CC BY
29
УДК 551.3:624.131.1(571.53)
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ПРИ МОНИТОРИНГЕ АБРАЗИОННОГО УЧАСТКА «СОЛНЕЧНЫЙ» (ИРКУТСКОЕ ВОДОХРАНИЛИЩЕ)
4 О 4
А.А.Рыбченко', А.В.Кадетова2, Е.А.Козырева3
Институт земной коры СО РАН, 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова,128.
Рассматриваются геоэкологические проблемы переработки берегов искусственных водоемов, а также методика мониторинга на примере ключевого участка «Солнечный» на Иркутском водохранилище. Построение и сопоставление трехмерных моделей позволяют точно определить положение форм рельефа в пространстве и отследить динамику развития инженерно-геологических процессов. Предложенный метод анализа развития экзогенных процессов на ключевых участках может применяться на других объектах и территориях, где происходит развитие комплекса экзогенных геологических процессов, таких как абразия, солифлюкция, обвалы, оползни и т.п. Ил. 7. Библиогр. 10 назв.
Ключевые слова: геодинамические модели; водохранилища; динамика переработки берега.
3-D MODEL APPLICATION RESULTS FOR MONITORING THE SITE OF ABRASION "SOLNECHNY" (IRKUTSK RESERVOIR)
A.A.Rybchenko, A.V.Kadetova, E.A.Kozyreva
Institute of Earth Crust SB RAS, 128 Lermontov St., Irkutsk, 664033.
The article deals with the geo-ecological problems of man-made reservoir bank transformation, as well as monitoring procedure on the example of a key site of "Solnechny" at the Irkutsk Reservoir. The construction and comparison of 3-D models allow precise determination of relief forms in space and monitor development dynamics of engineering and geological processes. The proposed method for the analysis of exogenous processes development in key areas can be used on other sites and areas where the development of a complex of exogenous geological processes such as abrasion, solifluction, landslides, mudslides, etc occur. 7 figures. 10 sources.
Key words: geodynamic models; reservoirs; dynamics of reservoir bank transformation.
Введение. Изучение динамики и механизма развития абразионного процесса или переработки на берегах искусственных водоемов является достаточно актуальной проблемой. Актуальность заключается в том, что в большинстве случаев береговые территории водоемов обладают повышенной привлекательностью для жилых и рекреационных объектов. Поэтому потери этих земель приводят к социальному и экономическому ущербу. По данным экспертных оценок, экономические потери, наносимые процессами переработки побережий морей и водохранилищ в России, имеют объем более 1 млн м3, что в переводе на денежный эквивалент составляет от 2,0 до 2,5 млрд долларов США в год [5]. Наряду с наводнениями, обвалами, оползнями и землетрясениями береговые процессы относятся к числу наиболее распространенных и опасных природных явлений [7]. Проблемам переработки берегов в техногенных условиях и мето-
дам прогноза посвящены работы многих ученых, разработаны оригинальные методики прогноза берего-формирования для Сибирских водохранилищ [1, 6, 8, 10], в основе которых лежат натурные и экспериментальные наблюдения с момента проектирования гидротехнического сооружения, а также энергетическая составляющая водоема [10].
Постановка проблемы. Иркутское водохранилище, наполненное до уровня нормального подпорного горизонта в 1962 г., является водоемом сезонного регулирования. Это объект энергетического значения, поэтому его уровенный режим определяется экономической эффективностью работы турбин ГЭС и стоком воды из оз. Байкал. Водохранилище занимает долину реки Ангары выше г.Иркутска и имеет вытянутую форму с сильным горизонтальным расчленением береговой линии. Водохранилище характеризуется следующими морфометрическими характеристиками кот-
1Рыбченко Артем Александрович, кандидат геолого-минералогических наук, младший научный сотрудник лаборатории инженерной геологии и геоэкологии, тел.: (3952) 425899, e-mail: [email protected]
Rybchenko Artem, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Junior Researcher of the Laboratory of Engineering Geology and Geoecology, tel.: (3952) 425899, e-mail: [email protected]
2Кадетова Алена Васильевна, кандидат геолого-минералогических наук, научный сотрудник лаборатории инженерной геологии и геоэкологии, тел.: (3952) 425899.
Kadetova Alena, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Research Worker of the Laboratory of Engineering Geology and Geoecology, tel.: (3952) 425899.
