Сравнительный анализ донных отложений Черемшанского залива и Приплотинного плеса Куйбышевского водохранилища

Разнообразие условий формирования твердого стока с территории водосбора крупных водных объектов и разнонаправленное влияние

на отдельные части акватории гидродинамической составляющей сработки водохранилищ обуславливает неравномерные гранулометрический состав и содержание органического вещества в донных отложениях водоема. В работе [Рахуба и др., 2021] были рассмотрены основные закономерности формирования донных отложений в Приплотинном плесе Куйбышевского водохранилища, определяемые особенностями морфометрии, гидродинамики и подстилающей поверхностью частного водосбора. При-плотинный плес по активной гидродинамике, условиям формирования почвенной эрозии на частном водосборе и значительным глубинам существенно отличается от прочих частей акватории Куйбышевского водохранилища по ха- рактеру донных отложений, что подтверждается анализом процессов осадконакопления в Куйбышевском водохранилище, представленным в [Баранов, 1964; Широков, 1965; Ступишин и др., 1981; Бамбуров и др., 1991; Выхристюк, Варламова, 2003; Законнов и др., 2019]. При этом, возможности математического моделирования циркуляции водных масс в водохранилище, с учетом неоднородности морфометрии, сработки уровня воды Жигулевской ГЭС и ветрового воздействия позволяет оценить вклад гидродинамического влияния на перераспределение донных отложений в пределах исследуемого водного объекта. Рассмотрение разных типов подстилающей поверхности частного водосбора Куйбышевского водохранилища дополняет оценку пространственного распределения основных параметров гранулометрических кривых донных отложений и вклада органического вещества в общий состав донного грунта.

Целью настоящей работы является сравнительный анализ донных отложений Припло-тинного плеса Куйбышевского водохранилища – самой глубоководной части акватории, находящейся под активным гидродинамическим влиянием Жигулевского гидроузла и Черем-шанского залива – обширной мелководной акватории, находящейся под влиянием ветровых течений.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Куйбышевское водохранилище состоит из гидродинамически и морфометрически неоднородных областей акватории (рис. 1). Верхнее течение водохранилища представлено гидродинамически активными русловыми участками переменного подпора Волги и Камы. Далее, участок их слияния (Волжско-Камский плес) характеризуется обширной мелководной акваторией с резким падением русловых скоростей потока. В среднем и нижнем течении сформировалось череда озеровидных плесовых расширений (Тетюшский, Ундоровский, Ульяновский Новодевичий, Приплотинный) и небольших участков сужения акватории между ними. Плесы характеризуются как глубоководными правобережными и центральными участками, так и мелководными левобережными акваториями, находящимися в подпоре. Значительные размеры этих плесов и увеличение их объемов от верховья к плотине определяют крайне замедленный водообмен и, как следствие, аккумуляцию твердого вещества, поступившего в акваторию в результате почвенной эрозии.

В нижнем течении помимо подпора имеет место активное гидродинамическое влияние, вызванное неравномерным режимом работы Жигулевской ГЭС. Для Приплотинного плеса ха- рактерна большая глубина в центральной части и перед плотиной (до 40 м и более) и два мелководных участка на левом и правом берегу (до 15 м). В Черемшанском заливе – наиболее крупном мелководном заливе Куйбышевского водохранилища, глубина акватории не превышает 5–7 м и характеризуется преобладанием ветровых течений и течений, вызванных прямыми и обратными волнами попусков ГЭС, в результате действия которых происходит активное перераспределение донных отложений в этой части водохранилища.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Согласно представленным в [Информационная…] почвенным картам были проанализированы типы подстилающей поверхности частных водосборов Приплотинного плеса и Черемшан-ского залива Куйбышевского водохранилища. Условия формирования твердого стока с частных водосборов исследуемых территорий отличаются разнообразием почв и растительного покрова, а также сельскохозяйственной освоенностью земель.

