Район верхнего бьефа

Пространственно-временная организация сферы влияния водохранилищ

В 60-70-е годы XX в. в связи с актуальностью проектов терри^-" ального перераспределения стока северных рек на юг возросло мание к проблемам взаимодействия крупных равнинных водохра лищ с ландшафтами окружающей территории. Значительный вк. решение этой проблемы внесли работы А. Б. Авакяна, С. Л. Венд К. Н. Дьяконова, А. Г. Емельянова, Ю. М. Матарзина, И. Г. Мельни ко, Г. С. Золотарева, Л. К. Малик, А. Ю. Ретеюма, В. М. Широ В. М. Стародубцева, Р. С. Чалова, В. А. Шарапова, К. К. Эделыите В. Н. Экзарьяна и др. На основании этих работ составлена схема вЛ ния водохранилищ на окружающую территорию (рис. 27).

Рис. 27. Схема влияния водохранилищ на геокомплексы прилегающих территорий

Взаимодействие водохранилища с ландшафтами осуществляется через поверхностные и грунтовые воды, воздушные массы и живот­ный мир. Переработка берегов водохранилищ (термин предложен ака­демиком Ф. П. Саваренским в начале 30-х годов при проектировании водохранилищ Волжского каскада) определяется локальными и фо­новыми физико-географическими факторами.

1. Первоначальным к моменту заполнения чаши водоема рельефом.

2. Степенью выветренности горных пород, их сопротивляемостью к размыву под динамическим воздействием волн, сопротивляемостью «растворению» при смачивании.

3. Комплексом гидрометеорологических условий, среди которых определяющее значение имеют ветровой режим и продолжительность безморозного периода.

4. Комплексом химических и биохимических факторов, определяю­щих в конкретных условиях интенсивность «химической абразии» и кар­стовые провалы. Это актуально для побережий Камского, Усть-Илимс- кого и ряда горных водохранилищ в Средней Азии и Закавказье.

Зона выклинивания подпора Рис. 28. Продольный профиль водохранилища с гидрологическими зонами (Авакян, Шарапов, 1977): А — нижняя зона, Б — средняя зона, В — верхняя зона; 1 — нормальный межен­ный уровень, 2 — то же после подпора, 3 — максимальный уровень половодья в естественных условиях, 4 — то же после подпора, 5 — меженный уровень при сработанном водохранилище

5. Биологическими свойствами водоема, в частности интенсивно­стью развития планктона, гидромакрофитов. В значительных скопле­ниях они способны нейтрализовать ветровое волнение и тем самым резко уменьшить интенсивность процесса абразии и размыва дна.

6. Количеством наносов, поступающих в водохранилище, и их ис­точниками. На крупных равнинных водохранилищах обычно 70% взве­шенных наносов местного происхождения, за счет размыва дна на мелководьях и берегов. Остальное количество поступает с водосбора через притоки. В аридных районах возрастает роль атмосферного пере­носа пыли.

7. Амплитудой колебаний уровня фунтовых вод, смачиванием бров­ки и склонов береговых массивов атмосферными осадками, объемом и режимом талых вод.

Коренное отличие водохранилищ от озер заключается в том, что от плотины вверх по бывшей реке новый водоем имеет несколько гидрологических зон, каждая из которых характеризуется специфи­ческими гидро- и морфодинамическими особенностями и взаимодей­ствием с ландшафтами прилегающей территории.

С. Л. Вендровым выделено четыре зоны (рис. 28).

Глубоководная нижняя зона, где при всех уровнях волнение разви­вается свободно, не взаимодействуя, за исключением прибрежной полосы, с дном. Динамические условия близки к морским или глубо­ководным озерам. Наносы аккумулируются только на глубине за пре­делами зоны сработки. Влияние на климат максимально.

Промежуточная зона средних глубин в зависимости от положения уровня воды может быть либо глубоководной (при уровнях близких к НПУ), либо мелководной (при низких отметках уровня).

Мелководная верхняя зона, где при любых положениях уровня со­храняются условия мелкого озера. Развитие волнения ограничено вли­янием дна. Волновая переработка берега малоинтенсивна. Здесь откла­дывается значительная часть приносимых рекой наносов и быстро формируется прибрежная отмель. Климатическое влияние ослаблено (наблюдаются изменения в микроклимате).

Зона выклинивания подпора, в которой даже при самом высоком горизонте воды сохраняются условия мелководного залива. По мере снижения уровня она обсыхает и становится «поймой» водохранили­ща. Активно идут эрозионно-аккумулятивные процессы. Развит про­цесс регрессивной аккумуляции, связанный со снижением скорости потока и отложением наносов.

Еще выделяют разорванные ареалы зон небольших заливов, в ко­торых идет процесс аккумуляции материала, поставляемого склоно­вым стоком.

