ИЗМЕНЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ БАЗИСА ДЕНУДАЦИИ

В поперечном профиле склона БД выражен в виде точки с аналогичными характеристиками [7].

При БД склоновые процессы взаимодействуют не только с тектоническими и выветриванием (как по всей площади склона), но и с более динамичными процессами, чаще всего (для территорий с гумидным климатом) – флювиальными. В ходе этих взаимодействий БД перемещается как в плане, так и по высоте, вызывая изменения буквально всех свойств строения и развития склона. Поэтому изменение положения БД – вместе с формой поперечного профиля [2, 7] – является интегральной морфодинамической характеристикой склона, причем – наиболее высокоранговой. Оно не только определяет форму поперечного профиля склона, строение и мощность чехла рыхлых образований (РО), особенности выветривания и сноса обломков на различных участках профиля [7]. Изменение положения или направление смещения БД во всех своих характеристиках служит интегральным показателем и индикатором взаимодействия всех процессов, непосредственно (склоновых и других, функционирующих как склоносоздающие) или опосредованно (тектонических, выветривания, флювиальных и др.) участвующих в формировании склонов.

Направление смещения БД, таким образом, как и другие интегральные морфодинамические характеристики – проводники взаимодействий [6] (каждый – в своем роде), только одним своим существованием разрешает крупную научную проблему, непосредственно открывая путь к познанию сущности формирования склонов.

В то же время исследователи давно и мучительно стремятся найти всеобъемлющие характеристики избранных объектов исследований. Это происходит не только в геоморфологии, где для их поиска и развивается системный анализ, и применяются методы смежных наук (математические и др.). Но на стадии поиска чаще всего мы при этом и останавливаемся. В данном же случае, как пока в немногих еще [6], сама природа предлагает нам такую характеристику. Исследователю остается только наблюдать, анализировать, обобщать, прогнозировать. Этому – в рамках обозначенных объекта и предмета исследований – и посвящена настоящая работа.

Для БД характерно как стабильное, так и меняющееся положение. Варианты развития склонов со стабильным БД исследовал С.А. Лебедев [3], а со смещающимися – А.Н. Махинов [7]. Было подтверждено преобладание понижающихся, наступающих и отступающих БД. Они, естественно, и были изучены более детально.

В ходе наших исследований строения и формирования склонов долин рек Амур, Шилка, Аргунь [4] и Бурея установлены: 1) сложные разновидности направления смещения БД: понижающиеся-наступающие и понижающиеся-отступающие; 2) их преобладание – вместе с понижающимися – среди БД склонов изученных участков долин в пределах зон влияния (бьефах) ГЭС, только предполагаемых (намечаемых) к строительству или, как Бурейская, уже построенных.

Гораздо меньше внимания было уделено повышающимся БД – пропорционально редкости их распространения в природе. Установлено лишь, что при повышении БД в нижней части склона накапливаются мощные толщи РО [7] и склон приобретает вогнутую форму поперечного профиля [2]. Такое положение совершенно неоправданно с учетом практической значимости исследования проблем развития склонов при создании (заполнении) и, в несколько меньшей степени, при эксплуатации водохранилищ (далее – вдхр). Еще более важно рассмотрение проблем развития склонов с повышающимися БД для прогнозирования развития склонов вдхр. Основополагающая причина этому следующая.

Создание (заполнение) вдхр для склонов есть не что иное, как катастрофическое повышение БД. Величины его соответствуют максимальным глубинам вдхр или несколько меньше их, нередко достигают 100 м и более, зачастую – при эквивалентной высоте самих склонов. Период заполнения вдхр – первые десятилетия – мгновение в истории развития склонов. Исходя из этого заметим, что повышение БД при создании вдхр – процесс не только катастрофический, но и единовременный (мгновенный).

В то же время заполнение вдхр – повышение БД функционирует вместе с волновыми процессами, как склоносоздающий процесс. И действие (взаимодействие) их на склон не так однозначно, как при повышении БД в "обычном" случае в связи с аккумуляцией РО у подножия склона. Но оно не менее разнообразно и уже поэтому нуждается в специальных исследованиях. Предметное изучение его минимально в силу такой же степени изученности повышающихся БД в полностью естественных условиях и устоявшегося почему-то характера постановки исследовательских задач. Он состоит в переходе от рассмотрения факта заполнения вдхр к выявлению и анализу его последствий, минуя сам ход (и тем более – процессы) изменения природных условий, в данном случае – формирования склонов долин, превращающихся в склоны вдхр. В ходе наших исследований удалось преодолеть эти обстоятельства и получить результаты в следующих направлениях.

