Пространственно-временные особенности морфолитогенеза береговой зоны приплотинного участка Воткинского водохранилища

Пространственно-временные особенности морфолитогенеза береговой зоны припло-тинного участка Воткинского водохранилища

Н.Н. Назаров

Одним из наименее изученных вопросов формирования и дифференциации зон осадконакопления в крупных равнинных водохранилищах является вопрос о закономерностях современного развития пространственно-временных обстановок морфолитогенеза прибрежных отмелей. Особенно актуальным решение этой проблемы является для водоемов сезонного регулирования. Изменчивость активности рельефопреобразующих процессов, обусловленная сезонными изменениями метеорологических условий (главным образом ветровых) и сезонными регулировками уровней водной поверхности, стала причиной формирования крайне сложной в пространственном отношении и исключительно разнообразной во времени картины морфолитогенеза самых динамичных зон водоемов. Фактором, затрудняющим решение вопроса о закономерностях рельфопреобразования и осад-конакопления, является и сложность геолого-геоморфологического строения большинства речных долин, занятых в настоящее время водохранилищами. На некоторых из них, в зоне контакта водной поверхности с берегом, на небольшом расстоянии бывает сосредоточено несколько литолого-петрографических разностей горных пород, образующих береговые массивы самой различной высоты.

В качестве объекта нашего исследования была выбрана береговая зона приплотин-ного участка Воткинского водохранилища (третий гидрологический район по [1]). Навигационная сработка здесь достигает 2,5 м, годовая - более 4 м. Высота волн при скорости ветра 20 м/с составляет 2,0-2,2 м.

На рассматриваемой территории выделено 5 основных типов берегов, различающихся набором (совокупностью) основных процессов экзогенного переформирования, ли-толого-генетическим составом слагающих пород, морфометрическими характеристиками надводных и подводных склонов и некоторыми другими признакам:

- абразионно-обвальные берега, сложенные четвертичными аллювиальными и делювиальными суглинками в пределах первой и третьей надпойменных террас (тип 1);

- абразионно-осыпные берега, сложенные четвертичными аллювиальными песчаными и песчано-гравийно-галечниковыми породами в пределах первой и третьей надпойменных террас (тип 2);

- абразионно-обвально-осыпные берега, сложенные верхнепермскими терриген-ными породами (песчаники, алевролиты, аргиллиты и др.) в естественном залегании в пределах коренного склона, а также цоколи третьей и четвертой террасы (тип 3);

- абразионно-оползневые берега, сложенные дислоцированными верхнепермскими терригенными породами в пределах древнеоползневых склонов (тип 4);

- аккумулятивно-биогенные и «нейтральные» берега (берега затопления) - пологонаклонные участки пойм, надпойменных террас и коренных склонов долин, не образующие абразионных уступов, сложенные торфами, песками, суглинками часто с признаками подтопления и заболачивания (тип 5).

Для выявления источников, условий и путей транзита наносов в летние периоды (конец июля - начало августа) 2001-2004 гг. в условиях близких к нормальному подпорному уровню (89,0-88,5 м) было проведено изучение микроагрегатного состава материнских отложений (из береговых уступов) и вторичных осадочных грунтов прибрежных отмелей (рис. 1). Исследования проводились на участках, представленных надпойменными террасами (1-2 типы берегов), являющимися главными поставщиками наносов на Воткин-ском водохранилище. Комплекс различных наблюдений и опробываний проводился у берегов, сложенных в основном аллювиальными песками и супесями, а также делювиальными (лессовидными) суглинками.

Особенности пространственно-временной трансформации состава песчаных грунтов с редкими включениями гальки по мере их поступления в водоем из абразионных уступов и последующей прибойно-волновой сортировки в прибрежной части отмели довольно показательно могут быть представлены на примере левобережного стационара «Материк» (рис. 2 а).

