CC BY
50
УДК 528.94
ГЕОДЕЗИЧЕСКИЙ И КАРТОГРАФО- МОРФОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ В ИЗУЧЕНИИ ДИНАМИКИ БЕРЕГОВ БРАТСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА
4 Л 4
© В.П. Ступин1, А.В.Кононенко2, Л.А. Пластинин3
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. Восточно-Сибирский филиал ФГУП «Госземкадастрсъемка» - ВИСХАГИ, 664007, Россия, г. Иркутск, ул. Софьи Перовской, 30.
Рассмотрены возможности геодезического и картографо-морфодинамического методов определения скоростей разрушения берегов Братского водохранилища на Заярском эталонном участке. Обоснован вывод о целесообразности их комплексного использования. Приведены новые количественные данные о скоростях отступания береговых клифов и площадях утраченных земель в результате размыва берегов эталонного участка. Ил. 1. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: разрушение берегов искусственных водохранилищ; геодезический, картографический и морфодинамический мониторинги экзогенных процессов.
GEODETIC, CARTOGRAPHIC AND MORPHODYNAMIC METHODS IN STUDYING BRATSK RESERVOIR BANKS DYNAMICS
V.P. Stupin, A.V. Kononenko, L.A. Plastinin
Irkutsk State Technical University,
83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.
East-Siberian Branch of FGUP "Goszemkadastrsemka" - VISHAGI,
30 Sofia Perovskaya St., Irkutsk, Russia, 664007.
The article treats the resources of geodetic, cartographic and morphodynamic methods for determining the destruction rates of Bratsk reservoir banks on Zayarsky reference site. The conclusion on the feasibility of their complex use is justified. New quantitative data on the retrogradation rates of the shore cliffs and the areas of lands lost due to the erosion of the reference site shores are given. 1 figure. 6 sources.
Key words: destruction of man-made reservoir banks; geodetic, cartographic and morphodynamic monitoring of exogenous processes.
На берегах ангарских водохранилищ с самого начала их наполнения возникла проблема размыва молодых берегов, приводящая к утратам земель сельскохозяйственного и лесного фонда и ущербу прибрежным населенным пунктам, садоводствам, дорогам и линиям электропередач. Особенно активны абразионные процессы у выдающихся в акваторию водохранилища мысов, сложенных слабыми грунтами. Процесс разрушения берегов водохранилищ далеко не стабилизировался за десятки лет их существования, что и определяет необходимость его дальнейшего изучения. Настоящая статья рассматривает результаты комплексного анализа динамики берегов Братского водохранилища на основе картографо-геодезического и морфосистемного подходов, апробированных авторами на примере Заярского эталонного участка.
Заярский участок расположен на выдающемся
плоском мысе по правому берегу нижней части Братского водохранилища в районе Ийско-Илимского расширения, где наблюдаются наиболее высокие ветровые волны и благоприятные для размыва инженерно-геологические условия. Рассматриваемая территория является одной из самых динамичных на всем Братском водохранилище, что и послужило критерием для ее выбора в качестве эталонного участка для изучения абразионных процессов.
Грунты, слагающие размываемый берег в районе ключевого участка Заярск, представлены слабо- и умеренно-размываемыми полускальными разновидностями, залегающими в коренном основании и сильно размываемыми рыхлыми разностями осадочного чехла.
Полускальные грунты представлены метаморфическими породами палеозойского возраста: песчаниками, алевролитами, аргиллитами и известняками [1].
1Ступин Владимир Павлович, кандидат географических наук, доцент кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел.: 89647482242, e-mail: [email protected]
Stupin Vladimir, Candidate of Geography, Associate Professor of the Department of Mine Surveying and Geodesy, tel.: 89647482242, e-mail: [email protected]
2Кононенко Алексей Викторович, ведущий инженер, тел.: 89500847135, e-mail: [email protected] Kononenko Aleksei, Leading Engineer, tel.: 89500847135, e-mail: [email protected]
3Пластинин Леонид Александрович, доктор технических наук, профессор кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел.: 89148811808, e-mail: [email protected]
Plastinin Leonid, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Mine Surveying and Geodesy, tel.: 89148811808, email: [email protected]
Эти грунты почти везде залегают глубже зоны размыва и лишь в западном фланге эталонного участка выходят на поверхность в цоколе абразионного клифа.