1. Изменение крутизны склонов прямо связано с формой их поперечного профиля и характерно для выпукло-вогнутых и вогнутых склонов (в силу затопления в первую очередь нижних пологих их участков), но практически не происходит на прямых склонах.

При частичном затоплении выпуклых склонов (за исключением случаев сохранения от него лишь пологих прибровочных участков) крутизна их несколько уменьшается за счет затопления нижних участков с обычно наибольшей крутизной.

При затоплении склонов с выпукло-вогнутой, выпуклой и вогнутой формой поперечного профиля на большую его часть, когда в надводных условиях остаются лишь пологие верхние, прибровочные участки, крутизна уменьшается, причем на выпуклых склонах – значительно, до 3–10 раз.

Изменение крутизны ступенчатых склонов (с ломаной формой поперечного профиля, а в общих чертах – выпукло-вогнутой или выпуклой) частично подчиняется вышеприведенным общим закономерностям, частично – индивидуально для каждого конкретного склона и зависит главным образом от соотношения величин ширины и крутизны пологих (ступеней) и крутых (уступов) участков до заполнения вдхр, в процессе затопления (на выбранные моменты наблюдений) и по его завершении.

Наиболее заметное уменьшение крутизны склонов, причем весьма широко распространенное при вдхр равнин и, в ряде случаев, внутригорных и межгорных впадинах, происходит при полном затоплении склонов долин. В качестве склонов вдхр на этих участках начинают развиваться пологонаклонные и субгоризонтальные террасоувалы, надпойменные террасы, вершинные поверхности. Действие склоновых процессов массовых смещений грунта, в частности – солифлюкции, отмечается при уклонах уже в доли 1^о [1]. Тем не менее оно не считается присущим террасам и вершинам, однако мы неоднократно наблюдали его проявления при полевых исследованиях [4; 5].

Особым обстоятельством, вызывающим активизацию склоновых процессов в пределах надпойменных террас и вершинных поверхностей, является потеря относительной автономности (от действия флювиальных и волновых процессов) их развития с затоплением нижележащих (по отношению к ним) склонов.

2. Изменение ширины склонов так же неоднозначно. При ее уменьшении уменьшается (при увеличении, соответственно, увеличивается) максимальная продолжительность движения обломков (от бровки склона) к БД – даже при неизменности склонового процесса. Уменьшение ширины склонов происходит при частичном затоплении уже развивающихся к его началу склонов долин. Величина его зависит от высоты подъема воды и исходной крутизны склона (не только средней, но и по отдельным участкам). Увеличение ширины склонов – редкий вариант изменения их строения при создании вдхр. Он осуществляется там, где естественные склоны долин затапливаются полностью, а в качестве склонов вдхр выступают террасоувалы, надпойменные террасы и вершинные поверхности, причем большей ширины, нежели у естественных склонов долин. Ею определяется и максимальная амплитуда увеличения ширины склона.

3. Изменения интенсивности действия склоновых и иных рельефообразующих процессов отмечаются практически всегда вследствие асингенетичности антропогенного процесса создания (заполнения) вдхр – повышения БД склонов по отношению к речным долинам [5]. Асингенетичность его подчеркивается тем, что у БД при заполнении вдхр практически никогда не формируются "мощные толщи" РО (как при естественном его повышении) [7]. Это является следствием действия волновых процессов, выносящих от БД весь (или почти весь) поступающий к нему обломочный материал, и значительной крутизны подводного склона вдхр, чаще всего большей, чем "равновесные" 10–12^о. Лишь при такой или меньшей крутизне подводного склона и при крупном грубом механическом составе РО, поступающих к БД, на подводном склоне формируются РО (волнового генезиса).

Интенсивность процессов массовых смещений грунта будет возрастать (независимо от формы поперечного профиля склона) вследствие увеличения степени водонасыщенности РО (по крайней мере, в прибазисной части) и приобретения ими вязко-текучей и жидко-текучей консистенции. Это является необходимым и достаточным условием развития наиболее динамичного процесса – солифлюкции [1].