Так, почвы левобережной и правобережной (в верхнем и среднем течении) частей частного водосбора Приплотинного плеса относятся к черноземам (около 74 %), механический состав которых представлен легкоразмываемы-ми суглинками. Правобережная часть частного водосбора в нижнем течении Приплотинного плеса, представленная в своей основной части Жигулевским заповедником, характеризуется как типичными для лесостепной зоны почвами (серые и оподзоленные черноземы), так и глинисто-аллювиальными почвами, известняками и доломитами [Поздняков и др., 2019].

При этом, водосбор Куйбышевского водохранилища – один из наиболее развитых сельскохозяйственных регионов РФ. Это определяет и повышенную эвтрофикацию мелководных областей акватории с последующим органическим осадконакоплением. Области аккумуляции илов полностью обусловлены циркуляцией водных масс и морфометрией ложа водохранилища. Согласно приведенной в [Поздняков и др.] схеме частного водосбора Куйбышевского водохранилища с обозначенными различными типами подстилающей поверхности, основная часть частного водосбора Приплотинного плеса приходится на лесохозяйственные и сельскохозяйственные угодья. Последнее, совместно с достаточно градиентной орографией и легко-размываемыми почвами, определяет и достаточную интенсивность почвенной эрозии водосборной площади.

Верхняя часть частного водосбора Черем-шанского залива в основном представлена серы-

Рис. 1. Батиметрическая схема Куйбышевского водохранилища

Fig. 1 . Bathymetric scheme of the Kuibyshev reservoir

ми лесными почвами и черноземами и характеризуется большой залесенностью, что несколько затрудняет процессы почвенной эрозии. Поэтому твердый сток формируется преимущественно на водосборной площади, непосредственно прилегающей к акватории залива и представленной средними и тяжелыми суглинками. Наиболее активное агрокультурное освоение земель имеет место на правом берегу нижнего течения Приплотинного плеса, тогда как на левом и правом берегу Черемшанского залива имеет место наибольшая плотность животноводческих ферм (разведение крупного рогатого скота).

На основании данных экспедиционных исследований ИЭВБ РАН в 2020 и 2021 гг. на акваториях Приполотинного плеса и Черемшан-ского залива были отобраны пробы донного грунта на 34 станциях в 10-сантиметровом слое. Расположение станций отбора проб учитывает морфометрическую неоднородность плеса и особенности водообмена и является репрезентативным для последующего анализа.

Отобранные пробы были обработаны комбинированным методом пипетка-фракциометр в лаборатории наносов и эрозии отдела мони- торинга и экспедиционных исследований ФГБУ ГГИ, согласно [Наставление…, 1989]. Анализ процентного содержания органического вещества в пробах проводился сжиганием части пробы и прокаливанием в муфельной печи [Наставление…, 1989]. По итогам гранулометрического анализа и оценки содержания органического вещества в пробах донных отложений построены интегральные гранулометрические кривые донных отложений Приплотинного плеса и Че-ремшанского залива (рис. 2) и составлена таблица. В таблице приведены диапазоны изменений основных параметров интегральной кривой гранулометрического состава донных отложений – медианное значение крупности донных отложений М50%, мм, квантили 75 и 25% обеспеченности М75% и М25%, мм, межквартильный размах D, доля органического вещества в пробе ОВ, %.

Для дальнейшего анализа пространственного распределения донных отложений за основу были приняты следующие карты Куйбышевского водохранилища. На рис. 3 приведен план течений акватории с выделенными зонами циркуляции водных масс. Карты получены в результате моделирования на 2D-гидродинамической

Рис. 2. Интегральные кривые гранулометрического состава проб донных отложений исследуемых станций Приплотинного плеса – а и Черемшанского залива – б

Fig. 2. Integral curves of the granulometric composition of samples of bottom sediments of the studied stations of the Dammed Ples – a and Cheremshansky Bay – б

