10884

г. Астрахани снизилось до 29 мг/л, а сток наносов уменьшился от 19,3 млн т/год до 7,8 млн т/год [238].

С 1950-х гг. началось изучение осадконакопления в Волжских водохранилищах [336]. За время существования каждого проведено от 3 до 6 грунтовых съемок с интервалами от 3 до 25 лет между съемками [92; 233; 234; 236; 238; 239; 246].

Съемки проводились по единой методике [238]. В полевых условиях определялись типы, мощность и распределение осадков. Местоположение станций на акватории определялось пеленгованием на береговые ориентиры. Пробы грунта отбирались трубкой ГОИН, а на обсохших мелководьях в шурфах. Для определения величин осадконакопления каждое водохранилище делилось на плесы (районы) и участки (от 1 на Саратовском до 20 на Рыбинском), в пределах которых однородны условия седиментации взвесей. Для каждого участка определялась средняя высота слоя отложений, затем вычислялся их объем. Общий объем отложений водохранилища равнялся сумме объемов отложений всех участков. Вычислялся вес (масса) донных отложений как сумма произведений объемов различных типов отложений на их плотность. Возможная ошибка расчета осадконакопления предполагалась 10 – 20 % [92; 238]. По результатам съемок рисовались карты (плановые схемы) грунтовых комплексов водохранилищ. Такие карты составлены по всем водохранилищам на р. Волге, что названо одним из главных достижений исследователей [238]. Планы мощностей донных отложений не строились.

Исследования донных отложений волжских водохранилищ, обобщенные и согласованные между собой В. В. Законновым в 2007 г. [238], а также Цимлянского водохранилища [105; 292] и других [203], позволили выявить некоторые закономерности процесса осадконакопления.

Формирование грунтового комплекса водохранилища начинается с момента его заполнения, а исходным материалом служит почвенный покров территории, занятой водоемом. Под воздействием физических и биохимических процессов из первичных грунтов и поступающих в водохранилище и образующихся в нем грунтообразующих материалов (затопленные почвы и растительность, аллювиальные наносы, продукты размыва берегов и дна, продукты жизнедеятельности и остатки животных и растительных организмов, населяющих водную толщу) формируются донные отложения водохранилища.

Свойства донных отложений определяются характером грунтообразу-

370

ющего материала и гидродинамической активностью водной массы водохранилища. В русловых водохранилищах преобладающая форма гидродинамической активности – стоковые течения. Они переносят взвешенный материал, размывают подстилающий грунт (при достаточных для этого скоростях) и сортируют частицы по крупности. В водохранилищах озерного типа основная форма гидродинамической активности – ветровое волнение. При волнении знакопеременные перемещения водной массы вдоль поверхности дна вызывают турбулизацию придонного слоя и размыв грунта на участках с глубинами, меньшими глубин размывающего действия волн.

На рис. 15.6 показано распределение глубин размывающего действия волн, наблюдающихся на акватории Рыбинского водохранилища при ветре 20 м/сек., который не ежегодно, но отмечается, а на рис. 15.7 – результаты размыва. Размыв берегов и мелководных участков под воздействием волнения приводит к формированию песчанистых отложений. Наиболее мелкие и легкие частицы удаляются из зоны воздействия волнения и откладываются на участках, где влияние волнения ослаблено глубиной, формируя илистые отложения. В образовании всех илов принимают участие остатки затопленной наземной растительности, водной фауны и флоры, продукты ветрового переноса [92].

Рис. 15.6. Схема распределения глубин размывающего действия волн при ветре 20 м/с в условиях Рыбинского водохранилища: 1 – 7 м, 2 – от 7 до 8,5 м,

3 – от 8,5 до 10 м [92]

371

Рис. 15.7. Корни спиленных при подготовке ложа сосен, обнажившиеся в результате размыва мелководья в расширенной части Волжского плеса Рыбинского водохранилища. 1960-е гг. [92]

Распределение донных отложений по площади в волжских водохра-

нилищах подчиняется единым закономерностям. На русловых участках преобладают пески различной крупности. В местах перехода русловых участков в долинные получают развитие песчаные серые и серые илы аллювиального происхождения. В озерных частях и в приплотинных участках преобладают илистые отложения. Резких границ между типами отложений не су-

ществует [92; 232; 238].

По материалам зондирования максимальное количество отложений отмечается в литорали, так как основное грунтообразование происходит за счет эрозионно-абразионных процессов. На мелководьях накапливается 45

– 60 % поступающего в водохранилище крупнодисперсного осадочного материала.