Анализы проб прибрежных наносов, полученных по линии профиля, пересекающего плоскость абразионного уступа, внутренний и внешний край прибрежной отмели, показали, что в летний период 2004 г. из самой верхней части пляжа неполного профиля (подошвы берегового уступа) в период наивысших отметок уровней прибойным потоком была отмыта и изъята большая часть мелкого песка (диаметр частиц 0,25-0,1 мм), составляющего основную часть (80 %) коренных песков. В пляжевых накоплениях ее осталось не многим более 20 %. Основная же часть отложений здесь была представлена фракцией 0,5-0,25 мм. На более крупные частицы (гравий) пришлось около 16 %.

В приурезовой зоне, где глубины не превышают 0,3-0,35 м, основной фракцией отложений отмели стал гравий - 86,9 %. Его концентрация здесь связана с интенсивной работой прибоя по удалению более мелких фракций осадочного материала в более мористую часть отмели. На фракцию песка размером частиц 0,5-0,25 мм приходится немногим более 8 %.

На расстоянии 15-20 м от уреза, там, где глубины составляют около 0,8-1,0 м в полосе шириной порядка 5-10 м, какое то время сохраняются отложения по своему составу,

практически не отличающиеся от коренных отложений берега. Эта полоса может быть охарактеризована как полоса сезонного (временного) отложения наносов, поступивших в водоем в результате последнего обрушения надводной части берега. Существование этой зоны (по сути временной зоны гидродинамического равновесия) обычно ограничивается периодом 2,5-3,5 месяца. Окончание периода существования этой зоны связано со временем начала осенних штормов и /или сработкой уровней до отметок, позволяющих осуществить окончательный размыв и сортировку отложений гравитационного происхождения в месте их скопления.

Качественное изменение структуры прибрежных наносов наблюдалось на глубинах порядка 1,2—1,5 м. Здесь, на участке, характеризующемся увеличением крутизны берегового склона, основная часть наносов была представлена фациями более грубого состава, чем исходные (коренные) грунты. Около 75 % массы наносов приходилось на частицы диаметром 0,5-0,25 мм. Подобное изменение состава наносов говорит о принадлежности данного участка профиля отмели уже к зоне многолетнего (не сезонного) литоморфоге-неза абразионной части отмели. Как показали предшествующие и последующие стационарные исследования наличие временных скоплений наносов любой продолжительности формирования (обычно не более 1-3 сезонов) не меняет суть морфолитодинамических изменений, происходящих здесь в многолетнем плане - через определенное время происходит размыв и удаление не только аккумулятивного тела, но и некоторого слоя грунта коренного ложа [3]. В виде отмостки здесь остается лишь самый крупный материал - гравий размером 15-20 см в поперечнике и крупнее.

По мере продвижения по профилю в более глубокую часть отмели происходило и постепенное уменьшение медианного диаметра частиц грунтов и увеличение их сортиро-ванности. Подножье свала отмели было уже представлено в основном фракцией 0,1-0,05 мм.

По соответствию структуры состава отложений береговой отмели и берега связь между ними можно считать совершенной положительной - все фракции, представляющие его надводную часть, участвуют в строительстве подводной части, в том числе, прислоненной аккумулятивной террасы. Максимум представительности фракций приходится на самые крупные частицы.

Примером развития литогенеза прибрежных отмелей у берегов, имеющих более сложное геологическое строение, является стационар «Ножовская Лопата». Здесь 12метровый абразионный уступ третьей надпойменной террасы представлен переслаивающимися песками, алевритами и глинами. В самой верхней части разреза преобладают (более 65 %) мелкозернистые пески с размером частиц 0,25-0,1 мм. Остальная часть грунта

принадлежит в основном фракциям более мелкой размерности. В нижней трети разреза также доминируют (почти 70 %) мелкозернистые пески. 20 % приходится на фракцию 0,1-0,05 мм. В средней части берегового уступа структура фракционного состава переслаивающихся песков, алевритов и глинами наиболее разнообразна (рис. 2 б). Основная часть здесь (более 50 %) представлена фракцией 0,05-0,01 мм.

Поверхность подошвы абразионного уступа в пределах пляжа неполного профиля в момент проведения обследования на 61 % была сложена среднезернистым песком (0,50,25 мм). Остальная часть осадочного материала (почти 38 %) представлена частицами размером 0,25-0,1 мм. От уреза в низ по подводному склону берега с увеличением глубин наблюдалось последовательное уменьшение доли наиболее крупных фракций песка и соответственно увеличение доли более мелких.