3Козырева Елена Александровна, кандидат геолого-минералогических наук, научный сотрудник, заведующая лабораторией инженерной геологии и геоэкологии, тел.: (3952) 425899, e-mail: [email protected]
Kozyreva Elena, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Research Worker, Head of the Laboratory of Engineering Geology and Geoecology, tel.: (3952) 425899, e-mail: [email protected]
ловины: протяженность - 55 км, средняя ширина при максимальном наполнении - 2,8 км, площадь акватории 154 км2, максимальная глубина - 35 м, общая протяженность берегов - 267 км [4].
До наполнения Иркутского водохранилища формирование геологической среды на этой территории в течение длительного времени происходило под влиянием речного режима р. Ангары. После заполнения водохранилища произошло резкое изменение гидрологических условий, речной режим сменился режимом водохранилища, что привело к возникновению ранее отсутствующего на этой территории процесса абразии.
Особенностью геологического строения берегов водохранилища является то, что левый берег сложен коренными породами, представленными юрскими песчаниками, аргиллитами и алевролитами. Правый берег сложен делювиально-аллювиальными отложениями четвертичного возраста, представленными лёссовидными суглинками и супесями, а также песчано-галечными образованиями, которые подвержены процессу абразии практически на протяжении всего берега. Геологическое строение является определяющим фактором скорости переработки берегов водохранилища. Поскольку лессовидные породы являются лег-коразмываемыми, темпы размыва этих берегов составляют от 0,4-3,5 м/год до 3-10 м/год [10]. За весь период эксплуатации водохранилища на некоторых участках правого берега, сложенного лессовидными суглинками, размывы превысили 150 м [3], размывы левого берега гораздо меньше.
Следует отметить, что в силу благоприятных геоморфологических условий пологий правый берег Иркутского водохранилища является более освоенным, чем левый. На нем расположены жилые и дачные участки, рекреационные зоны и базы отдыха, поэтому потери земель на этих территориях наносят достаточно существенный экономический ущерб не только городу Иркутску, но и Иркутскому району. Для сохранения прибрежных массивов от размыва необходимо принять комплексные меры по их защите в ходе эксплуатации водохранилища. Для более качественных и экономически обоснованных управленческих решений - прогноза, защиты - необходимо обоснование прогнозных величин и комплексная оценка основных факторов, вызывающих переработку берега. Использование имеющегося научного опыта, данных многолетнего мониторинга развития береговых процессов, применение новых технологий при обработке данных являются залогом успешной разработки инженерных мероприятий и принятия ответственных решений по использованию прибрежных земель.
Объект исследования. В качестве объекта исследования был выбран участок береговой линии, расположенной на территории города Иркутска, в микрорайоне «Солнечный». Микрорайон расположен в верхнем бьефе Иркутского водохранилища, его территория представляет собой полуостров. Наиболее уязвимой в сложившихся условиях оказалась мысовая часть полуострова, что стало определяющим критерием при организации стационара. На береговом склоне
проводились мониторинговые работы по наблюдению за динамикой разрушения берегового уступа и развитием сопутствующих экзогенных процессов (рис. 1).
Геологическое строение исследуемого участка характеризуется широким развитием аллювиальных лессовидных образований мощностью от 5 до 15 м, представленных суглинками и супесями. Отобранные на стационарном участке пробы грунта позволили выявить свойства, сказывающиеся на величине абразионного размыва. Пробы были отобраны из расчистки мощностью 5,4 м в борту карьера, расположенного на стационарном участке. В грунтовом массиве были выделены следующие литологические разности: супеси лёссовидные темно-коричневого и охристого цвета, нормально пластичные (число пластичности 2,25,1%), разной степени увлажнения (степень увлажнения 0,1-0,9) и минимальной плотности сложения (плотность скелета 1,40-1,56 г/см3); суглинки лёссовидные от желто-коричневого до охристого цвета, с максимальной степенью увлажнения (степень водона-сыщения 1,0) и максимальной степенью уплотнения (плотность скелета до 1,69 г/см3). Анализ характера распределения показателей состава и состояния грунтов в вертикальном разрезе толщи позволил установить, что если природная влажность и степень водо-насыщения грунтов закономерно увеличиваются с глубиной (3,5-23%; 0,1-1,0), то плотность сложения толщи грунта разнородна и выделяются три наиболее недоуплотненных интервала: 1) 0,3-0,9 м; 2) 1,6-2,0 м и 3) 4,5-5,0 м (рис. 2).