Максимальная толщина слоя осадков, зарегистрированная к 1990-м гг., в Иваньковском водохранилище составляла 1,20 м, в Угличском – 0,85 м, в Рыбинском – 3,00 м, в Горьковском – 0,96 м, в Чебоксарском – 1,10 м, в Куйбышевском – 1,20 м, в Саратовском – 0,65 м и в Волгоградском водохранилище – 0,85 м [238].

Расчетный баланс взвешенного вещества в волжских водохранили-

щах за многолетний период указывает на то, что 57 – 87 % массы материала, формирующего донные отложения, поступает в эти водоемы за счет абразии берегов и ложа, на долю речных наносов приходится 10 – 40 % взвешенного вещества, атмосферные осадки и продукция гидробионтов дают 1 – 7 %. В расходной части баланса на долю осадконакопления приходится 62 – 96 %,

372

а сброс через гидроузлы составляет от 4 % до 38 % массы взвесей (табл.

15.3).

Т а б л и ц а 15.3

Балансовые характеристики массы взвешенных наносов волжских водохранилищ [232]

Механический состав донных отложений волжских водохранилищ характеризуется почти полным отсутствием частиц больше 0,5 мм и содержанием органического вещества от 0,5 % у песков до 10 – 30 % у песчанистых серых и серых илов и до 70 % у торфянистого ила. Плотность донных отложений при натуральной влажности от 0,15 г/см3 у торфянистого ила до 1,01 г/см3 у илистого и 1,53 г/см3 пылеватого песков [92]. Причем, в Рыбинском водохранилище, годичная слоистость или увеличение плотности с увеличением толщины слоя отложений не прослеживается, что обусловлено трансседиментацией отложений, вызываемой волновым воздействием на дно водоема.

В табл. 15.4 приведены сведения об интенсивности осадконакопле-

ния по каждому из волжских водохранилищ в разные периоды времени. Материалы табл. 15.4 указывают на то, что относительно интенсивная

стадия формирования и накопления наносов в первые 2 – 3 десятилетия существования водохранилищ сменилась затем на пассивную стадию [232].

Из-за вытянутости Волжского каскада в меридиональном направлении и пересечении водохранилищами нескольких природно-климатических зон проявилась географическая зональность осадкообразования. Она выра-

жается в увеличении темпов седиментации в среднем по водохранилищам с севера на юг (см. табл. 15.4). Это происходит благодаря повышению

373

концентрации взвесей из основных источников (абразии берегов и ложа, стока взвешенных наносов притоков), обусловленной увеличением к югу продолжительности периода открытой воды, продолжительности скоростей ветра более 15 м/с, количества пыльных бурь и пр.

Т а б л и ц а 15.4

Интенсивность осадконакопления в водохранилищах Волжского каскада, средняя за временные периоды [232]

В трудах В.В. Законнова анализ натурных данных о донных отложениях волжских водохранилищ принял перманентный характер [231; 232; 235; 237; 238]. Результаты грунтовых съемок оцифрованы и представлены в ГИС [235; 405]. Подтверждена стабилизация грунтовых комплексов. Написано, в частности, что карта отложений Куйбышевского водохранилища, составленная по геоинформационной схеме для 2002 г., будет актуальна до

2035 г. [235].

Итог исследований утешителен: интенсивность осадконакопления в водохранилищах Волжского каскада, измеренная за время их эксплуатации величиной 1,7 – 5,4 мм/год, исключает существование проблемы полного заиления этих водоемов на ближайшую тысячу лет [92; 238].

Цимлянское водохранилище на р. Дону расположено в степной фи- зико-географической зоне. Эксплуатируется с 1952 г. В этом водохранилище грунтовые съемки проводились в 1970, 1972, 1973 гг. Предпринимавшиеся попытки создания плановой схемы мощностей донных отложений не

374

увенчались успехом, т.к. результаты грунтовых съемок, проведенных в разные годы, с трудом согласовывались между собой. В связи с этим было выполнено лишь седиментационное районирование водоема с определением для каждого района средней мощности осадков и площади дна, покрытой ими (рис. 15.8). В основном донные отложения, накопившиеся к 1973 г., были приурочены к понижениям рельефа – руслам различного генезиса, бывшим озерам, лопатинам, лиманам, мочажинам, музгам. На ровных поверхностях донской поймы отложения наблюдались при сочетании двух факторов: больших глубин и близости источника осадконакопления. В противном случае дно оставалось незаиленным, что отмечалось во многих местах глубоководья Центральной и Приплотинной акваторий. Грунтовый комплекс в озеровидной части водохранилища (ниже Рычковского сужения) по состоянию на 1973 г. выглядел следующим образом: почвы – 367 км2, пески – 298 км2, суглинки – 365 км2, илы – 996 км2 [292].

