Прогнозные и наблюдаемые смещения береговой линии Цимлянского водохранилища Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

————— СИСТЕМНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ ======

УДК 627.8

ПРОГНОЗНЫЕ И НАБЛЮДАЕМЫЕ СМЕЩЕНИЯ БЕРЕГОВОЙ ЛИНИИ ЦИМЛЯНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА

© 2013 г. Н.А. Шумова

Институт водных проблем РАН Россия, 119333 г. Москва, ул. Губкина, д. 3. Е-mail: shumova@aqua.laser.ru

Поступила 23.10.2012

Выполнено сравнение расчетных величин смещения береговой линии Цимлянского водохранилища с материалами натурных наблюдений для временных интервалов 12.5, 25 и 50 лет с начала существования водохранилища. Приводятся результаты оценки скорости смещения береговой линии за те же временные интервалы.

Ключевые слова: Цимлянское водохранилище, смещение береговой линии, натурные наблюдения, прогноз.

При проектировании и эксплуатации водохранилищ большое практическое значение имеет разработка схем расчета и прогноза процесса формирования берегов. В 1950-е годы, в связи с огромным размахом гидроэнергетического строительства, разрабатывались различные схемы расчета будущих профилей береговой зоны водохранилищ. Процессы формирования берегов зависят не только от геолого-морфологических исходных условий, характера и масштабов гидрометеорологических явлений, но и от их сочетаний в определенный отрезок времени, что создает значительные трудности при составлении прогнозов переформирования береговой линии. Трудности возникали и при оценке достоверности полученных результатов: большинство предложенных в те годы схем предусматривало расчет так называемого предельного профиля (Кокоулин, Кокоулина, 1958), что исключало практическую проверку таких схем расчетов в ближайшие, ко времени составления прогнозов, годы.

В последние годы одним из наиболее обсуждаемых вопросов стало несоответствие прогнозных и наблюдаемых показателей активности переработки берегов водохранилищ (Назаров, 2011; Стародубцев, 2012). На основе материалов натурных наблюдений за скоростью разрушения берегов специалистами делается вывод, что в ближайшие десятилетия процессы переработки берегов водохранилищ не снизят темпы своего развития. Время показало, что ожидаемая ранее относительно быстрая и окончательная стабилизация абразионных и оползневых берегов водохранилищ не происходит.

Материалы и методы

В настоящей работе анализируется прогноз деформаций берегов Цимлянского водохранилища (Цимлянское ..., 1977), составленный по методу, разработанному в ГГИ (Кондратьев, 1960). Данный метод позволяет рассчитывать и прогнозировать береговые переформирования, вызванные действием ветровых волн на водохранилищах озерного типа. Прогноз был составлен для той части береговой линии Цимлянского водохранилища, на которой наиболее интенсивно развиты процессы абразии. Для низких ровных берегов затопления, низких бухтовых берегов затопления, формирующихся, в основном, по аккумулятивному типу, аккумулятивных и абразионно-оползневых берегов прогноз не составлялся, так как данный подход к ним не применим. На рисунке 1 показаны типы берегов Цимлянского водохранилища, отражающие их развитие в соответствии с генетической типизацией Д.Г. Панова (Панов, 1956). В ее основе лежат: начальные условия - профиль берега до разрушения; уровень воздействия волн на профиль при нормальном режиме эксплуатации водохранилища; геологическое строение берега на профиле.

При составлении исследуемого прогноза (Цимлянское ..., 1977) были использованы материалы натурных наблюдений за переформированием берегов Цимлянского водохранилища за 1952-1965

годы на профилях у станицы Хорошевской, хутора Суворовского, поселка Нижний Чир на правом берегу, хуторов Ильмень-Суворовского, Веселого и Приморского - на левом (рис. 1). Непрерывные наблюдения на указанных профилях продолжаются по настоящее время. Ниже приведена краткая геолого-морфологическая характеристика профилей.

Рис. 1. Типы берегов Цимлянского водохранилища (Цимлянское ..., 1977): 1 - абразионный, 2 -абразионно-обвальный, 3 - абразионно-оползневой, 4 - аккумулятивный, 5 - низкий ровный берег затопления, 6 - бухтовый берег затопления. Fig. 1. Coast types of the Tsimlyansk reservoir (Tsimlyansk ..., 1977): 1 - abrasion, 2 - abrasion-landslide, 3 - abrasion-landslipe, 4 - accumulative, 5 -low even coast of flood, 6 - bay coast of flood.