Дисперсные грунты осадочного чехла, в основном и слагающие здешние берега, представлены отложениями высоких (~80-100 м) ангарских террас ранне-четвертичного возраста, сложенных суглинками и супесями, а также перекрывающими их коллювиально-делювиальными склоновыми отложениями голоцено-вого и позднеплейстоценового возраста (глины, суглинки, лессовидные суглинки, супеси) [2].
В процессе анализа динамики берега эталонного участка нами были апробированы два взаимодополняющих метода исследований:
- геодезический метод на основе повторных точных измерений по эталонным створам;
- картографо-морфодинамический метод на основе анализа морфосистем с привлечением разновременных геоизображений.
Геодезические определения скорости размыва берегов эталонного участка. На участках наиболее интенсивного размыва были заложены контрольные мониторинговые площадки, где проводились повторные геодезические съемки с целью выявления динамики бровок абразионных клифов. Рассматриваемая площадка протягивается на 1800 м вдоль берега и на 430 м от минимального уреза воды в глубь побережья. На площадке расположены три створа геодезических наблюдений за разрушениями бровки берегового клифа. Полевые наблюдения проводились с 2009 по 2011 г. в летний период.
Поскольку многолетнее закрепление створов в зоне активно разрушаемого берега осуществлялось на удалении не менее 50-100 м от уреза, восстановление створов на местности проводилось в следующем порядке:
- аналитическое вычисление координат створных точек по материалам предыдущих лет;
- определение на местности положения вычисленных точек с помощью GPS-приемника Trimble 5700;
- съемка бровки клифа методом полярных засечек с помощью электронного тахеометра Topcon GPT-2000.
В соответствии с [3] для уменьшения ошибок центрирования прибора и визирных целей применялась методика измерений по трехштативной системе. На каждой точке хода штатив со стандартной подставкой центрировался только один раз, в эту подставку поочередно устанавливались передняя визирная цель, прибор и задняя визирная цель. Геодезические работы на площадке выполнялись в следующем порядке:
- в створе устанавливаются три штатива;
- GPS-приемник устанавливается на 2-й штатив, определяются координаты точки стояния и GPS-приемник снимается;
- отражатель устанавливается на 2-й штатив (для ориентирования тахеометра);
- тахеометр устанавливается на 1 -й штатив и ориентируется по отражателю на втором штативе;
- выполняется тахеометрическая съемка береговой полосы, бровки и створа, начиная с уреза воды;
- GPS-приемник устанавливается на 3-й штатив, определяются координаты точки стояния и GPS-приемник снимается;
- тахеометр устанавливается на 2-й штатив вместо отражателя и ориентируется на отражатели на 1-ом и 3-ем штативах (два отражателя - для контроля);
- выполняется тахеометрическая съемка береговой полосы, бровки и створа;
- GPS-приемник устанавливается на 3-й штатив, определяются координаты точки стояния;
- тахеометр устанавливают на 3-й штатив, ориентируют на отражатель на 2-ом штативе.
Предварительная обработка и контроль измерений производились непосредственно в поле на ноутбуке.
Средняя квадратическая погрешность (СКП) измерений при съемке характерных точек полярным способом при помощи электронного тахеометра вычислялась по формуле
12 ? 2 М =д/т + (Шр / р• £) +т
где т5 и те - среднеквадратическая ошибка горизонтального расстояния Б и полярного угла в соответственно; р = 206000' - число угловых секунд в одном радиане; т0 - среднеквадратическая ошибка положения точек съемочной сети. Величины т5 и тв берут из паспорта тахеометра. Точность измерений расстояний тахеометром Topcon GPT-2000 с призмой составила 3 мм+2мм/км, что вполне достаточно для цели исследования.