Рис. 1. Схема расположения ключевого участка «Солнечный»
Состояние грунтов верхней, средней и нижней частей характеризуется недоуплотненностью и малой прочностью (сцепление 0,055 МПа, угол внутреннего трения 18о), что при значительном увлажнении способствует развитию пластических деформаций.
Негативную роль в изменении свойств грунтов играет сезонное промерзание и оттаивание. Известно, что в результате многократного промерзания и оттаивания в грунте происходит разрушение структурных связей, при этом прочностные параметры снижаются в 2-4 раза [2, 9].
Уровенный режим и ветроволновые условия являются одним из ведущих факторов активизации процесса абразии. Амплитуда сезонного колебания Иркутского водохранилища до 2001 года составляла 3 м
Рис. 2. Литологическая колонка и отдельные показатели свойств грунтов: 1 - почвенно-растительный слой; 2 - супесь; 3 - суглинок; 4 - степень водонасыщения ^г); 5 - коэффициент пористости (е); 6 - плотность
скелета грунта, гр/см3 (РФ)
[4]. В марте 2001 года Постановлением правительства Российской Федерации №234 от 26.03.01 были установлены предельные значения уровня озера Байкал, которые составляют 456-457 м. Поскольку этот уровень регулируется плотиной Иркутской ГЭС, то колебание уровня самого водохранилища составляет 1 м. Режим наполнения водохранилища в течение года таков: минимальный уровень приходится на апрель-май, затем идет повышение уровня, в сентябре-октябре он достигает максимума и далее плавно опускается до минимума (рис. 3).
Ветро-волновая характеристика этой части Иркутского водохранилища определяется особенностью ветрового режима водоёма, в котором отмечается значительное преобладание ветров северо-западного
и юго-восточного направлений, составляющих более половины повторяемости от всех направлений. Анализ ветрового волнения выявил преобладание волновых воздействий по правобережью водохранилища. В приплотинной части средняя максимальная высота волны (средняя высота волн на участках максимального волнения) составляет 0,3 м, а энергия волнения -8,4 тыс. ТМ [4].
По результатам полевых наблюдений нами была установлена этапность в разрушении берегового склона, которая, скорее всего, характерна для водохранилищ, имеющих схожий уровенный режим. Процесс разрушения берегового склона происходит в следующие этапы. Во время высокого уровня воды (август-октябрь) береговой склон становится практи-
Рис. 3. Колебание уровня Иркутского водохранилища за период эксплуатации
чески отвесным, что приводит к нарушению равновесного состояния массива и вызывает возникновение трещин бокового отпора шириной от 0,02-0,03 до 0,2 м. Зимой происходит увеличение ширины этих трещин, а также разрушение рыхлых пород в результате морозного выветривания, которые растрескиваются и осыпаются в виде плит к подножию склона. Весной оттаивание водонасыщеных грунтов сопровождается вытеканием переувлажненного грунта. Поскольку, как правило, вытекают нижние слои, образуя ниши, то это приводит к дополнительной дестабилизации склона. В летний период во время выпадения атмосферных осадков происходит обрушение блоков, сформированных по трещинам бокового отпора, в результате увеличения массы блоков и снижения прочностных свойств грунтов за счет увеличения влажности. В это время, несмотря на относительно низкий уровень водохранилища, происходит максимальное отступание бровки берегового склона. В ходе наблюдений отмечены случаи, когда после обильных атмосферных осадков происходило обрушение блоков. Так, отступание бровки по одному из реперов составило 0,32 м. Осенью при высоком уровне происходит размыв и переработка материала, скопившегося у подножия берегового уступа, что приводит склон в состояние предельного равновесия - закладываются новые трещины бортового отпора и начинается новый цикл процесса разрушения.