Некоторое локальное уменьшение интенсивности склоновых процессов, возможное при крутизне прибазисных участков склона, соответствующей углу естественного откоса (32–37^о) или больше его (чаще всего – при затоплении выпуклых склонов) – в связи с повышенной степенью их дренируемости, – не изменит общей тенденции к увеличению интенсивности поступления РО к БД склонов. Работу по поставке РО к БД склонов выполнит волновой процесс (абразия), взаимодействующий со склоновыми.

4. Изменения положения БД после заполнения вдхр и прогнозирование развития склонов в связи с ними. Положение БД склонов вдхр – уровня уреза воды постоянно меняется. Амплитуды его не так значительны, как при заполнении вдхр, но все же заметно велики. Например, для Зейского вдхр за период 1976–1993 гг. - около 20 м (по нашим данным). Поэтому при исследованиях, касающихся положения БД склонов вдхр, важно учитывать их содержание, масштаб времени, к которому относятся полученные данные, их анализ и результаты. При описательных исследованиях, касающихся единовременного состояния рельефа, уместно говорить о стабильном БД. Применительно же к морфодинамическим исследованиям вдхр и их склонов справедливо учитывать и изучать неравномерно пульсирующие БД – такие, высота которых постоянно меняется – обычно вокруг значения нормального подпорного уровня (НПУ) вдхр.

Исследования развития склонов с неравномерно пульсирующими БД пока не ведутся, несмотря на их несомненное практическое значение (хотя бы только в рамках рассматриваемой темы) и на давнюю историю эксплуатации вдхр в мире и в России. Происходит это из-за бездействия и равнодушия руководителей ведомств, ответственных за эксплуатацию вдхр, в настоящее время – РАО "ЕЭС России", но не ученых. В частности, наши предложения по организации и проведению экологических исследований в бассейне р. Амур были опубликованы в 1988 г. в периодической, а в 1989 г. – в научной печати; в 1989 г. доложены на советско-китайском симпозиуме "Геология и экология бассейна р. Амур".

Ожидаемые результаты таких исследований сводятся к следующим:

– Максимальные изменения состояния склонов будут происходить в прибазисной их части – на высоту в три–пять величин амплитуды колебаний уровня БД. Здесь получат развитие не только волновые процессы и те, что связаны с периодическим затоплением–осушением поверхности. В связи с разнообразно меняющимся увлажнением (обводнением) и осушением грунтов будут активно действовать склоновые (солифлюкция, оползание, оплывание, конжелифлюкция), эрозионные (линейные и плоскостные) и криогенные процессы (в том числе на участках развития многолетнемерзлых пород – термоабразия и термоэрозия).

– На вышележащих участках склонов (на высоте от 3–5 до 10 амплитуд колебаний уровня БД) развитие их будет происходить по результирующей накапливающихся (особенно – наиболее крупных) изменений положения БД склонов вдхр.

– Наиболее высокие участки склонов (на высоте более 10 амплитуд колебаний уровня БД) будут формироваться как склоны со стабильным БД (с учетом данных С.А. Лебедева [3]).

Новые (в том числе – и совершенно своеобразные) результаты, несомненно, будут получены в ходе конкретных, предпочтительно стационарных исследований склонов с меняющими свое положение БД (не только склонов вдхр), хотя бы – по предложенной нами программе. Дело – за заказчиками работ.
Литература
1. Воскресенский С.С. Динамическая геоморфология. Формирование склонов. – М.: Изд-во МГУ, 1971 – 228 с.

2. Воскресенский С.С. Типичные профили склонов // Склоны, их развитие и методы изучения. М.: Мысль, 1971 – С. 10-24. (Вопросы географии; сб. 85.)

3. Лебедев С.А. Основные типы эволюции склонов при стабильном базисе денудации // Вестн. Моск.ун-та. Сер. 5, География. 1974. №3. С. 73-78.

4. Ликутов Е.Ю. Строение и особенности формирования приречных склонов долин рек Амур, Шилка и Аргунь с целью прогнозирования их развития в случае создания водохранилищ // Инженерная география. Инженерно-геоморфологические аспекты: тез. межгос. конф. Вологда, 1993. Ч. 1. С. 70-72.

5. Ликутов Е.Ю. Соотношение генезиса и динамики рельефа. Сингенетичные и асингенетичные рельефообразующие процессы // Генезис рельефа / Г.Ф. Уфимцев, Д.А. Тимофеев, Ю.Г. Симонов и др. Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН, 1998. С. 30-35.