По данным повторных измерений составлялись совмещенные планы береговой полосы и профили створов.
Картографо-морфодинамические исследования. Проектное значение нормального проектного уровня (НПУ) Братского водохранилища в Балтийской системе высот составляет 401,73 м. Проектируемая береговая линия, соответствующая этому уровню, была нанесена на топографические карты масштаба 1:25000, составленные на территорию исследований до ее затопления. Учитывая величину размыва берегов на наиболее активных участках, точности карт вполне достаточно, чтобы выявить и оценить смещение линии проектного НПУ в плане.
Проектная линия НПУ была перенесена нами по плановым координатам на ортофотоплан, отражающий современное состояние берегов эталонного участка. Это позволило выполнить сравнительный анализ положения НПУ 401,73 м на 1962 и 2009 годы, определить смещение положения уреза водохранилища относительно проекта и подсчитать площадь утраченных при размыве земель.
Согласно концепции морфосистем [4] береговая зона водохранилища рассматривается как каскад склонов, связанных едиными потоками вещества и энергии. Это позволяет выделить в береговом каскаде динамически однородные элементарные склоны и облегчает реконструкцию прежнего состояния берегового каскада. На основании анализа морфологии по-
бережной (субаэральной) и прибрежной (субакваль-ной) зон береговой полосы в поперечном направлении каскада береговых морфосистем ключевого участка были выделены четыре динамически однородных пояса (рисунок).
Поверхность террасы. В поверхность, полого наклоненную в сторону водохранилища, врезаны короткие (несколько десятков метров), но активные овраги, канализирующие ливневые и дождевые воды. Овраги имеют резкие бровки, крутые осыпающиеся борта, невыработанный продольный профиль с отводящими воду воронками просасывания по тальвегу. Небольшая длина оврагов говорит о том, что скорость их роста сопоставима со скоростью отступания клифа, т.е. составляет несколько метров в год. Увеличиваясь, овраги разрушают заброшенные береговые постройки и ограждения.
Клиф имеет четко выраженную бровку, крутые, иногда нависающие стенки. Такая морфология свидетельствует о современной активности абразионных процессов в периоды высокого стояния уровня водохранилища. Долговременных волноприбойных ниш не формируется по причине слабых грунтов, слагающих клиф, и постоянного обрушения образующихся козырьков. Таким образом, разрушение клифа происходит вследствие гравитационных процессов: обваливания, осыпания и небольших блоковых ротационных оползней.
Другой важный процесс - эрозия обрыва временными водотоками (на клиф открываются устья многочисленных оврагов, расчленяющие береговой яр на секции). При наличии на отступающем клифе заброшенных строений происходит их разрушение. На залесенных берегах для прибровочной части клифа характерны наклонившиеся деревья и нависающие карнизы из переплетенной корнями деревьев дернины. В таких местах под клифом, иногда образуя завалы,
скапливаются упавшие подмытые деревья.
Бенч - абразионная терраса - состоит из надводного пляжа и подводной прибрежной отмели. Соотношение их ширины постоянно меняется в зависимости от колебаний уровня воды. При минимальном уровне ширина пляжа равна ширине полосы осушки. При максимальном уровне пляж исчезает, волны подступают под клиф и абрадируют его совместно с вдоль-береговыми течениями. При этом также размываются коллювиальные (обвальные, осыпные) шлейфы, тела оползней и конуса выноса оврагов.
Гранулометрический состав пляжа представлен в основном хорошо промытыми песками, реже супесями и суглинками с примесью гравия. В ряде мест в западной части ключевого участка на поверхность выходят слаборазмываемые полускальные породы коренного цоколя в виде сглаженной волнами плитчатой отмост-ки.