Классификация берегов по их генезису была разработана И. А. Пе- черкиным, С. Л. Вендровым и В. М. Широковым. Выделяют берега аб­разионные (обвально-осыпные, оползневые, закарстованные), акку­мулятивные и устойчивые. Наибольший практический интерес пред­ставляют абразионные берега. Это связано с большой интенсивностью их размыва, особенно в первые пять лет существования водохранили­ща. Ширина зоны переработки берегов в конечную стадию составляет 200—300 м и более. Наиболее интенсивно абразия берегов идет на во­дохранилищах Сибири, что связано с криогенными процессами в ус­ловиях экстраконтинентального климата. Из общей протяженности берегов существующих и строящихся водохранилищ Сибири (30 тыс. км) около 10 тыс. км затронуты процессами их переработки.

На развитие абразионных процессов на водохранилищах, распо­ложенных в зоне многолетней мерзлоты, оказывают большое влияние термокарстовые процессы. Для горных водохранилищ характерны свои особенности переформирования берегов, обусловленные малой ро­лью ветрового волнения, большой амплитудой колебания уровня (до десятков метров), преобладанием прочных горных пород. Большую роль играют геодинамические процессы, поставляющие материал в акваторию, — выветривание горных пород, осыпи, обвалы, оползни.

В настоящее время протяженность абразионных, оползневых, осып- ных, обвальных и других отступающих берегов составляет не менее 20 тыс. км, а объем ежегодно перерабатываемых горных пород — более 300 млн м³.

Следует особо сказать о сравнительно недавно открытом виде вли­яния крупных водохранилищ на окружающую геологическую среду. Они активизируют движения земной коры в сейсмически активных регионах, вызывая даже небольшие наведенные землетрясения. Заре­гистрированы тектонические движения в районах создания водохра­нилищ Кариба, Гранвил, Мид, Нурекского и др. ^[32]

В прибрежной зоне водохранилищ происходят направленные из­менения в положении зеркала грунтовых и почвенных вод. Наблюдают­ся два процесса: фильтрация воды в берег и подпор грунтовых вод со стороны водохранилища. Помимо направленных изменений отмеча­ются ритмические колебания, обусловленные в подзоне прямого гид­рогеологического воздействия колебаниями уровня водохранилища.

Ширина этой подзоны — 300-400 м. Далее следует подзона кос­венного влияния, где сезонная ритмика увлажнения в первую очередь обусловлена метеорологическими условиями, но после создания во­дохранилища уже в первые 5—10 лет отмечен подъем зеркала грунто­вых вод. Ширина этой подзоны может достигать 1-3 км, а в ослаблен­ном виде проявляться на расстоянии до 5—6 км по долинам подтоп­ленных рек и ручьев (Камское, Иваньковское и др. водохранилища).

Анализ проектов создания водохранилищ ГЭС при их экспертизах показывает, что гидрогеологами (Г. Н. Каменский, В. М. Шестаков и др.) создана надежная методика расчета ширины зоны гидрогеологичес­кого влияния, а отдельные ошибки связаны с недоучетом местных ландшафтных условий.

В районе верхнего бьефа водохранилища формируются зоны, под­зоны и пояса влияния, образующие его сферу воздействия.

Комбинация этих факторов выделяет пять видов зон влияния:

I — обширная с полным набором зон, подзон и поясов. Характе­

рен для берегов, сложенных песками и супесями, пологих и закрытых от ветрового волнения, где преобладает 1-й и 2-й типы режима уровня;

II — обширная с неполным набором поясов (отсутствует пояс

сильного подтопления). Характерен для открытых абразион­ных берегов, с преобладанием 1-го и 2-го типов режима уров­ня водохранилища;

III —укороченная с полным набором зон и поясов. Вид приуро­

чен к берегам относительно крутым и сложенным легкими суглинками;

IV — укороченная с неполным набором поясов и подзон (без по­

яса сильного подтопления на крутых абразионных берегах, сложенных суглинистыми породами; только с поясом силь­ного подтопления на пологих берегах, сложенных легко- и среднесуглинистыми породами);

V — укороченная, с поясами периодического затопления, уме­

ренного и слабого подтопления на водохранилищах, где пре­обладает 3-й тип режима уровня.

Глубокая дифференциация знака, интенсивности воздействия в различных ландшафтах, неоднозначная плановая проекция ареалов в зависимости от выбранного индикатора влияния — один из важней­ших выводов анализа сферы влияния искусственных водоемов.

В подзоне прямого влияния водохранилищ лесной и лесостепной зон прослеживаются следующие пояса.

1. Периодического затопления; он располагается между уровнем минимальной сработки и уровнем максимальной форсировки. Распре­деление новых ПТК подчинено вероятности затопления и носит ми­кропоясной характер.