На участке у станицы Хорошевской берег высокий, крутой, приглубый. На отметках 28.0-41.0 м берег сложен харьковскими алевролитами, на которых слоем 1-2 м залегают харьковские средне- и крупнозернистые кварцевые пески, в свою очередь перекрытые полтавскими мелкозернистыми песками. Поверхность полтавских песков находится на отметках 59.0-63.0 м, в их толще встречаются глыбы облаковидных песчаников, попадается большое количество известковых стяжей, рогулек. Полтавские пески перекрываются либо покровными суглинками небольшой мощности, либо сарматскими известняками. В первые годы существования водохранилища отмечалась значительная интенсивность процесса формирования берегов данного типа, объясняющаяся размывом либо делювиального покрова, либо трещиноватых алевролитов, обладающих меньшей прочностью. Берега формировались за счет врезки в обрыв коренного берега с образованием нешироких абразионных террас. Профили у станицы Хорошевской ориентированы на восток (здесь и далее за начало профиля принят закрепленный репер, расположенный вне зоны затопления). На участке повсеместно наблюдается размыв коренного берега с накоплением обломков коренных пород (валуны, глыбы, галька) у основания обрыва. Отмечаются старые задернованные растительностью и новые осыпи, обвалы, трещины, волноприбойные ниши. К 2007 году общее отступание берега у станицы Хорошевской составило 159.4 метра.

Профили у хутора Суворовского ориентированы на юго-восток. Берег на этом участке довольно высокий, крутой, на отметках 27.0-28.0 м плавно переходящий к пойме. Подмываемый береговой склон сложен супесями, перекрываемыми суглинками. Продвижение бровки коренного берега за период 1953-2007 год составило 94.91 м.

Профили, заложенные у поселка Нижний Чир, ориентированы на восток-северо-восток и подвержены наибольшему воздействию волн, вызываемых ветрами восточных направлений. Берег на участке наблюдений высокий (5-10 м), довольно крутой, прорезан рядом глубоких балок и оврагов. Подмываемый береговой склон сложен бурыми суглинками с включением большого количества опоковидных камней, а также трещиноватыми алевролитами. Береговой склон с редкими осыпями и обвалами задернован растительностью. У основания обрыва отмечаются волноприбойные ниши. За период 1953-2007 годы берег у поселка Нижний Чир отступил на 64.18 м.

Профиль у хутора Ильмень-Суворовского ориентирован на запад и подвержен размыву волнами, вызванными ветрами западных направлений. Берег сложен лессовидными суглинками и супесью бурого цвета, покрытыми почвенно-растительной толщей мощностью 0.2 м. Высота берега колеблется от 1.0 до 3.0 м. Берег крутой, обрывистый, со старыми, задернованными растительностью, и новыми обрушениями. Обрушившейся грунт размывается. Многочисленные волноприбойные ниши, останцы у основания обрыва свидетельствуют о непрекращающихся абразионно-обвальных процессах. С начала существования водохранилища до 2007 года смещение береговой линии в районе хутора Ильмень-Суворовского составило 141.9 м.

Профиль у хутора Веселого расположен на крутом высоком берегу и ориентирован на северо-северо-запад. У основания берег сложен зеленовато-серыми (иногда красными) глинами, которые перекрываются мелкими песками светло-серого цвета. Пески перекрыты бурыми суглинками, на которых залегает маломощный почвенный покров. Берег обрывистый с новыми и старыми, задернованными растительностью, осыпями, обвалами. Обрывы представляют отвесную стену, нависшую над водой, с многочисленными волноприбойными нишами и останцами у основания. На поверхности обрыва множество трещин и структурных столбчатых отдельностей, характерных для суглинков, которые, обрушаясь, создают осыпи у основания клифа. В связи с тем, что береговой склон сложен малоустойчивыми к процессам абразии материалами, а ветровые волны достигают значительных высот, на участке наблюдается интенсивная переработка берега. Отступание берега достигло к 2001 году 126.9 м.