6. Ликутов Е.Ю. Процессы формирования речных долин: набор, соотношение, взаимодействия. Проблемы их исследований // Рельефообразующие процессы: теория, практика, методы исследования: материалы XXVIII Пленума Геоморфол. комис. РАН. Новосибирск, 2004. С. 164-165.

7. Махинов А.Н. Формирование склонов со смещающимися базисами денудации. – Владивосток, 1985. – 124 с.


БАЛАНСОВЫЙ МЕТОД – СПОСОБ ОЦЕНКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИСКУССТВЕННОГО ВОДОЕМА С ОКРУЖАЮЩЕЙ ЕГО ПРИРОДНОЙ СРЕДОЙ

(НА ПРИМЕРЕ КАМСКОГО И ВОТКИНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩ)
А.Б. Китаев

Пермский государственный университет, Пермь
Масштабы гидротехнического строительства в России и за рубежом весьма значительны. Освоение водных ресурсов рек, их рациональное и комплексное использование – одна из основных задач технических задач государства. В перспективе темпы создания водохранилищ останутся, по-видимому, достаточно высокими. Предполагается управление стоком воды в масштабах обширных регионов.

Водохранилища отличаются друг от друга по размерам, морфологии, характеру регулирования, видам использования, а при каскадном зарегулировании – положением в каскаде. К настоящему времени составлены водные и тепловые балансы химических веществ, седиментационные балансы для большинства водохранилищ как в России, так и в странах ближнего зарубежья. Для ряда искусственных водоемов России отмеченные балансовые соотношения представлены не только в целом для всего водохранилища, но и применительно к его конкретным частям – морфометрическим районам и участкам. К таковым относятся и изученные нами водохранилища Камского каскада – Камское и Воткинское. Составление водных, гидрофизических и гидрохимических балансовых соотношений следует рассматривать как различные варианты, определяющие взаимоотношения водохранилища и территории, являющейся зоной его влияния (естественно, плюс водосборная площадь, где начинается формирование основных черт гидрологического режима водоема). Водохранилища, несомненно, являются природно-техническими водными системами и в силу этого несут отпечаток особенностей регулирования стока, а они, в свою очередь, – результат запроса различных отраслей хозяйства региона (страны) (прежде всего, энергетики, далее – водного транспорта, водоснабжения, орошения, борьбы с наводнениями, рекреационным и рыбохозяйственным использованием водоема и т.д.).

Выполненные нами исследования касаются баланса химических веществ (минерализации и главных компонентов химического состава вод) Камского и Воткинского водохранилищ и их морфометрических районов и участков. Методика исследования баланса химических веществ морфоучастков речных долинных водохранилищ разработана автором совместно с Т.П. Девятковой [2, 3]. Уравнение баланса определено нами в виде :
S_t = S_t-1 + S_н – S_к  S, (1)
где S_t-1 и S_t – содержание растворенных веществ в водной массе морфоучастка водохранилища в начале и конце расчетного периода (в качестве такового взят календарный месяц); S_н и S_к – принос растворенных веществ к начальному створу участка и вынос через его конечный створ; S – суммарная составляющая баланса, которая может быть как положительной, так и отрицательной.

Расчет баланса по уравнению (1) сводится к определению суммарной составляющей баланса (S). Положительная величина S означает поступление минеральных веществ на участках водоема, отрицательная – удаление веществ из водных масс участка водохранилища. Абсолютное значение величины S и ее знак характеризуют общую направленность процессов. Решение баланса по минерализации или основным компонентам химического состава вод предполагает прогноз содержания растворенных веществ в водной массе водоема (участка), и конечная цель этого прогноза – расчет минерализации или главных ионов. Эта цель может быть достигнута, если все остальные члены баланса либо известны, либо могут быть надежно определены. Наибольшие затруднения вызывает расчет суммарной составляющей баланса (S). Очевидно, решению баланса в практических целях должно предшествовать определение этой величины за весь период существования водоема, ее статистический анализ и выявление ее зависимости от основных факторов формирования для каждого морфометрического участка. Последнее представляет весьма сложную задачу. Поэтому на первом этапе исследование баланса химических веществ морфоучастков водохранилища имеет целью определение величины S по фактическим значениям S_t, S_t-1, S_н и S_к.

