимне-весенний период, в период подвижек и торо-сообразований льда и деформации береговых склонов. Этот вопрос изучался нами в весенний период в натурных условиях на водохранилищах Заславское, Дрозды, Криницы, Чижов-ское и озерах Нарочь, Мядель, Лепельское. Этот показатель косвенного характера, так как проявление его характерно в весенний период после вскрытия водоема.
б)
а)
а) - наблюдения в зимний период; б) - наблюдения в летний период Рисунок 1 - Повторяемость направления ветров
Рисунок 2 - Абразионные процессы на береговых склонах озер и водохранилищ
а) - процесс абразии (St - линейная переработка береговой линии, м/год); б) - процесс эрозии (I - сильного проявления; II - слабого и среднего проявления; III - отсутствие или очагового проявления)
Рисунок 3 - Зонирование территории по протеканию процессов абразии и эрозии
В период ледостава происходит понижение уровня водоема, которое на переработку берегового склона не влияет. Наибольшая толщина льда отмечается в декабре, январе и зависит от глубины, проточности и формы водоема (таблица 1). Так, в результате наблюдений установлено, что наибольший показатель толщины ледового покрова характерен для озер, а вскрытие ледового покрова происходит раньше на водохранилищах (таблица 2). В результате движения ледового покрова по акватории водоемов происходит его динамическое или статическое воздействие на береговой склон, в результате чего происходит «срезка» верхнего слоя грунта, при которой нарушается механическая устойчивость склонов водоемов (рисунки 4, 5). При воздействии волн, а затем в безледный период наблюдаются берегоформи-рующие процессы, которые заново формируют нарушенные льдом склоны берега. При таянии льда, который наползает на пологие береговые склоны, наблюдается протекание водной эрозии, которая выносит верхний слой почвы талыми водами в чашу водоема.
Таблица 1 - Показатели толщины ледового покрова на тестовых водоемах
Название объекта Год и дата наблюдения Толщина льда, м Тип берега Объем переработки берегового склона, м3/пог. м
Водохранилища
Заславское 03.2006 0,6 абразионно-осыпной 1,0:1,5
Дрозды 03.2006 0,5 абразионно-обвальный 0,5:1,0
Чижовское 03.2007 0,55 абразионно-обвальный 0,7:1,2
Озера
Лепельское 03.2007 0,7 абразионно-осыпной 1,5:1,7
Нарочь 03.2007 0,6 абразионно-осыпной 1,7:2,5
5. Показатель залесенности (клсса) береговой территории (кустарниками, деревьями и т. д.) влияет на степень развития абразионно-эрозионных процессов на склонах различных водоемов и, как правило, выполняет берегоукрепляющую функцию.
Рисунок 4 - Деформация береговых склонов на озере Нарочь
6. Уровневый режим и амплитуда колебания уровня воды (АА).
В зависимости от амплитуды колебания уровня воды водохранилища подразделяются на два типа [5, 6, 10, 11]. К первому типу относятся водоемы с амплитудой колебания уровней более 5000 мм (водоемы многолетнего и сезонного регулирования), ко второму типу - водоемы с малыми колебаниями уровней - до 5000 мм. Амплитуда колебания уровней для водоемов первого и второго типов представлена на рисунках 6, 7. В зависимости от группы водоема можно оценить процесс переработки береговой линии. Так, для первой группы характерно интенсивное протекание данного процесса в период эксплуатации объекта. На водоемах второй группы процесс абразии занимает значительно меньшее время и протекает не так интенсивно и в незначительных масштабах.
Рисунок 5 - Деформация береговых склонов под воздействием льда на озере Нарочь
1 - Вилейское водохранилище; 2 - Солигорское водохранилище; 3 - озеро Нарочь Рисунок 6 - Амплитуда колебания уровня воды
1 - Заславское водохранилище; 2 - Солигорское водохранилище; 3 - озеро Лепельское Рисунок 7 - Амплитуда колебания уровня воды
7. Гранулометрический состав грунта.
Геологическое строение абразируемого берегового склона может быть как однородным, так и сложным. При наличии крупнозернистых включений в качестве расчетной характеристики рекомендуется [5] принимать коэффициент неоднородности грунта:
где ¿/10 - объем частиц, содержание которых меньше 10%; ¿/60 - объем частиц, содержание которых меньше 60%.