Берег у хутора Приморского абразионный, приглубый, сложен лёссовидными суглинками. Характерной особенностью формирования берега у хутора Приморского является то, что при НПУ на отдельных участках первоначальная бровка склона долины Дона затапливается водой и пологий, почти горизонтальный склон местности, прилегающий к долине, служит как бы береговой отмелью, на которой гасятся волны, не вызывая его размыва. Размыв берега происходит только на склоне долины Дона. Этот размыв усиливается по мере сработки уровня воды в водохранилище. Особенно интенсивный размыв берега наблюдался в период наполнения водохранилища, когда в результате размыва склона долины образовались отвесные обрывы высотой 3-3.5 м с множеством волноприбойных ниш. Своды ниш затем обваливались, обрушенный материал быстро размокал и уносился течениями. В результате разрушения ниш, а также неравномерного размыва обрыва коренного берега, возникшего в силу неоднородности пород, бровка коренного берега получила извилистое очертание в плане, характерное только для этого участка. Профиль у хутора Приморского ориентирован на север. Береговая линия на участке вытянута с востока на запад и подвержена наибольшему воздействию волн, вызванных ветрами северного направления. Процесс переформирования берега продолжает оставаться интенсивным. На этом участке произошло наибольшее отступание подмываемого берега на уровне НПУ. К 2007 году общее отступание берега у хутора Приморского составило 323.72 метра.

На выбранных профилях силами Управления водными ресурсами Цимлянского водохранилища была закреплена планово-высотная опорная основа (Цимлянское ..., 1977). Разбивка и съемка профилей проводилась методом тахеометрической съемки с нивелировкой профилей до горизонта воды и промерами глубин. Каждый профиль закреплен репером, расположенным вне зоны затопления. Отметки реперам переданы или от государственной сети, а при отсутствии поблизости реперов государственной сети - по уровням воды в штилевую погоду. Наблюдения за отступанием бровки берега проводятся в течение всего безледоставного периода. При НПУ измерения

выполнялись после каждого сильного шторма, а по мере сработки уровня воды и обнажения отмели частота измерений сокращалась до одного-двух раз в месяц. Дважды в течение года проводились рекогносцировочные объезды. Первый объезд осуществлялся весной при высоких уровнях, когда происходит размыв коренного берега, второй - перед ледоставом, когда значительная часть отмели обнажается в результате сработки уровня воды. При объездах описывались все явления, происходящие в пределах береговой полосы. Измерялись высоты обрывов коренных берегов, волноприбойные ниши, осыпи.

Наблюдениями были охвачены практически все основные факторы, влияющие на процесс формирования берегов водохранилища. Это наблюдения за уровнями воды, ветром и ледовыми явлениями. Широкая постановка наблюдений за волнением позволила получить сравнительно полное представление о характере и размерах ветрового волнения на водохранилище, особенно в его приплотинной части.

В таблице 1 представлены наиболее вероятные (прогнозные) значения смещения береговой линии описанных выше профилей Цимлянского водохранилища через 12.5, 25, 50, 100 и 200 лет считая с начала его существования (Цимлянское ..., 1977). Авторы прогноза отмечают удовлетворительную сходимость прогнозируемых величин береговых деформаций за период 12.5 лет (1952-1965 гг.) с материалами натурных наблюдений. Также отмечается, что несколько худшие результаты характерны для профилей, где в процессе переработки склона наблюдалась смена литологического состава пород, слагающих берег. Например, в 1958 и 1959 годах на склоне берега у хутора Ильмень-Суворовского на отметках 33.0-35.0 метров после смыва суглинков обнажился пласт опоковидного камня, в результате чего существенно замедлился размыв берега в последующие годы.

Таблица 1. Прогноз смещения береговой линии Цимлянского водохранилища (Цимлянское ..., 1977). Table 1. Forecast of the Tsimlyansk reservoir coastline displacement (Tsimlyansk ., 1977).

Название профиля Смещение бе реговой линии ln, м

12.5 лет 25 лет 50 лет 100 лет 200 лет Конечная стадия

Нижний Чир 33.9 58 84 117 149 280

Суворовский 59 87 114 157 180 360

Хорошевская 14 30 53 78 124 742

Приморский 120 185 282 582 872 3165

Веселый 90 170 295 440 555 1802

Ильмень-Суворовский 74 118 160 204 254 505

На профиле у станицы Хорошевской были обнаружены алевролиты с несколько повышенной трещиноватостью, что привело к наиболее ускоренному размыву берега в первый период существования водохранилища.

