Антропогенная трансформация природной среды при строительстве водохранилищ (на примере района переменного подпора Камского водохранилища)

В статье рассматривается изменение естественного режима жидкого и твердого стока рек в результате антропогенной трансформации природной среды при строительстве водохранилищ.

Ключевые термины: вод

Водохранилище по своей сути является большим природно -техногенным комплексом, ведущую роль в развитии которого играет регулирование стока, и возникает в результате антропогенной трансформации природной среды.Под антропогенной трансформацией природной среды понимается процесс изменения природных компонентов и комплексов под воздействием производственной и любой другой деятельности людей[4].

При строительстве водохранилища гидротехническое сооружение (ГТС), т.е. плотина создает препятствие в русле, нарушая тем самым естественное течение воды в реке. Перемещение воды, ранее осуществлявшееся в основном под действием силы тяжести в направление уклона (стоковое течение), после наполнения чаши водохранилища находится под действием большого числа факторов, и теперь происходит с помощью комплексных (стоковых, ветроволновых, бароградиентных и пр.) течений.

Вследствие нарушения плотиной Камской ГЭС естественного режима водного и твердого стока происходит трансформация котловины водохранилища. Направленность её резко отличается для верхнего и нижнего бьефов плотины.

Котловина водохранилища с момента образования интенсивно переформируется и преобразуется. Ведущая роль при этом принадлежит гидрологическим и геоморфологическим процессам. По словам Ю. М. Матарзина[6] начинается коренная «перестройка»

® Шайдулина А.А., 2016

рельефа исходных речных долин, в которых образуются водохранилища. Морфология и морфометрические показатели как надводной, так и подводной частей чаши водохранилища стремятся прийти в соответствие с гидрологическим режимом. Это определяет одну из присущих только водохранилищам особенностей -формирование гидрологического режима в условиях активно формируемой чаши. Создаются очень сложные и противоречивые «взаимоотношения» особенностей проявления гидро- и геодинамических процессов, по разному протекающих в отдельных районах, участках и зонах искусственных водоемов. По прошествии десятков лет котловины водохранилищ продолжают переформировываться, хотя и не с такой интенсивностью, как в первые годы своего существования.

Так, процессы переформирования в разных частях водохранилища описаны в ряде работ как наших, так и зарубежных авторов. Работы G. Р. Williams. М. G. Wolman (1984) посвящены исследованию стока наносов на водохранилищах США. Z. Babinski (2002) дал детальный анализ формирования русла Вислы в нижнем бьефе гидроузла Воцлавек и выполнил обобщение сведений о русловых процессах ниже водохранилищ на реках разных частей света. S. Rathburn (2004), изучая ложе водохранилища Халиган, основное внимание уделял процессу осадконакопления. Этим же вопросом на водохранилище Мануа (р.Меконг) занимался К. D. Fu (2008) [2]. Исследованием трансформации речных русел ниже плотин гидроузлов в разные годы занимались Н. И. Маккавеев[5], К. М. Беркович [2, 3], Н. Б. Барышников [1], Р. С. Чалов[3] и др. Они считают, что главными антропогенными факторами трансформации речных русел в нижних бьефах являются: задержка водохранилищами всего стока руслообразующих, и большей части стока взвешенных наносов, сезонное и многолетнее регулирование стока воды и неустановившееся движение потока, обусловленное переменной нагрузкой электростанций. Наиболее известной работой, посвященной изучению формирования рельефа ложа водохранилища в районе переменного подпора, является работа Н. И. Маккавеева [5] «Русловые процессы в зонах переменного подпора», опубликованная в 1958 г., когда водохранилища еще только создавались. Более поздних, обобщающих работ по этой тематике не было. Хотя исследования изменений руслоформирующих факторов и преобразований русел в верхних бьефах гидроузлов и, особенно, в зонах выклинивания подпора проводили В. А. Крицкий и В. И. Литвинский (1978),

В. В. Лысенко (1972, 1978, 1981), Р. Д. Фролов (1975), Н. Б. Барышников (1978), Р. Б. Уральский (1979), С. Л. Вендров (1979), В. Ф. Николаев (1987) и др [2]. Ими установлено, что основные проявления русловых процессов в зоне подпора часто затушёвываются другими геоморфологическими процессами. В зоне выклинивания подпора наблюдается переход к перегруженным типам русловых процессов - осерёдковому типу, русловой многорукавности, происходит уменьшение степени развитости излучин, появляются предпосылки для образования пойменных проток за счёт подтопления поймы и повышения уровней русло формирующих расходов воды.

Таким образом, водохранилища, созданные человеком для различных целей, относятся к сложным по совокупности процессов природно-антропогенным объектам и могут рассматриваться в качестве системы. Природно-антропогеннаясистема является разновидностьюп/>и/>одной системы, определяемойН. Ф. Реймерсомкак множество закономерно связанных друг с другом функциональных элементов, представляющих целостное образование [7].

На наш взгляд, для выделения и изучения условий трансформации котловины водохранилищав районе переменного подпора Камского водохранилища наиболее точным является понятие «природноантропогенная система района переменного подпора Камского водохранилища». Она определяется группой причин, факторов и следствий своей жизнедеятельности и развития. Причинами изменения подводного рельефа рассматриваемого участка являются внутригодовой баланс воды, наносов, и режим регулирования стока плотиной. Водный баланс - основная причина, он определяет соотношение водных масс, поступающих в водоем (конкретный участок водоема) и расходующихся из него. Соотношение приходной и расходной частей баланса обуславливают формирование определенного гидрологического режима внутри года (характер изменения уровня, скоростей течения и др). Внутригодовой баланс наносов напрямую зависит от водного баланса, так процессы осаждения и переноса твердого стока осуществляются в потоке воды. Регулирования стока плотиной привносит свои особенности в формирование котловины водохранилища в районе переменного подпора. От него зависит постоянная периодическая смена речных и водохранилищных условий в данном районе.

Процесс преобразования подводного рельефа происходит через взаимодействие факторов. Гидрологический режим определяет трансформацию котловины водохранилища посредством изменения уровенного, скоростного и ветроволнового режимов в определенных морфометрических параметрах чаши, которые сами изменяются в результате такого взаимодействия. Формирование гидрологического режима водохранилищ и их отдельных частей определяется их морфометрическими особенностями. Эти особенности имеют особо важное значение при изучении ветроволнового режима, который в свою очередь может оказывать значительное воздействие на переформирование дна и берегов.Рассмотренных компонентов гидрологического режима недостаточно для изучения процессов деформации ложа водохранилища. Деформации являются взаимообусловленным результатом влияния друг на друга потока и русла (или ложа водохранилища). Поток воды, помимо собственно жидкого стока, обладающего определенными количественными характеристиками (объем, скорость и т.п) переносит и твердый сток. В искусственных водоемах действуют одновременно два процесса -заиление и занесение, которые могут вызвать нежелательные процессы при эксплуатации водохранилищ. Таким образом, как следствие, процессы аккумуляции и миграции наносов определяют трансформацию ложа и берегов водохранилищ (как в целом, так и в районе переменного подпора), и приводят к вынужденной расчистке и корректировке судового хода, опасности для водозаборов, причалов многих промышленных предприятий, а, следовательно, к изменению условий эксплуатации искусственного водоема в целом.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ (№ 16-45590546 р_а)