Рис. 15.8. Схема седиментационного районирования Цимлянского водохранилища по состоянию на 1973 г.:

районы: 1 – волнового размыва дна; 2 – транзита алевритпелитового и аккумуляции песчаного материала твердого стока Дона; 3 – аккумуляции твердого стока Дона и материала волнового размыва дна; 4 – аккумуляции и трансседиментации твердого стока Дона и материала волнового размыва мелководий левого берега: а – восточный участок, б – западный участок; 5 – аккумуляции продуктов абразии берегов и дна: а – участок низких темпов осадконакопления, б – срединный участок, в – участок наибольших темпов осадконакопления; 6 – аккумуляции в подводных отмелях; 7 – аккумуляции в руслах Дона и его притоков; 8 – границы выделенных седиментационных районов [292]

375

Расчет заиления Цимлянского водохранилища по балансовому методу за период 1952 – 1995 гг. дал следующие показатели: поступление взвешенных и влекомых наносов по руслу Дона в створе г. Калач-на-Дону – 98,0 млн м3; поступление наносов с боковой приточностью – 17,4 млн м3; поступление в водохранилище материала переформирования берегов – 610,99 млн м3; отток наносов через сооружения Цимлянского гидроузла – 4,7 млн м3; общий объем заиления 731,09 млн м3 [112]. К 2010 г. объем заиления оценивался в 890 млн м3. При этом не учтено зарастание примерно 48 км2 акватории в пределах отметок 34,0 – 34,6 м БС древесно-кустарниковой растительностью, что привело к дополнительному уменьшению полезного объема водохранилища на величину порядка 23 млн м3 [503].

В табл. 15.5 выписаны значения интенсивности заиления Цимлянского водохранилища, усредненные за разные периоды времени.

Т а б л и ц а 15.5

Интенсивность осадконакопления в Цимлянском водохранилище

[112; 292; 503]

Особенностью этого водоема является то, что интенсивность его заиления от начала наполнения до 1980 г. снижалась, но в 1980 – 1995 гг. вновь повысилась. Это связывают с высокими уровнями наполнения водохрани-

лища, достигавшими в 1981 г. 36,0 м БС, а в 1987, 1988, 1990, 1991, 1995 гг.

– 35,17–35,89 м БС и превышавшими уровень наименьших береговых деформаций 35,0 м БС [292].

За период 1952 – 2010 гг. интенсивность осадконакопления в Цимлянском водохранилище составила в среднем 5,7 мм/год. Она выше, чем в водохранилищах Волжского каскада, но в относительном измерении мала, что также отодвигает проблему заиления его полного объема на тысячелетие.

При несущественных темпах осадконакопления в практике эксплуатации больших равнинных водохранилищ имеются примеры траты средств федерального бюджета на расчистки от заиления их отдельных участков с

376

разными целями. Так, в 2005 г. выполнялись работы по расчистке и углублению заиленных и заросших заливов Иваньковского и Угличского водохранилищ [658].

15.3. Заиление малых водохранилищ

Известно, что проблема заиления по всему миру более актуальна для водохранилищ малого объема [485].

В 1960 – 1970-е гг. исследованиями заиления были охвачены многие малые водохранилища и пруды лесостепной и степной зон России и сопре-

дельных республик бывшего СССР [24; 203; 223; 292; 403; 404; 505; 506; 507; 516; 517; 518; 678; 713]. Исследования сводились к определению накопившихся в них наносов путем промеров глубин и зондирования отложений [506]. Это был верный способ, который в настоящее время на малых водоемах применяется редко, вытесненный констатацией объемов заиления на основе визуальных осмотров.