Результаты и обсуждение

Имеющиеся к настоящему времени материалы позволили количественно оценить соответствие расчетных значений смещения береговой линии Цимлянского водохранилища натурным данным не только за период 12.5 лет (1952-1965 гг.), но и за периоды в 25 лет (1952-1977 гг.) и 50 лет (19522002 гг.) с начала существования водохранилища. Результаты сравнения представлены на рисунке 2.

Из рисунка 2 видно, что наибольшему смещению подвержен левый берег водохранилища. Общей закономерностью является то, что наибольшие наблюдаемые величины смещения береговой линии водохранилища имеют место на приплотинном участке и уменьшаются по мере удаления от него. Для прогнозируемых величин подобная закономерность отмечается только для профилей левого берега в периоды 12.5 и 25 лет.

1965 год

левый оерег

| 120 в

® 100-§ 80-

о.

■г* ю

В"

<L>

S

и

60 40 Н 20 0

правый оерег

— прогноз наблюдаемое

# ^ s^

^ ^ *

С -

«а

** ^ ^ ^

1977 год

левый оерег

2001 f

s

ч 150 правый берег fil

| юо Г|

{ ■'■!■< HiilJ

прогноз

на б л ю д а ем о е

О

vS^

^ J? ^

ч<>

2002 год

левын оерег

прогноз наблюдаемое

Рис. 2. Прогноз и наблюдаемое смещение береговой линии Цимлянского водохранилища. Fig. 2. Forecast and observation displacement of the Tsimlyansk reservoir coastline.

Представление о средней скорости наблюдаемого смещения береговой линии Цимлянского водохранилища за различные временные интервалы дает таблица 2. Для правого берега характерно более медленное смещение береговой линии; средняя скорость за период 1952-2002 годы по мере приближения к плотине изменяется от 1.28 м/год (Нижний Чир) до 2.83 м/год (Хорошевская). За тот же период скорости смещения береговой линии левобережья изменяются соответственно от 2.82 м/год (Ильмень-Суворовский) до 6.34 м/год (Приморский). Средние скорости наблюдаемого смещения береговой линии по периодам прогнозирования, представленные в таблице 2, позволяют сделать вывод, что процессы разрушения берегов несколько замедлились в районе поселка Нижний Чир и у станицы Хорошевской. Процессы переработки левого берега водохранилища в районе хуторов Приморского, Веселого и Ильмень-Суворовского заметно активизировались.

Таблица 2. Средняя наблюдаемая скорость смещения береговой линии Цимлянского водохранилища по периодам прогнозирования. Table 2. Average observed speed of the Tsimlyansk reservoir coastline displacement for the forecast periods.

Название профиля Средняя ско зость смещения береговой линии, м/год

1952-1965 гг. 1952-1972 гг. 1952-2002 гг.

Нижний Чир 1.46 1.42 1.28

Суворовский 1.70 1.44 1.81

Хорошевская 2.92 2.61 2.83

Приморский 5.56 5.96 6.34

Веселый 1.95 2.09 2.58

Ильмень-Суворовский 1.46 1.40 2.82

Количественная оценка погрешностей рассчитанных значений смещения береговой линии Цимлянского водохранилища выполнена по соотношениям

А = 1п-¡н (1)

£ = ^ (2) 1н

где А и 5 - абсолютная (м) и относительная (%) погрешности соответственно, 1п и 1н - смещение береговой линии по расчетам и по материалам наблюдений (м). Результаты оценки погрешности рассчитанных величин смещения береговой линии по временным интервалам 12.5, 25 и 50 лет представлены в таблице 3.

Как правило, рассчитанные величины смещения береговой линии завышены по сравнению с их фактическими значениями для всех профилей и временных интервалов; абсолютная погрешность рассчитанных величин лежит в пределах от 15 до 166 м. Исключение составляет профиль у станицы Хорошевской, где повсеместно отмечаются более низкие значения рассчитанных величин смещения береговой линии по сравнению с данными наблюдений. По мере увеличения временного интервала различия между прогнозируемыми и наблюдаемыми значениями смещения береговой линии у станицы Хорошевской изменяются в пределах от 24 до 89 м. То есть тенденции, отмеченные авторами (Цимлянское ..., 1977) для периода 12.5 лет, сохранились на этом профиле для периодов в 25 и 50 лет. Что касается профиля у хутора Приморского, то прогнозируемые значения смещения береговой линии для периодов 12.5 и 25 лет превышают наблюдаемые на 48 и 36 м соответственно; наблюдаемое смещение береговой линии у хутора Приморского за период в 50 лет превышает прогнозируемые значения на 35 м.