Особенностью литогенеза прибрежной отмели является полное удаление за пределы ее абразионной и частично аккумулятивной части фракций алевритов и глин размерностью менее 0,05 мм. По соответствию структуры состава отложений береговой отмели и берегового уступа связь между ними можно считать весьма несовершенной положительной, поскольку в строительстве отмели, включая временные скопления наносов в пределах ее абразионной части, принимают участие не более половины основных фракций, формирующих отложения надпойменной террасы. При этом доминирующее положение в составе фракций прибрежной отмели играет фракция-аутсайдер отложений надводной части берега, представляющая наиболее крупные частицы из всего спектра первичных отложений.

Особенности литогенеза прибрежной отмели, сформировавшейся вдоль супесчаных (легкосуглинистых) берегов, наглядно демонстрируются на примере стационара «Елово».

Четырехметровый уступ третьей надпойменной террасы сложен песчано-алевритистыми отложениями, в которых по всему разрезу доминируют частицы размером от 0,25 до 0,05 мм (более 75 %). Интенсивная переработка берегового уступа (2-4 м/год) предопределила и довольно значительные сезонные накопления наносов в пределах абразионной части отмели (рис. 2 в).

Подошва абразионного уступа и узкий пляж почти полностью (97,1 %) сложена песками одной фракции - 0,5-0,25 мм (рис. Гистограмма). В период сравнительно короткого по продолжительности стояния максимальных уровней водоема (1-3 недели) отсюда были удалены практически все другие фракции песка и алеврита.

В 7-10 м от подошвы уступа, там, где глубина достигет уже отметок 0,3-0,5 м, произошла концентрация самых мелких частиц грунта (0,05 мм и мельче). Как и в случае с песчаными берегами, здесь четко территориально обособилась полоса сезонного накопле-

ния наносов, состоящая из малоизмененных по фракционной структуре коренных отложений берега. Частицы (микроагрегаты) алевритового и более крупного размера из-за слабой волновой деятельности в летний период, временно концентрировались на глубинах, не доступных для приведения их во взвешенное состояние и последующего удаления.

В 10-15 м мористее по мере углубления отмели происходило следующее качественное изменение состава наносов. Ведущим в их структуре стал комплекс фракций, сформировавшихся на этом участке летом-осенью предыдущего года. На 40 последующих метрах отмели доля фракции с размером частиц 0,5-0,25 мм колебалась в интервале от 68 до 77 %. Характерной особенностью литогенеза центральной части отмели стало полное отсутствие здесь частиц мельче 0,05 мм. Установлено, что концентрация последних происходит исключительно в пределах аккумулятивной части отмели на глубинах 3 м и более.

По соответствию структуры состава отложений береговой отмели и берегового уступа связь между ними можно считать несовершенной положительной - в строительстве отмели, включая временные скопления наносов в пределах ее абразионной части, принимает участие лишь половина основных фракций с наиболее крупным размером частиц, формирующих первичные отложения берегового уступа.

Особый интерес в части выяснения особенностей и закономерностей формирования седиментационной обстановки у берегов, сложенных породами различного литологического и микроагрегатного состава, вызывают участки берега, представленные делювиальными суглинками. Причинами такого внимания к ним являются, во-первых, значительная протяженность берегов данного типа, во-вторых, как правило, большая высота береговых уступов (8-25 м). Оба эти обстоятельства определяют ведущую роль суглинистых берегов в нивелировке первичного рельефа, как прибрежных отмелей, так и ложа водохранилища в целом.

В качестве первого примера рассмотрим случай, когда берег, сложенный практически на всю высоту делювиальными (лессовидными) суглинками, в подножье представлен русловой фацией, состоящей из песчано-гравийных отложений. Главной особенностью такого распределения грунтов в разрезе является литолого-фациальное несоответствие между песчано-глинистым материалом (потенциал «строительства» береговой отмели), формирующим основную массу наносов, и плохо поддающимися размыву гравийными отложениями, в горизонте которых происходит моделировка («вырезание») самой верхней подводной части берегового склона.

