Экзогенные геодинамические процессы и ландшафтное разнообразие берегов Камского водохранилища

Актуальность темы

Водохранилища являются одним из основных элементов водохозяйственного комплекса Российской Федерации, а их берега представляют ландшафтные новообразования, определяющие условия проживания, хозяйственной деятельности и отдыха значительной части населения страны.

Изучение процессов развития и взаимодействия природных и гидротехнических систем — актуальная междисциплинарная проблема, особую роль в решении которой играет ландшафтоведение с мощным теоретическим и методологическим потенциалом. Как показало время, недоучет специфики взаимодействия своебразных (аквальных) комплексов водохранилищ с наземными (береговыми) геосистемами различного типа и ранга, в некоторых случаях явился причиной их негативного воздействия на ландшафтно-экологическую ситуацию смежных территорий. Остро обозначилась необходимость в оптимизации взаимодействий искусственных водоемов с ландшафтами, ликвидации неблагоприятных в экологическом отношении процессов в береговой зоне ряда водохранилищ. Достичь этого можно на основе учета ландшафтной специфики и динамических связей искусственных водоемов с природно-территориальными комплексами. Важным условием оптимизации может стать осуществление детального ландшафтного обоснования проектов создаваемых водохранилищ, учитывающего, в первую очередь, роль экзогенных геодинамических процессов в переформировании берегов.

В региональном плане актуальность работы определяется отсутствием современных исследований по вопросам ландшафтного устройства и экзогенной геодинамики берегов Камского водохранилища, необходимых для рационального использования природных ресурсов и предотвращения геоморфологического (геологического) и экологического рисков в прибрежных районах Пермского края.

Цель и задачи исследования

Цель данного исследования — выявить особенности и закономерности формирования и развития береговых геосистем.

Камского водохранилища в результате деятельности экзогенных геодинамических процессов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— анализ результатов предшествующих исследований по выявлению роли экзогенных геодинамических процессов (ЭГП) в ландшафтной дифференциации берегов водохранилищ;

— анализ природных условий и факторов, определяющих скорость и направленность переформирования берегов Камского водохранилища;

— дифференциация котловины водохранилища по особенностям обстано-вок экзогенного рельефопреобразования;

— картографирование и типизация берегов водохранилища;

— классификация геосистем и ландшафтное районирование береговой зоны;

— пространственно-временной анализ активности ЭГП в пределах береговых геосистем;

— выявить роль ЭГП в формировании и развитии современных береговых геосистем.

Теоретическая и методологическая база исследований. Методологической основой исследования послужил ландшафтный (системный) и морфолито-генетический подходы оценки роли ЭГП в формировании береговых геосистем крупных равнинных водохранилищ. Исследование базируется на разработках ведущих отечественных научных школ и их представителей в области ланд-шафтоведения, геоморфологии, инженерной геологии и гидрологии водохранилищ.

Результаты исследований Ю. Г. Бурцева, C.JI. Вендрова, В. Б. Выркина, С. А. Двинских, Т. П. Девятковой, Г. С. Золотарева, Ф. С. Зубенко, Л. Б. Иконникова, А. Г. Исаченко, Е. Г. Качугина, B.C. Кусковского, Ю. М. Матарзина, И. К. Мацкевича, Ф. Н. Милькова, Н. Н. Назарова, Г. И. Овчинникова, И.А. Пе-черкина, A.JI. Рогозина, Л. Б. Розовского, В. М. Савкина, Ю. Б. Тржцинского, Н. А. Флоренсова, А. Ш. Хабидова, В. М. Широкова и некоторых других ученых послужили отправной точкой при разработке подходов к решению поставленных задач.

Исходные материалы и методика исследований. Основой для написания диссертации послужили материалы полевых работ (1998;2004 гг.) по исследованию процессов ландшафтогенеза и экзогенного переформирования берегов камских водохранилищ, проведенных автором в составе комплексных экспедиционных и стационарных исследований кафедры физической географии и ландшафтной экологии Пермского государственного университета. Проанализированы и обобщены многочисленные литературные источники, опубликованные по теме исследования, различные картографические и фондовые материалы ФГУ «Пермский территориальный фонд геологической информации». Для ретроспективного анализа использовались аэрофотоснимки разных лет съемки. В ходе научного исследования использовались ландшафтные методы: ландшафтно-морфоструктурный, ландшафтно-геоморфологический, ланд-шафтно-гидрологический и ландшафтно-экологический. Применялись: метод ключевых участков, топогеодезический метод, а также картографический, аналитический, описательный и ряд других методов.