Относительная погрешность рассчитанных величин имеет общую тенденцию уменьшения по мере увеличения расчетного интервала. Например, для профиля у хутора Суворовского характерно уменьшение относительной погрешности со 167% для временного интервала 12.5 лет до 26% для периода в 50 лет. Наибольшие относительные погрешности отмечены на профилях у хуторов

Веселого и Ильмень-Суворовского, которые для периода в 12.5 лет составили 256 и 289% соответственно. Для временного интервала в 50 лет относительная погрешность для профиля у хутора Ильмень-Суворовского снизилась до 13%, оставаясь довольно высокой (129%) для профиля у хутора Веселого. Для профиля у станицы Хорошевской относительная погрешность расчета смещения береговой линии практически не зависит от продолжительности расчетного периода и составляет в среднем около 60%.

Таблица 3. Погрешности прогноза смещения береговой линии Цимлянского водохранилища (А -абсолютная, 5 - относительная). Table 3. Forecast errors of the Tsimlyansk reservoir coastline displacement (А - absolute, 5 - relative).

Название профиля Погрешность

1965 г. 1972 г. 2002 г.

А, м 5, % А, м 5, % А, м 5, %

Нижний Чир 15 78 23 63 20 32

Суворовский 37 167 51 142 24 26

Хорошевская -24 -63 -35 -54 -89 -63

Приморский 48 66 36 24 -35 -11

Веселый 65 256 118 226 166 129

Ильмень-Суворовский 55 289 83 237 19 13

Заключение

Приведенные результаты оценки погрешностей (табл. 3) показывают удовлетворительную сходимость расчетных величин береговых деформаций Цимлянского водохранилища с материалами натурных наблюдений. Это при том, что расчетная схема прогнозирования береговых переформирований не относится к категории точных, так как оперирует такими понятиями как неустойчивые характеристики гидрологического и климатического режима (Кондратьев, 1960). В прогнозах береговых переформирований только весьма грубые просчеты могут привести к катастрофическим последствиям. Из представленных материалов видно, что, в основном, рассчитанные значения смещения береговой линии даны с определенным запасом. В тех же случаях, когда в природе процессы переформирования берегов протекают более интенсивно (по сравнению с расчетами), как это имеет место на профилях у станицы Хорошевской и хутора Приморского, неточности расчетов могут быть своевременно обнаружены, так как процесс переформирования берегов развивается в течение многих десятилетий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Кокоулин П.П., Кокоулина Л.В. 1958. Некоторые материалы наблюдений за формированием берегов Цимлянского водохранилища // Сборник работ Цимлянской гидрометеорологической обсерватории. Л.: Гидрометеоиздат. С. 13-34.

Кондратьев Н.Е. 1960. Расчеты береговых переформирований на водохранилищах. Л.: Гидрометеоиздат. 64 с. Назаров Н.Н. 2011. Устойчивое функционирование водохранилищ // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов. Т. 1: Гидро- и геодинамические процессы. Труды Международной научно-практической конференции. Пермь: Пермский государственный университет. С. 113-117. Панов Д.Г. 1956. Формы разрушения берегов Цимлянского водохранилища // Природа. № 8. С. 94-96. Стародубцев В.М. 2012. Влияние Бугуньского водохранилища на побережье за 50 лет // Аридные экосистемы.

Т. 18. № 2 (51). С. 91-97. Цимлянское, водораздельные и Манычские водохранилища. 1977. Л.: Гидрометеоиздат. 204 с.

FORECAST AND OBSERVATION DISPLACEMENT OF THE TSIMLYANSK RESERVOIR

COASTLINE

© 2013. N.A. Shumova

Water Problems Institute of Russian Academy of Sciences Russia, 119333 Moscow, Gubkina str., 3. Е-mail: shumova@aqua.laser.ru

Comparison of the calculated values of the Tsimlyansk reservoir coastline displacement with materials of natural observations for time intervals of 12.5, 25 and 50 years since the beginning of reservoir existence is executed. Results of an assessment of coastline displacement speed for the same time intervals are given.

Keywords: Tsimlyansk reservoir, coastline displacement, natural observations, forecast.