Таким образом, главными факторами разрушения берегового склона являются прежде всего колебание уровня водохранилища, а также показатели физических, физико-химических и деформационно-прочностных свойств грунтов. И если колебание уровня проявляется в цикличности разрушения берегового склона, то свойства грунтов отражаются на его скорости. Ситуацию усугубляет наличие рядом с абразион-
А
Рис. 4. Разрушение перемычки между карьером Б - 6 октября 2005 г.; В - 24 мая
ным уступом заброшенного карьера, в котором ранее велась добыча строительных материалов. Процесс солифлюкции в бортах карьера и тот факт, что дно его постоянно обводнено, усложняют инженерно-геологические условия участка. Эти условия привели к тому, что сохранившаяся перемычка между водохранилищем и жилым массивом разрушилась с двух сторон (рис. 4). На фото видно, как изменяются размеры земляной перемычки между водохранилищем и карьером. Так, например, в октябре 2005 г. ширина перемычки составляла 1,7 м, в мае 2006 г. - 0,65 м, а в 2007 году перемычка была разрушена.
Методика построения трехмерных моделей и их анализ. Мониторинг развития экзогенных геологических процессов на ключевом участке проводился методом построения трехмерных моделей участка. Модели строились по данным тахеометрической съемки, которая позволяет определять пространственное развитие процессов и анализировать изменения, произошедшие на исследуемой территории за определенный отрезок времени. При этом получение данных и их обработка являются простым способом с использованием общедоступных средств, таких, как топографические инструменты (теодолит, тахеометр) и широко распространенные компьютерные программы для обработки замеров и построения объемных моделей. Методика изучения участка включает в себя топографическую и метрическую съёмку. Топографическая съёмка предусматривает создание топографического плана методом проложения замкнутого теодолитного хода. Теодолитный ход проходит по контрольным точкам, которые закреплены на местности реперами. Репера устанавливаются таким образом, чтобы в поле зрения исследователя находились интересующие его объекты. При необходимости выносятся «висячие» точки, которые не включены в теодолитный
Б
и водохранилищем во времени: А - 6 мая 2004 г.; 2006 г.; Г - 31 октября 2006 г.
ход, а закреплены по одному из его реперов. Они создаются для тех случаев, когда какой-либо объект исследования невозможно снять с точек замкнутого теодолитного хода. Тахеометрическая съёмка осуществляется с контрольных точек (реперов) и «висячих» точек. Следует отметить, что в процессе тахеометрической съёмки особое внимание уделяется отдельным формам проявления процессов и изменениям рельефа, на таких участках частота пикетов сгущается.
Данные тахеометрической съёмки обрабатываются, по полученным координатам строится план (модель) участка, по необходимости добавляются «кор-рекционные» точки для лучшего визуального восприятия модели (рис. 5). Построенная модель отображает развитие экзогенного процесса, его формы и размеры в пространстве. Для определения изменений, вызванных активизацией ЭГП, произошедших на участке за период наблюдений, осуществляется наложение моделей разных лет. Наложение производится по контрольным точкам - реперам, местоположение которых не изменено, что обеспечивает точную привязку моделей разных лет.
Для анализа геодинамической ситуации на участке, в том числе и отступания бровки берегового уступа, было совмещено несколько разновременных моделей, построенных по результатам съёмки 2004, 2005 и 2006 гг. (рис. 6).
Рис. 5. Трехмерная модель участка по данным за 2006 г.: 1 - бровка абразионного уступа;
2 - подножие абразионного уступа
Сопоставление моделей показало общее отступание береговой линии, произошедшее за период наблюдений, а также то, что разрушение во времени на исследуемом участке происходит с разной скоростью. Данные наблюдений и сопоставления моделей показали, что северо-западная часть участка испытывает большее разрушение и отступание бровки, чем юго-восточная. За четыре года наблюдений среднее
Рис. 6. Фрагмент модели участка абразионного уступа (по данным разных лет): А - 2004 г.; Б - 2005 г.; В - 2006 г.;1 - подножие абразионного уступа; 2 - бровка абразионного уступа
отступание северо-западной части составило более 3 м, а юго-восточной - менее 1 м. Отмечается плавное уменьшение величины размыва от северо-западной к юго-восточной части участка (рис. 7).