На стационаре «Бабка» 12-метровый почти вертикальный уступ третьей надпойменной террасы полностью сложен лессовидными суглинками. В самой нижней части ус-

тупа обнажается песчано-гравийная толща мощностью 70 - 100 см, которая в зависимости от гидрологических условий года и объемов обрушения берегового уступа в большей или меньшей степени определяет морфологию пляжа и состав пляжевых накоплений.

Материал, представляющий основную часть разреза террасы, представлен фракцией алевритов (0,05-0,01 мм), занимающей немногим более 50 % объема грунтов (рис. 2 г). Около 30 % состава отложений приходится на частицы более крупной размерности и немногим более 20 % - на глинистые.

В момент проведения опробываний в верхней части пляжа доминирующими фракциями были частицы размером 0,5-0,25 мм (47,4 %) и весь гравийный ряд от 2 до 40 мм (около 40 %).

В 10 м от подошвы уступа в подводной части довольно крутого берегового склона, где глубины достигали уже значений порядка 0,9—1,0 м, структура наносов в целом соответствовала исходным параметрам первичных грунтов. При преобладании в пробе фракций песков (более 70 %) в ней также присутствовала и группа алевритов, что говорит о формировании здесь полосы (зоны) сезонного сохранения наносов, поступивших в водоем в результате обрушения берега. Довольно близкая по соотношению фракций структура этих отложений была установлена и на более глубоких отметках прибрежной отмели -1,4—1,6 м. Как показало специальное изучение вторичных отложений, аккумулирующихся в течение летнего сезона и сохраняющихся в самой верхней части отмели, их мощность на протяжении нескольких десятков метров может достигать 0,5 м. (рис. 3). Под этими наносами, часто представляющими собой неоднородную по консистенции вязкую массу, располагаются отложения гравия, маркирующие основную (в многолетнем плане) поверхность абразионной части отмели.

Удаление глинистых осадков, как правило, происходит еще до выхода данной части отмели в надводное положение при осенней посадке уровней. Первые шторма полностью очищают ее поверхность до гравийной отмостки, перенося материал в зависимости от крупности частиц или на более глубокие уровни (аккумулятивную часть отмели, ложе водоема), или, напротив, на самые верхние, формируя при этом прибойные валы в пределах пляжа.

По соответствию структуры отложений береговой отмели и надводной части берега связь между ними можно считать несовершенной контролируемой отрицательной, поскольку формирование самой верхней части отмели в безледоставный период, как правило, происходит под контролем отложений, не являющихся основным источником поступления наносов. При этом в строительстве отмели принимает участие большая часть фрак-

ций береговых отложений. Структура фракций вторичных грунтов по ширине отмели отличается значительной дифференцированностью.

В качестве второго примера формирования отмелей при суглинистых берегах выбран случай, когда литологический состав берегового уступа выдержан по всей высоте разреза. На участке стационара «Частые» делювиальные суглинки слагают не только надводный уступ, но и его подошву, полого уходящую под урез воды. Около 40 % состава суглинков приходится на фракцию алевритов размером 0,01-0,05 мм (рис. 2 д). На втором месте по содержанию в грунте стоят мелкозернистые пески (почти 27 %). Около 26 % приходится на глинистые фракции.

В момент отбора проб с прибрежной части отмели (опробывания проводились примерно в одно время с аналогичными опробываниями у берегов других типов) гидрологические условия были таковы, что уровень водоема находился в самом подножье клифа. Верхняя часть пологого подводного склона на расстоянии первых 10-12 м была представлена плотными коренными суглинками, хорошо отщлифованными прибоем и вдольбере-говыми течениями.