модели «Волна» [Рахуба и др., 2021] для меженного периода среднего по водности года при ветровом воздействии на акваторию (при югозападном ветре доминирующего направления со скоростью 15 м/с) и при отсутствии ветра. На рис. 4 представлено пространственное распределение медианного значения крупности донных отложений и содержания органического вещества в акваториях Приплотинного плеса и Черемшанского залива.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Разнообразие стоковых и дрейфовых течений в различных частях Куйбышевского водохранилища приводит к неоднородности распределения в них донных отложений. Стоковые течения прослеживаются вдоль правобережной и центральной частей водохранилища. На мелководьях плесовых расширений и подтоплен- ных заливах скорости стокового течения минимальны, а при сильных ветрах здесь образуются вихри течений циклональной и антициклональной направленности. Также в результате неравномерной работы гидроузлов на акватории водохранилища могут возникать прямые и обратные волны попусков, которые приводят к размыву ложа и снижению темпов осадконакопления в плесах, приближенных к плотине [Чигиринский, 1962; Законнов, 2016; Законнов и др., 2018; Законнов и др., 2019]. Сочетание всех этих видов течений обуславливает богатое разнообразие типов донных отложений и определяет их пространственно-временное распределение в водохранилище.

В Черемшанском заливе поля ветровых течений представляют собой противоположно направленные и сильно изогнутые потоки воды. На рис. 3 показаны модельные расчеты траекторий течений в мелководном Черемшанском

Рис. 3. Динамика стоковых и дрейфовых течений при юго-западном ветре – а и в штилевых условиях – б Fig. 3. Dynamics of runoff and drift currents with a southwesterly wind – a and in calm conditions – б

Таблица . Диапазоны изменений параметров интегральных кривых гранулометрического состава донных отложений и содержания органического вещества в пробах

Table. Ranges of variation of parameters of integral curves of the particle size distribution of bottom sediments and the content of organic matter in the samples

	Акватория
	Приплотинный плес	Черемшанский залив
М 50% , ММ	0,011–0,15 илы - крупная пыль	0,07–0,47 крупная пыль -средние пески
М 25% , ММ	0,004–0,059 мелкие илы -крупные илы	0,018–0,20 крупная пыль -мелкие пески
М 75% , ММ	0,04–0,25 мелкая пыль -средние пески	0,17–0,70 мелкие пески -крупные пески
D , мм	0,034–0,24	0,15–0,50
ов , %	0,20–2,20	0,92–3,10

Рис. 4. Пространственное распределение медианного значения крупности донных отложений М_50%, мм (Приплотинный плес – а и Черемшанский залив – в)

и содержания органического вещества, % (Приплотинный плес – б и Черемшанский залив – г) Fig. 4. Spatial distribution the median value of the size of bottom sediments M50%, mm (Near–dam ples – a and Cheremshansky Bay – в)

and the content of organic matter, % (Near-dam ples – б and Cheremshansky Bay – г)

заливе и Приплотинном плесе при доминирующем юго-западном ветре и штилевых условиях. При юго-западном ветре потоки воды в Черем-шанском заливе разбиваются на два крупномасштабных вихря циклональной направленности и мелкие ветровые образования циклональной и антициклональной направленности. Наибольшие орбитальные скорости в крупномасштабных вихрях в этом районе достигают 0,07–0,12 м/с, в вихрях меньших размеров – 0,01–0,04 м/с. В случае отсутствия ветра скорость стокового течения р. Черемшан в пределах залива существенно ниже, чем в плесах водохранилища и составляет 0,001–0,003 м/с.

В Приплотинном плесе циркуляция течений возникает только при южном ветре в левобережной и правобережной мелководных зонах. Наибольшие скорости стокового течения (выше 0,2 м/с) отмечаются в сужении акватории верхней части плеса и перед плотиной вдоль правого берега. Орбитальные скорости циклональной циркуляции в Приплотинном плесе достигают 0,02–0,05 м/с.

Анализ распределения различных характеристик донных отложений Приплотинного плеса и Черемшанского залива Куйбышевского водохранилища проведенный в соответствии с картой батиметрии водоема и учетом формирования структуры полей течений показал следующее (рис. 4). Наиболее крупные фракции в составе донных отложений Приплотинного плеса находятся на северо-востоке акватории, подстилающая поверхность водосборной территории, которой представлена песками и легкими суглинками. Тонкодисперсные фракции, перенесенные стоковыми и ветровыми течениями, приходятся на наиболее глубоководную центральную часть акватории плеса. Донные отложения с наибольшей долей органических веществ в своем составе находятся в центральной, а максимальной – в южной глубоководной части акватории у правого берега.

