10884

Рис. 14.18. Устойчивый к размыву пологий песчаный берег Рыбинского водохранилища [163]

а

б

Рис. 14.19. Нейтральные скальные берега: а – Саяно-Шушенского

водохранилища [656] (б) – водохранилища на Беломорско-Балтийском канале

300

Термоабразионные берега характерны для водохранилищ в области вечной мерзлоты (рис. 14.15). Это берега изначально мерзлые. Они переформировываются под совместным воздействием тепловой и механической (волновой) энергии воды [587]. Обликом схожи с абразионными берегами.

Биогенные берега образуются в местах торфяных залежей (рис. 14.16) и на мелководьях из отмершей водной растительности (рис. 14.17). Например, на Иваньковском водохранилище 76 км2 акватории (23 %) через 40 лет существования заросло водной растительностью, из них 13 км2 покрылось сплавинами, а 11 км2 превратилось в биогенную сушу [112]. Но такие примеры нетипичны и биогенные берега существенной роли в берегоформировании на водохранилищах не играют.

Нейтральными (не подверженными переформированию) остаются обычно очень пологие берега из мягких грунтов с уклонами 1–2 (рис. 14.18), но часто и более крутые, являющиеся волноустойчивыми. Такие берега имеют значительную протяженность на всех равнинных водохранилищах. В горных условиях нейтральными являются берега, сложенные здоровыми (не выветрелыми) скальными массивами (рис. 14.19).

Согласно приведенной типизации ведущим береговым процессом при одном первичном рельефе и сложении берега является волновая абразия (термоабразия), а при другом его характере – денудационные, оползневые, карстовые, плывунные и прочие процессы. Далее в книге преимущественное внимание уделено абразионным и термоабразионным берегам водохранилищ, подверженным наиболее интенсивному переформированию.

14.4. Закономерности формирования абразионных берегов равнинных водохранилищ

Формирование берегов является составной частью общего процесса развития водохранилищной котловины.

Главная задача, которую ставят наука и практика в направлении количественной оценки берегопереформирований на водохранилищах – определение скорости отступания бровки надводного берегового уступа и величины отступания на заданный срок [387; 521]. В общем случае эволюции берега изменяются его профиль и очертание его в плане. При этом во многих отношениях удобно, как это обычно и делается, рассмотреть сначала

301

развитие профиля берега, а потом обратиться к эволюции планового берегового контура [510].

В 2007 – 2012 гг. ННГАСУ осуществлены экспедиции по водохранилищам на реках Свири, Сухоне, Шексне, Волге, Суре, Каме, Дону и др. с целью рекогносцировочного обследования берегов, выполнены съемки подводного рельефа и инструментальные измерения береговых профилей на нескольких водохранилищах. По данным проведенных натурных исследований с привлечением материалов прошлых лет уточнены известные и выяв-

лены новые качественные закономерности процесса переформирования обвально-осыпных абразионных берегов равнинных водохранилищ,

проявившиеся за многолетний период их эксплуатации [572]. Описание этих закономерностей сведено в настоящий раздел.

Основные факторы формирования берегов водохранилищ по сте-

пени их влияния на процесс выстроены в следующую очередь.

•Ветровое волнение. Объективной его характеристикой является энергия волнения и прибойного потока. Наилучшую коррелируемость с параметрами берегопереформирования имеет суммарная энергия волнения при высоте волн более 0,5 – 1 м. Ветровое волнение считается основной силой, разрушающей берега водохранилищ.

•Конфигурация подводного рельефа и свойства пород берега. В условиях водохранилищ абразионное развитие обычно получают берега с уклоном первичного рельефа более 2 – 4 градусов, особенно более 15–20 градусов, сложенные рыхлыми размываемыми породами – лессами, супесями, песками и т.п. [673]. Наилучшую коррелируемость с объемом берегопереработки имеет коэффициент размываемости пород. Этот коэффициент является характеристикой сопротивляемости берега водохранилища размыву, численно равен отношению объема породы, размытой на 1 пог. м берега за сезон к энергии волнения, воздействующего на берег за этот сезон (м3/Дж), зависит от физико-технических свойств пород и особенностей структуры берегового склона.

Диапазоны коэффициентов размываемости (10-6 м3/Дж) по видам грунтов следующие:

Приведенные значения обоснованы материалами натурных наблюдений за

302

берегами Иваньковского, Горьковского, Рыбинского, Чебоксарского, Цимлянского водохранилищ [387; 576].

•Аккумуляция насосов. Способствует развитию береговой отмели

иослаблению процесса абразии.

•Уровенный режим водохранилища. Амплитуда колебаний уровня воды контролирует верхнюю и нижнюю границы абразии.