Все рыхлые осадки, в том числе и наиболее крупнозернистые фракции, поступившие в водоем в результате обрушения берегового уступа, оказались вынесенными за пределы приурезовой зоны. Изъятие обрушившегося материала из самой верхней части отмели происходило как в результате продольного (вдольберегового) переноса, так и поперечного. Примечательно, что присутствие песчаных частиц, составляющих около 30% от всей массы первичных отложений, не было обнаружено больше ни в одной пробе вторичных грунтов. По-видимому, причиной отсутствия в них песчаных частиц, является, во-первых, короткий по продолжительности период переотложения, ограниченный временем развития волнения достаточной силы, во-вторых, довольно высокая скорость их осаждения, составляющая для частиц размером 0,1—1,0 мм 1-10 см/с. Прибойный поток, в зависимости от угла подхода волн, проводит работу или по захоронению песка в прибрежных ловушках наносов (переуглубления дна в устьевых частях заливов) в результате продольного переноса, или, при преобладании поперечного (от берега) переноса, по его перемещению в более глубокие горизонты прибрежной отмели.

По окончании формирования сравнительно тонкого слоя наносов, состоящего преимущественно из песков, на глубинах, не доступных для воздействия невысоких «летних» волн, начинает свое развитие продолжительный по времени процесс их захоронения (перекрытия) частицами алевритов и глин. Разжижение суглинков до состояния кашеобразной (пульпообразной) вязкой массы сопровождается их послойным (порционным) пере-

мещением под действием гравитации вниз по пологому склону отмели даже при отсутствии какого-либо волнения.

В 15 м от подошвы уступа на глубине 0,6 м маломощная толща осадочных отложений была представлена в основном фракцией 0,01-0,005 мм (53,7 %). Остальные размерности частиц и микроагрегатов, начиная с фракции 0,1-0,05 мм и мельче, распределялись относительно равномерно в диапазоне значений 9-16 %.

Еще через 10 м на глубине 0,9 м произошло выравнивание содержания двух самых крупных фракций частиц до 21-23 % и снижение до 38 % фракции 0,01-0,005 мм. Содержание более мелких фракций осталось примерно в тех же границах.

Начиная с глубины 1,2 м (35 м от подошвы берегового уступа) наблюдалось уменьшение среднего размера частиц. Из состава наносов полностью выпала фракция 0,1-

0,05 мм, а фракция 0,01-0,005 становится преобладающей (64 %). На глубине 1,5 м (45 м) данный процесс приобретает еще более выразительные черты - происходит сокращение доли алевритов на 6 % и увеличение доли глин примерно на эту же величину.

В данном случае, налицо формирование прибрежной отмели с несовершенной отрицательной связью между структурой состава отложений прибрежной отмели и первичных грунтов берегового уступа. Основная часть фракционного состава временных отложений отмели представлена алевритами и глинами, а фракции более грубого состава находятся либо в состоянии захоронения, либо вообще не участвуют в формировании прибрежных осадочных толщ суглинистых берегов. Незначительная концентрация крупнодисперсных частиц происходит лишь на нижележащих элементах профиля подводного склона там, где при самых низких уровнях глубины превышают нижний порог воздействия крупнейших волн. Для данного участка прибрежной зоны такие условия характерны для крутого коренного склона русла начиная с глубин более 5-6 м.

Таким образом, исследованиями на стационарах приплотинной части Воткинского водохранилища установлен факт широкого распространения сезонных литолого-фациальных обстановок в верхних (внутренних) и средних частях береговых отмелей, формирующихся вдоль абразионных берегов. Практически стабильной по фациальной структуре наносов является нижняя наиболее крутосклонная часть подводной прислоненной террасы (аккумулятивной части отмели). Здесь происходит крайне не значительное по своим масштабам накопление (в пределах первых миллиметров) мелкого и тонкого песка и/или алевритов за счет осаждения материала, вовлекаемого в поперечный перенос в период наиболее сильных волнений. Одновременно отсюда выносятся тонкодисперсные отложения, «опылявшие» нижний участок подводного склона в течение всего не активного в волновом отношении летнего сезона.

Важным результатом, который может иметь самостоятельное практическое значение при решении вопросов по выбору мер и средств строительства сооружений активной берегозащиты, является установление типов связей между фациальной структурой вторичных отложений прибрежных отмелей и коренных грунтов береговых уступов. По принадлежности оцениваемого участка к тому или иному типу берега стало возможным установить пространственно-временные и фракционные характеристики наносов, формирующих прибрежную отмель (рис. 4).