При этом крайне показательно распределение крупности донных отложений в верхнем течении Черемшанского залива. Теряя транспортирующий потенциал и попадая в застойные воды подпора с замедленным водообменом, воды р. Черемшанки последовательно осаждают переносимые наносы вдоль по остаточному течению речного потока. Крупность донных отложений уменьшается в пределах 15 км более, чем в 10 раз. В целом по акватории залива крупность донных отложений достаточно однородна и изменяется в пределах 0,1–0,15 мм.

Распределение органического вещества в составе донных отложений также структурировано в соответствии типом подстилающей поверхности. Верхнее течение залива, куда поступают воды р. Черемшан из залесенной части водосбора, характеризуется незначительной долей органики. Тогда как правый берег залива, характеризующийся сельскохозяйственной освоенностью водосборной площади, определяет наибольшее для рассматриваемой акватории значение вклада органического вещества.

Таким образом, по всем показателям гранулометрической кривой (таблица, рис. 4) крупность донных отложений в Черемшанском заливе существенно больше, чем в Приплотинном плесе. Одна из причин этого состоит в том, что частный водосбор Приплотинного плеса характеризуется тонкозернистыми продуктами эрозии водосборной части со стороны Жигулевских гор, представленных известняками и доломитами. Тогда как верхняя часть частного водосбора Черемшанского залива значительно залесена, нижняя часть сложена тяжелыми и средними суглинками и донные отложения залива сформированы коренными породами и продуктами русловой эрозии р. Черемшанки. Другая причина – это формирование на мелководье залива вихревых течений разной направленности, которые перераспределяют донные осадки внутри залива и способствуют вымыванию части мелкодисперсной фракции в глубоководную зону водохранилища.

Также, согласно таблице, в Черемшанском заливе в несколько раз выше содержание органического вещества в пробах. Последнее обусловлено лучшим прогреванием акватории мелководного залива и замедленным водообменом. Также на частном водосборе Черемшанского залива расположены предприятия, специализирующиеся на разведении крупного рогатого скота [Поздняков и др., 2020] и, как следствие, формирующих биогенную нагрузку на акваторию залива. Все это является благоприятными условиями для активного продуцирования макрофитов и различных планктонных сообществ в отличие от глубоководного и гидродинамически активного плеса.

ВЫВОДЫ

В результате сравнительного анализа донных отложений разных по гидродинамическим и морфометрическим характеристикам частей акватории Куйбышевского водохранилища установлено, что все значения параметров интегральной кривой гранулометрического состава и содержания органического вещества в донных отложениях выше в Черемшанском заливе, чем в Приплотинном плесе. Это определяется скоростью и направленностью течений в исследуемых акваториях, типами подстилающей поверхности их частных водосборов и антропогенной деятельностью, осуществляемой в пределах водосборного бассейна. Хорошо прогреваемая обширная мелководная акватория залива создает благоприятные условия для массового развития планктонного сообщества, его отмирание и осаждение в виде детрита на дно. Тогда как большие глубины и активная гидродинамика водных масс Приплотинного плеса определяют меньшее содержание органического вещества в составе донных отложений. Наибольшее количество детрита выносится течением из мелководных зон и оседает в глубоководной центральной и правобережной части плеса.

Также особенности формирования твердого стока на частных водосборах плеса и залива определили разницу гранулометрического состава донных отложений. Залесенная верхняя часть частного водосбора Черемшанского залива и сложноразмываемые породы прибрежных территорий обусловила формирование донных отложений (в виде мелких и средних песков) коренными породами и продуктами русловой эрозии верхних и средних звеньев гидрографической сети р. Черемшанка. Тогда как тонкодисперсные продукты почвенной эрозии частного водосбора плеса сформировали донные отложения, представленные преимущественно пылевато-илистыми фракциями.