Прибрежная полоса пляжа очень слабо наклонена в сторону акватории, а линия уреза по большей части спрямленная, лишь изредка (результат подхода волн к берегу под углом) - фасетчатая. Различные уровни стояния воды фиксируются серией невысоких береговых валов разного гранулометрического состава и степени сохранности, полосами наилка и плавника, отшнурованными мелководными лагунами. Местоположение, размеры и количество валов постоянно меняются, особенно после сильных штормов. Затопленные береговые валы, образованные при низких уровнях, прослеживаются также на подводной прибрежной отмели.
У тылового шва пляжа (под клифом) иногда имеются скопления полузасыпанного плавника. Здесь же встречаются выходы грунтовых вод, маркируемые повышенной увлажненностью грунта, суффозионными промоинами или, наоборот, бугристыми накоплениями вынесенного мелкозема.
Геоморфологический профиль ключевого участка Заярск: 1 - полускальные грунты цоколя высокой (предположительно 8-й) террасы Ангары (аргиллиты, алевролиты); 2 - дисперсные грунты аллювия высокой террасы Ангары и чехла склоновых отложений (суглинки, лессовидные суглинки); 3 - дисперсные грунты пляжных наносов водохранилища (пески, супеси); 4 - минимальный уровень водохранилища; 5 - максимальный уровень водохранилища; 6 - живые деревья (современный лес); 7 -местоположение подмытых и унесенных деревьев (лес до затопления); 8 - отмершие деревья (топляки на корню); 9 - профиль берега до подтопления; 10 - современный профиль берега с клифом, бенчем и пляжем (после
подтопления и размыва)
В восточной части ключевого участка на 120-150 м мористее клифа встречаются полузасыпанные наносами пни и нижние части стволов мертвых деревьев на корню. При высоком уровне стояния воды они полностью затапливаются, при низком - вновь появляются на дневной поверхности. Эти остатки деревьев приурочены к среднему уровню стояния воды, т.е. к зоне неустойчивого равновесия между процессами абразии и аккумуляции. Ближе к клифу, в зоне преобладающего размыва, деревья были подмыты вместе с берегом, обрушились и были унесены волнами. Еще мористее обломки деревьев на корню затоплены полностью или погребены под слоем наносов.
Подводный склон начинается на расстоянии примерно 150-200 м от клифа, где глубины при уровне близком к минимальному составляют 3-4 м; на протяжении 100-150 м он достаточно пологий (хотя и круче бенча), затем крутизна и глубины резко возрастают: на расстоянии 1 км от берега глубины достигают 35-40 м, а на расстоянии 1,5 км - 72 м. В эту сторону происходит миграция глинистых частиц, отмученных в результате размыва пляжа, что приводит к повышению содержания песчаных фракций в отложениях последнего.
По особенностям своего развития вдоль береговой полосы ключевого участка Заярск в плане прослеживаются три переходящих друг в друга морфоди-намических сектора.
Сектор интенсивного размыва. Приурочен к открытым волнам водохранилища оконечностям мысов. Максимальная высота волн у Заярска (на Заярском расширении волны вообще самые высокие по сравнению с другими участками Братского водохранилища) достигает 2-3 м при скорости ветра 16 м/с, что обеспечивает размыв на глубину до 5 м. Здесь же при продолжительном западном штормовом ветре зафиксирована самая высокая на водохранилище скорость дрейфового течения -1,7 км/ч [2]. Судя по морфологии берега (высокий и крутой клиф, многочисленные проявления гравитационных процессов, густая расчлененность молодыми оврагами, подмытые и упавшие деревья) размыв здесь идет весьма активно.
Поверхность пляжей оголенная, мелкозем пере-вевается ветром. За период существования водохранилища (~50 лет) клиф отступил от линии исходного забоя на 180 м, т.е. скорость размыва составляет 3,6 м/год.