•Конфигурация надводной части берегового склона. Чем выше берег, тем он меньше подвержен абразии, что объясняется прямопропорциональной зависимостью объема размытой породы от энергии волнения.

•Очертание берега в плане. Выступающие участки берега подвергаются разрушению интенсивнее, чем прямолинейные и вогнутые.

•Вдольбереговое перемещение наносов. Как уже отмечалось, при косом подходе волн к берегу возникает вдольбереговое течение, во многом напоминающее речной поток и обладающее значительной транспортирующей способностью. Твердый расход этого течения складывается из взвешенных и донных наносов [510]. Представление об объеме наносов, перемещаемых вдольбереговым течением может дать пример по участку берега Новосибирского водохранилища в районе Бердского залива: там в нескольких створах на протяжении 2 км вдольбереговой поток наносов оценен в 400 – 2000 м3/год [683]. Такой поток может значительно сказаться на деформациях рельефа береговой зоны.

•Факторы меньшей значимости: выветривание, эрозия, течения, ледовый режим, подземные воды, влияние животных и человека. [216; 673].

Часть факторов берегового процесса (волнение, уровни воды, неоднородность геологического строения) имеет стохастическую природу, поэтому тенденция развития берегов показывает нежесткий характер [370].

Процесс формирования берегов водохранилищ является неравно-

мерно-замедленным во времени. Такой характер его развития статистически закономерен [216].

На пути эволюции берегов больших равнинных и предгорных водохранилищ прослеживаются временные циклы и стадии. Циклы являются годовыми и обособлены друг от друга периодами ледостава. Строгого критерия выделения стадий процесса установить не удается. Условно принято выделять 4 стадии на основе качественного подхода.

I. Начальная стадия в период первоначального наполнения водохранилища, в которую берега переформировываются при уровнях водохранилища ниже НПУ.

303

II. Стадия интенсивного берегоразрушения и развития абразионной отмели в начальный период нормальной эксплуатации водохранилища, когда в береговой зоне преобладают абразионно-аккумулятивные процессы.

III. Стадия становления берега и абразионно-аккумулятивной отмели, когда в береговой зоне начинают преобладать неволновые денудационные и аккумулятивные процессы. Стадия динамического равновесия берега.

IV.Стадийность развития берегов водохранилищ признана всеми спе-

циалистами, изучавшими это явление [105; 106; 216; 260; 286; 370; 417; 419;

445; 483; 510; 572; 576; 673; 674; 681; 682; 683; 692; 713].

Поскольку береговой процесс обладает дискретностью, можно дробить его и далее, однако при понижении уровня дискретности будет анализироваться уже не береговой процесс в целом, а частные физические процессы в береговой зоне [370; 693].

Процессу развития берегов водохранилищ свойственна неодновременность. Она заключается в том, что отдельные участки берегов водохранилища неодновременно проходят стадии своего развития [370]. Более того, стадии могут иметь для каждого берегового участка свою продолжитель-

ность [216].

Береговому процессу свойственны также зональные и региональные особенности. Подмечено, что на больших водохранилищах интенсивность берегопереформирования нарастает в направлении от лесной зоны к лесостепной и далее к степной, полупустынной и пустынной в связи с усилением ветра, увеличением продолжительности безледного периода и ослаблением защитной роли растительности [105; 286; 370; 505].

В общем случае постадийная эволюция абразионного берега сво-

дится к отступанию берегового обрыва и увеличению ширины береговой отмели.

Наиболее активное переформирование берегов происходит в первые годы нормальной эксплуатации водохранилища.

По прошествии определенного количества лет абразионный берег получает профиль, схематично изображенный на рис. 14.20 [260]. На профиле берега выделяются: надводный береговой уступ (обрыв), крутой вплоть до вертикального, особенно когда берег сложен лессовидными суглинками и глинами (рис. 14.21); прибрежная отмель (рис. 14.22), имеющая абразионную и аккумулятивную части и располагающаяся в пределах размывающего действия волн; подводный откос (свал) отмели с уклоном, близким тангенсу

304

Рис. 14.20. Типичный профиль обвальноосыпного абразионного берега, сложенного песчаными породами, в процессе размыва [260]

305

Рис. 14.21. Вертикальный надводный уступ обвально-осыпного абразионного берега Воткинского водохранилища [419]

Рис. 14.22. Прибрежная отмель у оползнево-абразионного берега Камского водохранилища [419]

Рис. 14.23. Обвально-осыпной абразионный берег Новосибирского водохранилища в конце лета при пониженном уровне воды

306

угла естественного откоса грунта отмели во взвешенном в воде состоянии; дно водохранилища.