Данные наблюдений, подкрепленные построенными трехмерными моделями, подтверждают такую закономерность. Большая величина размыва северозападной части объясняется преобладанием ветров северо-западного направления и вследствие этого более активной волноприбойной деятельностью водохранилища. Кроме отступания бровки берегового уступа, результаты сопоставления моделей позволяют проследить сужение перемычки между карьером и водохранилищем, которая уменьшается в результате того же абразионного разрушения берега. На участке находится заброшенный карьер, используемый для добычи глины. Северо-восточный склон отработанного карьера подвержен развитию солифлюкции. Таким образом, геолого-геоморфологические условия способствуют развитию комплекса экзогенных процессов, приводящих к разрушению данного участка в двух направлениях: со стороны массива и со стороны водоема. Со стороны водохранилища происходит интенсивный абразионный размыв, со стороны коренного массива и карьера - разрушение и денудация поверхности за счет солифлюкционного процесса.
В настоящее время на данном участке ведутся работы по сооружению капитальных строений, осуществляется засыпка заброшенного карьера. Решается вопрос о дальнейшем использовании участка береговой зоны, расположенного в черте города. Самым оптимальным, исходя из сложившихся предпосылок использования территории, было бы создание здесь рекреационной зоны после укрепления берега от интенсивного абразионного размыва.
Заключение. Предложенный метод мониторинга за развитием экзогенных геологических процессов на ключевых участках может применяться и на других объектах и территориях, где происходит развитие не только одного типа экзогенных геологических процессов, но и их комплекса, таких как абразия, солифлюк-ция, обвалы, оползни и т.п. Построение трехмерных
моделей позволяет получить точные данные изменений положения форм процессов в пространстве и отследить динамику развития процессов. Кроме того, в сочетании с анализом условий и факторов участка работ трехмерные модели позволяют выявить определенные закономерности, связанные с внешними воздействиями (климатические, техногенные и другие факторы).
м/р "Солнечный"
Иркутское вдх.
Рис. 7. Схема отступания бровки берегового уступа по данным сопоставления трехмерных моделей (за три года наблюдений): 1 - более 3 м; 2 - от 3 до 2 м; 3 - от 2 до 1 м; 4 - менее 1 м
Выявление ведущего фактора, приводящего к функциональным изменениям в пределах ключевого участка, дает возможность решить проблему управления процессами переработки берегового склона и принятия взвешенного решения по оптимальному использованию территории. Использование моделей позволяет получить прогнозные величины развития экзогенных процессов, что является одним из важных показателей результативности геодинамического моделирования при мониторинге опасных экзогенных процессов.
Библиографический список
1. Гречищев Е.К. Метод расчета ширины зоны размыва берегов на примере Братского водохранилища. Иркутск, 1964. 95 с.
2. Лещиков Ф.Н., Шац М.М. Мерзлые породы юга Средней Сибири. Новосибирск: Наука, 1983. 168 с.
3. Овчинников Г.И., Павлов С.Х., Тржцинский Ю.Б. Изменение геологической среды в зонах влияния Ангаро-Енисейских водохранилищ. Новосибирск: Наука, Сибирская издательская группа РАН, 1999. 254 с.
4. Абразионно-аккумулятивные процессы в береговой зоне водохранилищ. На примере Южного Приангарья и Си-лезской возвышенности / Г.И.Овчинников [и др.]. Сосновец - Иркутск, 2002. 102 с.
5. Природные опасности России. Оценка и управление природными рисками. Тематический том / под ред. А.Л. Рагозина. М.: «КРУК», 2003. 320 с.
6. Пуляевский Г.М. К размываемости горных пород на
берегах водохранилищ // Труды координированных совещаний по гидротехнике. Л., 1972. Вып. 71. С. 79-83.
7. Рагозин А.Л. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных природных процессов // Промышленное и гражданское строительство. 1992. № 12. С. 6-7.
8. Формирование берегов Ангарских водохранилищ (методика изучения и прогноза) / Отв. редактор Ю.Б.Тржцинский. Новосибирск: Наука, 1976. 71 с.
9. Шульгин М.В. Современный криогенез в лёссовых породах и его влияние на развитие береговых уступов ангарских водохранилищ: автореф. дис. ... канд. геол.-минералог. наук. Иркутск, 1993. 19 с.
10. Owchinnikow G.I. Rozwoj wspoleczesnych procesow eolicznych nad zbiornikiem Brackim i ich rola w ksztaltowaniu strefy brzegowej // Wspolezesne oraz kopalne zjawiska i formy eoliezne. Wybrane zagadnienia. Sosnowiec, Polska, 1996a. S. 102-110.