Научная новизна исследования содержится в следующих диссертационных положениях и разработках:

— проведено зонирование котловины водохранилища по особенностям об-становок экзогенного рельефопреобразования;

— предложена оригинальная классификация элементарных участков берегов;

— представлены характеристики берегов, принадлежащих к различным типам экзогенного переформирования;

— разработана классификация береговых урочищ;

— установлены скорости современного переформирования берегов;

— выявлены общие закономерности пространственного и временного развития отдельных групп урочищ.

Защищаемые положения:

1. В чаше Камского водохранилища выделяется три области морфолито-генеза. Участок от Камской ГЭС до Пронинского болота (п. Пожва) образует область преимущественно волнового морфолитогенеза, участок от Пронинского болота до г. Березники — переходную область, от г. Березники до д. Шишигина на верхней Каме и д. Березовая Старица на Вишере (46 км выше устья) — область преимущественно флювиального морфолитогенеза.

2. Основными классификационными признаками классов берегов являются геологическое строение и наличие (отсутствие) абразионного или эрозионного воздействия водоема на элементы долинного рельефа. Ответная реакция берега, выражающаяся развитием различных откликов-процессов (обвалов, осыпей, оползней, аккумуляцией и др.), выступает в качестве критерия выделения следующей более низкой таксономической ступени классификации — типа переформирования берега. Степень распространения и структура типов по периметру водоема зависит от комплекса геолого-геоморфологических и гидролого-морфометрических факторов и кардинально отличается для разных классов берегов.

3. Геолого-геоморфологическое строение и тип переформирования берега являются главными критериями выделения типов и родов урочищ. Оригинальные комбинации групп урочищ (с наличием или отсутствием доминирующих групп, с резкими различиями по протяженности и т. д.) образуют «индивидуальные» ландшафтные комплексы — ландшафтные районы.

4. Современная дифференциация берегов по активности ЭГП определяет разнообразие типов и родов береговых урочищ. Наблюдающееся в последние годы увеличение или уменьшение средних интегральных скоростей переработки отдельных классов берегов в пределах областей литоморфогенеза происходит синхронно соответственно процессам усложнения или упрощения структуры геосистем.

Практическое значение работы. Результаты исследования могут использоваться и учитываться при проведении разнообразных мониторинговых исследований, планировании изысканий под различные виды строительства, прогнозировании переработки берегов в береговых зонах камских водохранилищ, организации рекреационных и водоохранных зон. Материалы диссертации могут также быть использованы при чтении учебных курсов «Ландшафтоведе-ние», «Геоморфология», «География рекреационных ресурсов», «Физическая география Пермского края», «Экзогенное рельефоформирование» на географическом и геологическом факультетах Пермского государственного университета.

Результаты исследований по теме диссертации в виде отчетных материалов уже используются ФГУДП «Пермгеомониторинг» и Департаментом промышленности и природопользования Пермской области.

Апробация работы. Результаты исследований доложены и обсуждены на Всероссийской научной конференции «Проблемы географии на рубеже XX в.» (Томск, 2000), Всероссийской научной конференции «Современные глобальные и региональные изменения геосистем» (Казань, 2004), Всероссийской научно-практической конференции «Региональные эколого-географические исследования и инновационные процессы в образовании» (Екатеринбург, 2006), XIX Пленарном межвузовском координационном совещании по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Белгород, 2004), VIII Межвузовской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экология: проблемы и пути решения» (Пермь, 2000), региональной научно-практической конференции «Проблемы географии Урала и сопредельных территорий» (Челябинск, 2004).

По теме научных исследований опубликовано 17 работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и 5 приложений. Общий объем диссертации составляет 256 страниц машинописного текста, включая 42 рисунка и 26 таблиц.

Список литературы

содержит 13 Наименование.

Выводы.

Проведенные исследования обнаружили довольно четкую связь между активностью, интенсивностью ЭГП и ландшафтным разнообразием берегов Камского водохранилища. Под интенсивностью ЭГП нами понимается отношение протяженности переформирующейся части берега к длине оцениваемого участка берега. Активность ЭГП — скорость берегоразрушения, измеряемая шириной зоны смещения бровки берегового уступа за определенное время (м/год).

Выделяется два уровня пространственной дифференциации активности и интенсивности ЭГП — «областной» и «районный».

1. Область преимущественно флювиального морфолитогенеза. Область включает в себя участок выклинивания подпора и представляет собой русло реки с постоянно изменяющимися во времени гидрофизическими характеристиками водного потока. Расположение участка в пределах русловых бровок предопределило довольно ограниченный набор возможных контактов водоема с элементами рельефа речной долины. Основные типы переформирования берегов эрозионно-обвальный, эрозионно-осыпной, эрозионно-обвально-осыпной, эрозионно-оползневой и аккумулятивный.