На этом участке разрушение берега началось в 1962 году. По данным Ю.Б. Тржцинского [5], к моменту наполнения водохранилища до НПУ общее смещение берега от проектной линии НПУ в отдельных местах составляло 14 м, а к концу 1970 г. - в среднем 19 м, максимально 26 м. Наиболее интенсивный размыв берега происходил в 1973 г., когда, по архивным данным, смещение береговой линии за год составило 23 м. Таким образом, отступание берегов не носило линейный характер, что объясняется многофакторностью причин этого процесса.
Нами, помимо построения морфодинамического профиля, был применен и другой способ определения средней скорости размыва на участке. На лоцманской
карте 1973 г. [6], на которой береговая линия показана при НПУ 401 м, ширину абразионной террасы (бенча) мы определяли по изобате 5,5 м (это соответствует двойной высоте максимальной волны, т.е. предельной глубине ее воздействия). Полученная таким образом ширина бенча составляет 150-180 м. По данным наших же промеров 2011 года, ширина береговой полосы от клифа до изобаты 5-6 м (с учетом проектного НПУ), откуда начинается свал глубин, составляет 250300 м. Таким образом, за 38 лет клиф отступил примерно на 100-120 м. Это составляет 2,5-3 м/год, что вполне сопоставимо с величинами, полученными из анализа морфодинамического профиля. Несколько меньшие значения размыва можно объяснить некоторым снижением его скорости или списать на погрешности измерений и карты.
Сегмент аккумуляции. Приурочен к изголовьям бухт и заливов с отмелыми берегами в условиях ветровой и волновой тени. Здесь происходит осаждение материала, принесенного с размываемых берегов. Клифы отсутствуют. Мелководья заболачиваются и заторфовываются (биогенная аккумуляция). Пляжи зарастают не только травянистой, но и кустарниковой и древесной растительностью. Процессу способствуют скопления у таких берегов многочисленных стволов старого плавника, свежеподмытых деревьев и топляков, которые служат естественным берегоукреп-ляющим «волноломом» и коллектором осадков.
Переходный сектор. Расположен между первыми двумя секторами. Характеризуется невысокими, сходящими на «нет» клифами, обычно со сглаженными бровками, подошвами и выположенными уступами. Пляжи в различной степени покрыты травянистой, а иногда и кустарниковой растительностью и местами закреплены полузасыпанными стволами принесенных прежде отмерших деревьев.
В достаточно далекой перспективе (многие десятки лет) должно произойти выравнивание береговой линии и стабилизация береговых процессов, которая, впрочем, будет весьма неустойчивой при условии сохранения имеющихся сезонных техногенных и природных колебаний уровня воды с амплитудой до 10 м.
Выводы. По интенсивности проявления техногенных геологических процессов на своих берегах Братское водохранилище относится к типу геодинами-чески неустойчивых, характеризующихся циклически сменяющимися стадиями активизации и относительной стабилизации процессов, что в значительной степени определяется уровенным режимом водоёма.
Основным фактором, определяющим распространенность размываемых берегов, является ветровое волнение, а интенсивность размыва определяется высотой волн, повторяемостью волнений и геолого-геоморфологическими условиями береговой зоны. Наиболее интенсивно размываются мысы, сложенные легкоразмываемыми породами. Различные сочетания геологических, геоморфологических, гидродинамических и ландшафтных факторов определяют многообразие морфодинамических обстановок и форм разрушения береговых уступов, состав наносов, скорости и пути перемещения их и т. д.
В результате многолетней эксплуатации водохранилища ширина размыва берега на некоторых участках, сложенных рыхлыми отложениями, достигла 140200 м, полускальными - на порядок, а скальными - на два порядка меньше. В настоящее время интенсивное разрушение берегов продолжается, что вызывает дальнейшие потери земель.
Количественные показатели разрушения берегов на мониторинговой площадке Заярск, полученные альтернативными методами, приведены ниже:
1. Среднее отступание клифа:
- из анализа карт 1962-2009 гг. - 123 м;
- из геодезических измерений за 2009-10 гг. - 2,9 м, за 2010-11 гг. - 1,3 м;
- из морфодинамического анализа береговых морфосистем за 1962-2009 гг. - 180 м.