2. Сильного подтопления, отрицательного влияния; его верхняя гра­ница на разных водохранилищах колеблется от 0,45 до 1,2 м над НПУ. Ширина пояса — первые сотни метров, а по заливам и долинам затоп­ленных рек — до нескольких километров; на берегах, сложенных лессо­видными суглинками, за счет капиллярного поднятия влаги граница пояса может превосходить 2 м над НПУ. В этом поясе наблюдается пол­ная структурно-функциональная перестройка существовавших ранее ПТК. Вымочка леса происходит до высоты 0,6—0,8 м над НПУ. Леса замеща­ются низинными болотами. Выше указанных отметок наблюдается угне­тение древостоя, снижение в 1,3—2 раза прироста, падение бонитета на II—III класса. Различные типы леса в поясе сильного подтопления транс­формируются в осоково-травяные типы на торфянисто-подзолисто-гле- евых, торфяно-глеевых почвах. Стадии и смены в лесных ПТК в при­брежной зоне водохранилищ рассмотрены в работах К. А. Кудинова, А. Г. Емельянова, К. Н. Дьяконова, А. И. Русаленко и др.

Н, м

Z, мм

1947 1949 1951 1953 195519571959 1961 196319651967 1969 1971 19731975 Годы

Рис. 29. Ход среднего уровня Рыбинского водохранилища (1) с мая по август, прирост сосен сосняка-зеленомошника в поясе умеренного подтопления (2) и прирост сосен сосняка-зеленомошника вне сферы влияния водохранилища (3)_;

3. Переходный, нарастающего и уменьшающегося подтопления. За-! нимает территорию в пределах 0,5—1,3 м над НПУ. В годы с высоким! стоянием уровня водохранилища и почвенно-грунтовых вод наблюдает-¹ ся активизация процессов заболачивания, а в годы с низким уровнем ■ улучшение аэрации и увеличение фитопродукции ландшафта.

4. Умеренного и слабого подтопления, обычно положительног воздействия на биопродуктивность ландшафтов. Внешняя граница до 3-3,5 м над НПУ; ширина в подзоне прямого влияния до 400 Наибольшее увеличение прироста древесного яруса наблюдается в те ПТК, в которых до создания водохранилищ грунтовые воды распола­гались ниже корнеобитаемого слоя (сосняки лишайниковые, зелено- мошные, чернично-зеленомошные).

В подзоне косвенного влияния прослеживаются пояса увеличени и снижения биологической продуктивности. Ее ширина может пре­восходить 1—2 км.

Важно подчеркнуть, что сезонная и годовая хроноорганизация про­цессов в подзоне прямого влияния обнаруживает связь с уровнем водо­хранилища. Это проявляется в связи уровня водохранилища с ежегод­ным приростом деревьев (рис. 29), также с численностью и видовьщ разнообразием млекопитающих, продукцией фитомассы лугов, содер­жанием кислорода в грунтовых водах, степенью оглеения почв.,

Влияние водохранилищ на ландшафты в степной, полупустынной и пустынной зонах имеет свою специфику. Она заключается в том, что на смену процессу подтопления приходит процесс засоления, j

Влияние крупных водохранилищ, особенно таких как Братское, Куйбышевкое, Рыбинское, Бухтарминское и др., на местный климат выражено довольно четко.

Альбедо водной поверхности при высоте Солнца более 20 колеб­лется от 6 до 12% и всегда меньше альбедо поверхности суши. Поэто­му радиационный баланс водохранилищ (RJ обычно на 15—20% боль­ше радиационного баланса суши (RJ. Осенью за счет увеличения роли

				1!£
$ /// 1		ч		Ш					V// 1
<^Л/ Ik					I		II			л\
!	ш		щ								4-
						У	у
I	Л	ш	п	7	Ш	1Ш	ш	к	X	Л	ш

Месяцы

Рис. 30. Роль географического положения водоемов в продолжительнос­ти периодов охлаждающего (I) и отепляющего (II) влияния: А — на мелких водоемах; Б— на глубоких, Л — период ледостава

эффективного излучения в радиационном балансе и более теплой вод­ной поверхности по сравнению с сушей R_e< R_c.

Индикатором на интенсивность влияния водохранилища выступает разность температур поверхности воды и воздуха на окружающей терри­тории (вне зоны влияния) -Tn-t. Она зависит от глубины водохранили­ща и его географического положения (рис. 30). Влиянию водохранилища на местный климат свойственны два периода: охлаждающего и отепля­ющего воздействия. Снижение средней месячной температуры воздуха в первом километре от уреза в апреле—июне равно 0,5—2,5 °С; на сибирских водохранилищах — 1,0-3,5 °С, главным образом за счет большего про­мерзания водоемов (толщина льда на водохранилищах Сибири достига­ет 1-1,2 м; на водохранилищах европейской части страны — 0,6—0,8 м).