По материалам полевых изысканий был произведен отбор грунта на различных водоемах и составлены таблица и кривые гранулометрического состава образцов (рисунок 8).
Таблица 2 - Анализ гранулометрического состава размываемого грунта береговых склонов на тестовых водоемах
Название водоема Значение коэффициента неоднородности грунта по расчетным створам
створ № 1 створ № 2 створ № 3 створ № 4 створ № 5
Озеро Лепельское 1,4 1,35 1,25 7,8 1,4
Осиповичское водохранилище 5 3,6 4,5 4,2 3,1
Вилейское водохранилище 1,7 1,2 2,0 1,5 1,9
В результате наблюдений очевидно, что наибольшую способность к устойчивому равновесию имеют береговые склоны Лепельского водохранилища, а самые размываемые берега - Осиповичского.
нилища; 4 - створ №1,5 Осиповичского водохранилища; 5 - створ № 7 Осиповичского водохранилища Рисунок 8 - Суммарные кривые гранулометрического состава грунта
8. Несомненно, на активность и масштабы развития абразионного риска имеет влияние и форма берегового склона: обрывистая #б или пологая ц [8].
Выполнив структурный анализ основных принципов и факторов, влияющих на формирование берегов, и используя опубликованные натурные данные и лабораторные исследования, можно с определенной уверенностью сформулировать основные показатели морфологического, геологического и гидрологического подобия между объектом-аналогом и прогнозируемым водоемом:
^прогнозируемый \_Ктв > А ^ф > ^леса ' Л? ]
водоем
= Аналог- [*изв > А , ^ *леса , Л, #6 ] •
Выводы. Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:
- наличие сходства между берегообразующими факторами, имеющими место в условиях водохранилищ, говорят о сходстве и аналогии в масштабах, динамике и механизме протекания береговых процессов на озерах-аналогах и водохранилищах;
- необходимо проведение дальнейших исследований с целью выявления доминирующих факторов, оказывающих влияние на переработку берегов на озерах и водохранилищах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Широков, В.М. Водохранилища Белоруссии: природные особенности и взаимодействие с окружающей средой / В.М. Широков. - Минск: Университетское, 1991. - 207 с.
2. Якушко, О.Ф. Озера Беларуси / О.Ф. Якушко. - Минск: 1988. - 216 с.
3. Власов, Б.П. Озера Беларуси: справочник / Б.П. Власов. - Минск: БГУ, 2004 - 184 с.
4. Широков, В.М. Водохранилища Белоруссии: справочник / В.М. Широков, В.А. Пидопличко. -Минск: Университетское, 1992. - 80 с.
5. Левкевич, В.Е. Переработка берегов малых равнинных водохранилищ мелиоративных систем, ее прогноз и управление (на примере Белорусской ССР): дис. ... канд. техн. наук: 06.01.02 / В.Е. Левкевич. - Минск, 1986. - 135 л.
6. Левкевич, В.Е. Рекомендации по прогнозированию переработки абразионных берегов малых равнинных водохранилищ, сложенных несвязными грунтами / В.Е. Левкевич. - Минск: ЦНИИКИВР, 1984. - 38 с.
7. Справочник по климату Беларуси: в 4 ч. / М.А. Гольберг [и др.]; под общ. ред. М.А. Гольберга. - Ч. 4: Ветер. Атмосферное давление. - Минск: БЕЛНИЦ ЭКОЛОГИЯ, 2003. - 124 с.
8. Лопух, П.С. Рекомендации по экологическому обоснованию созданных озерных водохранилищ в равнинных условиях / П.С. Лопух, А.Н. Рачевский. - Минск: БГУ, 2002. - 22 с.
9. Жилко, В.В. Борьба с эрозией почв Белорусской ССР / В.В. Жилко. - Минск, 1962. - 39 с.
10. Левкевич, В.Е. Рациональное использование и охрана прибрежных ландшафтов на водохранилищах Белоруссии / В.Е. Левкевич, П.С. Лопух. - Минск: БелНИИТИ, 1990. - 60 с.
11. Широков, В.М. Методические рекомендации по оценке воздействий малых водохранилищ на окружающую среду / В.М. Широков, П.С. Лопух, В.Е. Левкевич. - Минск: БГУ, 1995. - 68 с.