2. Скорость отступания клифа:
- из анализа карт 1962-2009 гг. - 2,7 м/год;
- из геодезических измерений за 2009-10 гг. - 2,9 м/год, за 2010-11 гг: - 1,3 м/год;
- из морфодинамического анализа береговых морфосистем за 1962-2009 гг. - 3,6 м/год.
3. Площадь утраченных земель:
- из анализа карт 1962-2009 гг. - 220816 кв.м;
- из геодезических измерений за 2009-10 гг. -4427 кв.м, за 2010-11 гг. - 1431 кв.м;
- из морфодинамического анализа береговых морфосистем за 1962-2009 гг. - 324000 кв.м.
Расхождения показателей между сравнительно-картографическим и морфодинамическим методами объясняются тем, что первый метод рассматривает отступание берега от исходной линии, совпадающей с НПУ, а второй рассматривает отступание берега от глубины исходного забоя, которая вследствие сезонных колебаний уровня Братского водохранилища расположена ниже НПУ примерно на десять метров и соответственно мористее его. Интенсивность отступания берега неодинакова в разные годы, так как зависит от многих изменчивых факторов. Геодезические
данные за 2006-2011 гг. отражают снижение современных скоростей размыва по сравнению со средними вследствие увеличения бенча, гасящего энергию волн.
В то же время, абсолютные высоты подошвы и бровки клифа на Заярском участке составляют соответственно 398 и 405 м. Учитывая колебания уреза воды между значениями 391 и 401 м, размыв, пусть и не столь интенсивный, будет продолжаться еще достаточно долго.
В заключение отметим достоинства и недостатки каждого из рассмотренных методов.
Сравнительно-картографический метод позволяет быстро и эффективно оценить величину смещения линии НПУ во времени и рассчитать на этом основании среднюю скорость и площадь утраты размываемых земель. Метод требует обновления карт в масштабе не мельче исходных (с нанесенным НПУ) или составления фотопланов по актуальным материалам дистанционного зондирования крупного масштаба. Кроме того, рассматриваемый метод не позволяет получить величины размыва подводной части (прибрежья).
Метод повторных точных геодезических измерений предоставляет данные с наилучшей точностью и дискретностью во времени и пространстве. Требует достаточно дорогих полевых работ и много времени.
Морфодинамический метод на основе концепции морфосистем позволяет получить количественные показатели по средним скоростям размыва, площадям и объемам утраченных земель путем логико-аналитических реконструкций исходного рельефа, в том числе и подводного. Дискретность определений во времени невысока. Требует специальных знаний и навыков.
Наилучшие результаты могут быть получены при комплексном использовании этих методов, подкрепленных инженерно-геологическими и стационарными изысканиями.
1. Геологическая карта Иркутской области и сопредельных территорий. М-б 1:1 500 000 / под ред. В.Г.Кузнецова и П.М.Хренова. Л.: ВСЕГЕИ, 1982.
2. Вологодский Г.П., Логачев H.A., Папшева K.M., Чарушин Г.В. Геологические условия // Братское водохранилище. Инженерная геология территории. М.: АН СССР, 19б3. 275 с.
3. ГКИНП-02-033-82 Инструкция по топографическим съемкам в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000, 1:500. М.: Недра, 1982.
Библиографический список
4. Ступин В.П. Морфодинамический анализ и картографирование рельефа зоны влияния водохранилищ Ангарского каскада на основе концепции морфосистем // Известия ВУЗов. Горный журнал. Екатеринбург: Изд-во Уральск. гос. горн. ун-та, 2010. №5. С.115-120.
5. Тржцинский Ю.Б., Овчинников Г.И. Окончательный отчет по теме: «Мониторинг экзогенных геологических процессов береговой зоны Иркутского и Братского водохранилищ» / Институт земной коры СО РАН. Иркутск, 2004. Т.1.
6. Лоцманская карта Братского водохранилища, 1973.