Основным источником отложений в малых водохранилищах равнин служит привнос материала речным стоком, некоторое его количество поступает от обрушивающихся берегов, кроме того – от отмершей водной растительности и продукции биотопов. Заиление малых водохранилищ идет от верховьев к плотине (так же, как и больших). В верховьях водохранилища осаждение грунтообразующего материала происходит за пределами русловой ложбины преимущественно в понижениях ложа. Большая часть взвесей транзитом по русловой ложбине поступает в приплотинную зону. Мощность отложений в приплотинной зоне связывается с проточностью водохранилищ: с увеличением водообмена мощность донных отложений уменьшается. Для малых водохранилищ характерно распространение трех типов осадков: песчано-илистых, илов и грунтов. Занесение и заиление происходит с различной интенсивностью. В залесенной местности оно протекает относительно медленно. Под влиянием хозяйственной деятельности процесс осадконакопления интенсифицируется. При эрозионном смыве почвы с распаханных водосборов водохранилища заливаются быстро [713]. Интенсивность заиления малых водохранилищ, также как и больших, возрастает с севера на юг [505].

В 2000-е годы ННГАСУ проведены натурные изыскания количества донных отложений 37 малых водохранилищ на реках правобережья и

377

левобережья Волги в Нижегородской, Пензенской, Кировской областях и Удмуртской республике [303; 571; 592; 593]. Некоторые расположены каскадами, например, водохранилища на территории ЗАТО г. Саров, Выксунские водохранилища в бассейне р. Железницы. Годы постройки от 1759 до 1987, сроки эксплуатации до проведения изысканий от 241 года до 17 лет. Условия на водосборах от полностью залесенной местности до преобладания городской застройки. Полные объемы водоемов 0,0075 – 85,0 млн м3, площади зеркала 0,0056 – 26,40 млн м2, соответственно 27 из них относятся к прудам, 9 – к малым водохранилищам, а 1 (Пензенское водохранилище) по объему равному 560 млн м3, немного выходит за пределы категории «малое».

На большинстве исследованных малых водохранилищ изыскания проводились в летний период с лодки. По некоторым водоемам ситуация с заилением оценивалась на осушенном ложе. Опорожнение могло быть плановым, либо аварийным. Так, Досчатинское водохранилище на р. Железнице объемом 7,5 млн м3, построенное в конце 1700-х гг. при железоделательном заводе у г. Выксы Нижегородской губернии, в 2001 г. было полностью опорожнено из-за прорыва напорного фронта гидроузла. К 2005 г., за 5 лет стояния осушенного ложа водохранилища, река промыла в нем меандрирующее русло, вычленив в обрывистых берегах слои отложений. Это позволило зафиксировать толщину слоя во многих местах, при плоском ложе по всей его площади она оказалась практически одинаковой – 0,8 м (рис. 15.9). На Воткинском (на р. Вотке), Ижевском и Пензенском водохранилищах изыскания проводились в зимний период со льда.

Примером из нашей практики приводим Пензенское водохранилище на р. Суре построенное в 1979 г. (см. раздел 14.7, рис. 14.58). По проекту нормальный подпорный уровень водохранилища 150,00 м БС, максимальная глубина 16 м. Изыскания проведены по 29 створам, расположенным примерно в 1 км один от другого. Вскрытие донных отложений производилось с помощью скважин ручного бурения диаметром 76 мм, располагавшихся в створах с шагом 250 м. Бурение велось в марте-апреле 2005 г. и феврале 2006 г. с поверхности льда. Всего было пробурено 225 скважин глубиной до 15,2 м общим метражом 875,2 м. Из скважин отбирались образцы нарушенной структуры массой около 1 кг по всей мощности донных осадков. Всего было отобрано 217 проб на спектральный анализ, проводившийся в составе работ. Параллельно с бурением скважин по тем же створам велась георадарная съемка дна с фиксацией границ снег–лед–вода– ил – коренное ложе на глубину до 8 – 9 м. Данные о глубине водохранилища и мощности

378

ила снимались с радарограмм через каждые 25 м, т.е. в 10 раз чаще, чем с буровых скважин. Протяженность георадарных профилей составила 71,1 км. Сходимость результатов бурения и георадара получилась достаточно высокая. Разбивка временных створов, совмещенных с ними геофизических профилей, пунктов бурения скважин проводилась по топографическому плану 1:25000 с помощью GPS-приемника вместе с промерами мерными лентами и вешением. Ввиду отсутствия помех на акватории сигнал был стабильно хороший. Точность определения координат концов профилей составила 2 – 3 м.

Рис. 15.9. Осушенное ложе Досчатинского водохранилища

на р. Железнице, 2005 г.: общий вид и срез слоя донных отложений

379