Весной переход температуры воздуха через 5 и 10° запаздывает на берегах на 3-7 суток, что сказывается на прохождении растениями фенологических фаз; осенью наблюдается сдвиг дат перехода темпе­ратуры воздуха через 10,5 и 0° на более поздние сроки, на мелких водохранилищах на 3—5 дней, на глубоководных — на 5-10 дней. Про­должительность безморозного периода на побережье возрастает вес­ной на 1-4, осенью — на 9-14 (на глубоководных до 20) дней.

Соотношение периодов охлаждающего и отепляющего влияния во­дохранилищ на уровне дневных и ночных температур воздуха различно. Чаще всего этот факт не учитывается в прогнозе влияния водохранилища на климат. Охлаждающий эффект водохранилищ в дневное время прояв­ляется до начала августа, а отепляющий ночью с середины мая на водо­хранилищах европейской территории России и с июня в условиях Си­бири. Максимальные значения охлаждающего эффекта днем в апреле- мае (2,5—4,5 °С), отепляющего — ночью в августе—сентябре (2,5—3,5 °С).

Относительная влажность воздуха в дневные часы всегда выше на берегу (на 4—16%) по сравнению с территорией, на которую влияние водохранилища не распространяется, а ночью — ниже на несколько
процентов. Абсолютная влажность воздуха в прибрежной зоне выше на 0,5-2,0 мБ.

Водохранилище снижает число пасмурных дней по нижней облач­ности весной и летом на 10—20% и увеличивает число ясных дней до 30%. Над акваторией и плоскими берегами по сравнению с территорией более высокой и удаленной на 5—10 км за теплый период выпадает на 10-20% атмосферных осадков меньше, так как в период охлаждающего влияния конвенктивная облачность развита над водоемом меньше.

В течение всего теплого периода, за исключением апреля и первой половины мая, скорость ветра в прибрежной зоне выше, причем раз­личия в августе—октябре достигают 1,0-2,2 м/с. На берегах всех водо­хранилищ развита бризовая циркуляция, влияющая на погоду и фор­мирующая специфические черты местного климата на крупных водо­хранилищах на расстоянии до 5—8 км.

Бризовая циркуляция определяет размеры ареала влияния. Актив­ное устойчивое влияние прослеживается до 3-5 км от берега, эпизод дическое — до 10—15 км. г

В нижнем бьефе (ниже плотины) отчетливо прослеживаются зоны гидрологического, гидрогеологического и климатического влияний} Внутригодовое перераспределение стока и его частичное изъятие I период наполнения чаши вызывают значительно большие изменении⁷ в аридной зоне, чем в гумидной, причем в степной и полупустынной¹ зонах влияние в нижнем бьефе по площади обычно превосходит вли* яние в верхнем бьефе. Оценка эффекта изменений режима пойменный и грунтовых вод дифференцирована в зависимости от зональных региональных условий.

В лесной зоне европейской территории страны, Западной и Сред ней Сибири регулирование стока рек водохранилищами при избыточ­ном пойменном увлажнении снимает продолжительность весенне-лет него половодья, что в ряде случаев благоприятно для пойменных лу* говых комплексов.

Однако при этом резко снижается поступление наилка, нарушав ется главное звено формирования плодородия пойменных почв. " В условиях муссонного климата Дальнего Востока срез летнего пИкв половодья благоприятно влияет на условия сельскохозяйственного производства. Классическим примером является Зейское водохрани*'¹ лище, позволившее снизить интенсивность и продолжительность лет­не-осенних паводков на протяжении 640 км от плотины до устья рекШ Существенные негативные изменения пойменных комплексов най блюдаются в нижних бьефах аридных районов, где снижение водностиГ связано также с водозабором воды на орошение. Происходит опустыниА вание и засоление ландшафтов, снижение их биологической продукт тивности в несколько раз. Классические примеры — пойма Иртыша ниже плотины Бухтарминской и Усть-Каменогорской ГЭС, где влия-i ние водохранилища сказывается на расстоянии до 1500 км; Волго-Ах- тубинская пойма, нижний бьеф Капчагайского водохранилища и др. Фактором снижения биопродукции пойменных лугов выступает и бо­лее холодная вода в летний период (на 6—10°), поступающая в ниж­ний бьеф на сибирских водохранилищах. Заметны различия в темпе­ратуре на Каховском водохранилище (в мае на 2,5°). Зимний попуск относительно теплых вод приводит к образованию туманов на протя­жении нескольких десятков километров (Красноярское, Зейское и др. водохранилища). Изменение гидротермических условий в нижнем бье­фе, в частности образование в зимний период незамерзающей полы­ньи, коренным образом отражается на путях миграции животных.

Дата добавления: 2014-11-29