Вдоль берегов, сложенных аллювиальными песками, наиболее характерным является формирование временных и постоянных вторичных отложений, имеющих в своем составе на доминирующих позициях те же фракции, что и у коренных грунтов. Наиболее существенным различием между ними является преобладание у вторичных самых крупных фракций по сравнению с первичными отложениями (совершенная положительная связь).

У абразионных берегов, имеющих сложное фациальное строение, с примерно равным содержанием песка, алевритов и глинистых частиц (микроагрегатов) и присутствием в небольшом количестве гравийного материала, на прибрежной отмели происходит формирование вторичных отложений повышенной крупности (весьма несовершенная положительная связь). В составе наносов отсутствует не менее половины фракций, доминирующих в коренных грунтах, при этом в структуре вторичных ведущую роль (более 50 %) начинает играть самая крупная фракция, которая в составе надпойменной террасы занимала лишь второстепенную позицию.

Особая структура наносов формируется в пределах отмелей при супесчаных берегах, подвергающихся активной переработке. Сравнительно небольшой «размах» доминантных фракций (3) в структуре коренных грунтов, ограниченный песками и алевритами (0,25-0,01 мм), у вторичных грунтов временного накопления расширяется, как за счет более крупных, так и за счет мелких фракций. Ведущей же тенденцией в изменении состава вторичных отложений на отмели в целом является укрупнение частиц (микроагрегатов) по сравнению с грунтами берегового уступа. Доминантной становится фракция самой крупной размерности, являвшаяся второстепенной в составе коренных грунтов (несовершенная положительная связь).

Отличное от берегов других типов происходит осадконакопление на прибрежной отмели при суглинистых берегах, имеющих цоколь, состоящий из русловой фации. Особый контроль со стороны цоколя к составу наносов, выражающийся в формировании профиля террасы, приближающегося по своим параметрам к берегам с песчаными отложениями, привел к формированию структуры наносов, диссонирующей с составом фрак-

ций основной части первичных грунтов. Временные накопления осадков в основном соответствуют набору фракций, представленных в суглинистой части разреза. Тем не менее, в их составе присутствует фракция самой крупной размерности, являющаяся второстепенной для коренных грунтов. В целом же для прибрежной отмели формирование вторичных наносов определяется преобладанием в их структуре самых мелких фракций из состава доминирующих для коренных суглинков в ненарушенном состоянии (несовершенная контролируемая отрицательная связь).

Для берегов, сложенных суглинками на всю высоту разреза, формирование наносов в прибрежной части отличается не просто снижением крупности микроагрегатов относительно первичных грунтов (несовершенная контролируемая отрицательная связь), но и общей тенденцией уменьшения их медианного диаметра по мере приближения к внешней наиболее глубокой части прибрежной отмели. В составе доминирующих фракций, впервые среди всех других рассмотренных выше вариантов комбинаций микроагрегатного состава берегового уступа и отмели, появляются частицы размером менее 0,001 мм.

Выявленные общие закономерности современного развития пространственновременных обстановок морфолитогенеза прибрежных отмелей Воткинского водохранилища предоставляют реальную возможность аргументировано приступить к решению других не менее важных проблем седиментогенеза акватории водоема в целом - распределения и состава вторичных осадков, седиментационного зонирования, геохимической дифференциации наносов, экологического риска и т.д.

Библиографический список

1. Матарзин Ю.М., Мацкевич И.К. Вопросы морфометрии и районирования водохранилищ // Вопросы формирования водохранилищ и их влияние на природу и хозяйство. Пермь, 1970. Вып.1. С. 27-45.

2. Назаров Н.Н. Экзогенные геологические процессы как источник формирования донных отложений Воткинского водохранилища // Гидротехническое строительство, 2002. № 10.

3. Назаров Н.Н., Анисимов В.М., Калинин В.Г., Симиренов С.А., Тюнят-кин Д. Г. Динамика наносов на прибрежных отмелях камских водохранилищ // Перенос наносов в эрозионно-русловых системах. М., 2004.