Вконце весны и летом при высоком уровне воды в водохранилище сезонного регулирования происходит интенсивный размыв волнами основания надводного уступа берега, что вызывает на нем обвалы, осыпи, оползневые проявления. Осенью, в связи со снижением уровня водохранилища, волновая абразия надводного уступа может прекратиться. В это время волнами размывается материал летнего обрушения и переформировывается подводная часть берега (рис. 14.23). Однако, режим уровней со сработкой в осеннее-зимнее время не является общим для всех водохранилищ. Так, в ангарских водохранилищах стояние уровней воды на максимальных отметках отмечается не весной, а осенью. Поэтому подъем уровней этих водохранилищ в течение весеннее-летнего периода приводит к размыву не берегового уступа, а отмели, сформировавшейся при более высоких уровнях предыдущего года. Но осенью в штормовой период, несмотря на кратковременность стояния уровня на высоких отметках, размыв уступа достигает значительных величин [509].

Вприбрежную отмель отлагается в основном крупнодисперсный материал продуктов обрушения берега. Из табл. 14.5 видно, что для размыва илистых и пылеватых частиц, гравия и гальки требуются большие скорости, но оседать мельчайшие частицы могут лишь в спокойной воде, а гравий, галька и крупный песок – при скоростях, близких к скоростям размыва. Поэтому илистые и пылеватые частицы большей частью уносятся волнением в глубоководные зоны, а гравий и галька остаются в местах размыва. Пески обладают меньшим сопротивлением размыву, но большей частью оседают

вбереговой зоне во время волнения и поэтому являются основным материалом, слагающим отмели [673].

При более пологом береге образуется более широкая отмель, а при разрушении очень крутых берегов отмель вообще не образуется: грунт сползает до дна под углом естественного откоса [673]. Кроме того, вид отмели зависит от баланса вдольберегового потока наносов у данного участка берега: при положительном балансе отмель имеет аккумулятивную часть, при отрицательном является чисто абразионной. Отметка внешнего края отмели на стадии интенсивного берегоразрушения изменяется однонаправленно, а далее испытывает лишь циклические изменения, в то время как увеличение тела отмели (при положительном балансе наносов) отражается на ее ширине, которая из года в год становится больше [370].

307

Т а б л и ц а 14.5

Скорости трогания и осаждения грунтовых частиц различной крупности в воде [673]

Интенсивность берегопереформирования оценивается, чаще всего, по скорости отступания бровки надводного берегового уступа (табл. 14.6), различной на разных стадиях процесса.

Т а б л и ц а 14.6

Данные наблюденных разрушений абразионных берегов некоторых волжско-камских водохранилищ [121; 417; 510; 673]

Наблюдениями установлено, что в ходе переформирования берегов больших водохранилищ уже в течение первых 12 – 15 лет эксплуатации отмечается общая тенденция затухания процесса. Это связано с выработкой широких береговых отмелей с постепенно уменьшающимся уклоном, на которых происходит гашение большей части энергии ветровых волн. Вместе с тем, на фоне общей тенденции затухания может наблюдаться непериодическая активизация процесса обрушения берегов в результате изменения эксплуатационного режима водохранилищ [673]. Такое было, например на Волгоградском водохранилище, где повышение в начале 1990-х гг. уровня воды на 30 – 35 см над НПУ сразу привело к активизации береговой абразии

[417].

Процесс формирования берега с годами может достигнуть IV стадии динамического равновесия, когда абразия надводного уступа практически прекращается. Динамическое равновесие может наблюдаться либо на отдельных участках берегов водохранилища, либо (теоретически) на водоеме в целом при условии нулевого баланса наносов вдоль береговой линии. Признаки этой стадии имеются у обвально-осыпных абразионных берегов всех волжских водохранилищ. А, например, по участкам правого берега Волгоградского водохранилища в районе Змеевых гор прослеживается эволюция обвально-осыпного абразионного берега к абразионно-эрозионному и далее

– к стадии динамического равновесия (рис. 14.24). Явным признаком последней служит лесная поросль, закрепившаяся на надводном береговом уступе. Переход в IV стадию сможет произойти в условиях постоянного эксплуатационного режима водохранилища. При изменении режима эксплуатации, особенно уровенного режима в безледоставный период, динамическое равновесие будет нарушено.

Внимание ученых и инженеров давно привлекал вопрос о профиле динамического равновесия берега водохранилища. Делались попытки теоретического определения элементов профиля [350; 353; 681; 683], причем лучшие результаты дали эксперименты в волновом лотке [510]. Стали различать два типа равновесия берегов: статическое и динамическое. При статическом равновесии частицы грунта постоянно находятся в состоянии покоя, перемещение наносов прекращается. В случае динамического равновесия частицы грунта при действии волнения находятся в движении, но поступление наносов на берег компенсируется уносом их на большие глубины [370; 510; 673]. Некоторые данные по уклонам волноустойчивых отмелей приведены в табл. 14.7. Реальным примером является берег, сложенный мелким

309