Количество минеральных веществ, поступающих к начальному створу водоема (участка) и вносимых через его конечный створ, определяется соответственно как:
S_н = Q_н М_н  (2)

S_к = Q_к М_к ,

где Q_к, Q_н – расходы воды на начальном и конечном створах участка; М_н и М_к – соответствующая им минерализация;  – период расчета.
Методика определения среднемесячных расходов воды в замыкающих створах морфометрических участков искусственного водоема Т.П. Девятковой [1] проверена автором на Камском и Воткинском водохранилищах.

Количество растворенных веществ, содержащихся в водной массе участка в начале и конце расчетного периода, определяется по следующим соотношениям:

Предлагаемая методика исследования баланса химических веществ может быть вполне применима к речным водохранилищам долинного типа. Она позволяет произвести расчет баланса минерализации и главных ионов водоема по его морфометрическим участкам за любые, в том числе и характерные (многоводные, маловодные и средние) по водности годы, а также перейти к решению такого важнейшего вопроса, как расчет баланса химических веществ водохранилищ при смене режимов их эксплуатации и территориальном перераспределении водных ресурсов.

Баланс минерализации и его главных ионов составлен по водоемам Камского каскада за длительный период (включая и характерные по водности годы): по Камскому водохранилищу с 1959 по 1987 годы, по Воткинскому – с 1964 по 1987 годы. Ограничение расчета 1987 годом произвольно (длительность может быть продлена до любого года – необходима лишь исходная информация по элементам водного баланса водоемов в целом и их уровенным режимом). Длительность выбранного периода вполне достаточна для характеристики как минерализации (или основных компонентов) исследуемых водоемов, так и основных составляющих баланса химических веществ водохранилищ по их морфоучасткам в пространственно-временном аспекте.

Суммарная составляющая баланса (S) по обоим водохранилищам характеризуется весьма большой амплитудой колебаний во временном и пространственном аспектах – как в течение года, так и по длине водоемов. Так, например, на 2-м участке Камского водохранилища (Быстрая–Пожва) величина S имеет максимум +70,9· 10³ т (июль), минимум – –39,0·103 т (апрель), на 6-м участке (Чермоз–Слудка) эти величины сооветственно равны +266·10³ т (июль) и –225· 10³ т (апрель). Однако, несмотря на различные величины S в их внутригодовом изменении можно отметить некоторые повторяющиеся для всех участков водоемов каскада явления. К концу зимы – началу весны происходит уменьшение величины S, и в апреле, то есть в начале весеннего наполнения водоемов, этот член баланса химических веществ достигает отрицательных минимальных значений почти на всех участках, после чего начинается рост до максимума в июне–августе, с последующим осенним спадом до минимума в сентябре–октябре, когда большинство участков характеризуются отрицательными значениями величин S и новым подъемом зимой.

Все морфометрические участки как Камского, так и Воткинского водохранилищ характеризуются положительными значениями суммарной составляющей баланса минеральных веществ в году, то есть дополнительный приход веществ на участки водоема превышает их изъятие из водных масс.

Определение годовых величин S для каждого участка водоемов каскада, а также наличие их внутригодовых изменений позволяет достаточно точно отразить наиболее загрязненные участки водоемов. Так, например, на 1-м участке Воткинского водохранилища (Пермь–Оханск), где расположен Пермско-Краснокамский промышленный комплекс, годовая величина S составляет +1434·10³ т, что много больше, чем на последующих участках (имеющих заметно больший собственный объем водной массы), где она равна соответственно +162·10³ т, +283·10³ т, +158·10³ т. Выявление участков исследуемых водоемов с наиболее неблагоприятными соотношениями баланса минерализации и конкретных компонентов химического состава вод позволяет перейти к разработке и проведению возможных мероприятий по ликвидации очагов нежелательного антропогенного воздействия на водные объекты. Одним из ключевых моментов осуществления комплекса этих мероприятий и их отправной точкой является разработка мониторинга качества воды исследуемых водоемов и, прежде всего, их наиболее загрязненных участков, а также организация и проведение экологического мониторинга как в самом водоеме, так и в зоне его влияния.

2. Девяткова Т.П., Китаев А.Б. К методике расчета химического баланса водохранилищ по участкам: (на примере Камского) // Вопросы гидрометеорологии Урала и сопредельных территорий. Пермь. Изд-во Перм. ун-та, 1980. С. 24–34.

3. Девяткова Т.П., Китаев А.Б. Методика исследования баланса химических веществ долинных водохранилищ: (на примере Камского) // Гидрохим. материалы. 1988. Т. 103. С. 135-152.