Изучение динамики берегов в самой верхней части области (Вишера в нижнем течении, Кама в районе п. Тюлькино) показало, что активность русловых деформаций у вогнутых берегов пологих излучин может достигать 3−4 м/год.

В последние годы картина экзодинамических изменений водоема на нижнем участке рассматриваемой области стала менее прогнозируемой. По сравнению с 80-ми годами прошлого столетия произошло снижение скорости, а местами полное прекращение переработки высоких уступов надпойменных террас. В п. Лысьва сегодня фиксируется зарастание некогда «активного» берега. Крайне незначительна в последние годы скорость размыва берега у д. Городок (первые сантиметры в год). В тоже время, в связи с усилившейся аккумуляцией наносов в русле реки боковые деформации стали чаще происходить вдоль низких пойменных берегов.

2. Переходная область. В начальный период формирования водоема здесь по сравнению с областью преимущественно флювиального морфолитоге-неза произошло более заметное увеличение количества типов переформирования берегов и соответственно типов и родов береговых урочищ. На смену «эрозионным» геодинамическим обстановкам пришли «абразионные». В связи с затоплением поймы переработке стали подвергаться в основном коренные берега и низкие аккумулятивные террасы.

Сравнительно небольшое превышение НПУ над бытовыми уровнями реки, значительная удаленность второй и третьей надпойменных террас от старого русла Камы, а также широкое распространение первой террасы привели к развитию на левом берегу водоема специфических малоактивных процессов переформирования (гидратационного выветривания, фитогенного разрушения и (или) стабилизации, заболачивания, всплывания торфяников).

В правобережье, особенно в его нижней части, наибольшим распространением отличаются берега, переформирование которых происходит по абрази-онно-обвально-осыпному, абразионно-оползневому и абразионно-осыпному типу переформирования. Довольно значительный по протяженности участок берега (около 6 км) представлен песчаной цокольной террасой.

Среди геосистем самым большим распространением в области пользуются группы 7АБ, 5 Г и 2БВ. Последняя группа береговых урочищ представлена подтипом урочищ «берега, подверженные суффозии», который на всем Камском водохранилище выделен только в пределах Пожвинского ландшафтного района.

Средняя скорость переработки берегов в связи с формированием не самых благоприятных условий для развития абразии сравнительно невысока и по двум верхним правобережным районам не превышает 0,29 м/год.

По другому выглядит геодинамичная обстановка на берегах самого нижнего Пожвинского района, который благодаря широкому распространению здесь надпойменных террас и благоприятности природных факторов и условий для развития ЭГП, характеризуется довольно высокой активностью — средняя скорость переработки берегов 0,74 м/год. Такая «нетипичность» района в сравнении с другими ландшафтными районами переходной области подчеркивает наличие постепенно-последовательных изменений динамической обстановки рельефопреобразования в направлении от верхних участков области к нижним и выражается в усложнении структуры групп береговых урочищ, активизации и интенсификации ЭГП. Близкая ситуация по сценарию развития структурных изменений в наборе геосистем была ранее зафиксирована и в береговой зоне Боткинского водохранилища (Наговицин, 2002; Тюняткин, 2005).

3. Область преимущественно волнового морфолитогенеза характеризуется распространением всех типов переформирования берегов за исключением группы эрозионных. По сравнению с областями морфолитогенеза, расположенных в верхней части водохранилища, левобережье здесь уже не состоит практически только из низких «неактивных» берегов — примерно половина их всей его протяженности представлена абразионными берегами (абразионнообвальным, абразионно-оползневым и другими типами переформирования).

Структура групп береговых урочищ в пределах широкой озеровидной части водоема самая разнообразная. Особенно в этом отношении отличается Бор-Ленвинский ландшафтный район, в котором зафиксировано 9 групп. Снижение количества групп (до трех) характерно для районов, охватывающих берега крупных заливов, в которых благодаря особенностям геоморфологического строения долин pp. Иньвы и Обвы преобладают низкие пологие берега, а абразионные встречаются лишь в виде небольших фрагментов.

Наивысшая средняя скорость переработки берегов сегодня зафиксирована в Чермозском и Усть-Гаревском районах — соответственно 0,92 и 0,8 м/год. Столь высокая активность ЭГП объясняется полным отсутствием или лишь самым минимальным присутствием здесь низких берегов затопления (тип 7) и, напротив, преобладанием абразионных уступов надпойменных террас.

Некоторое снижение разнообразия береговых урочищ в ландшафтных районах в узкой приплотинной части водохранилища до 4−7 групп можно объяснить простотой геоморфологического строения долины Камы на этом отрезке. По протяженности здесь лидируют крутые коренные склоны, которые лишь в пределах выпуклых берегов мега-излучин представлены высокими террасами. Средняя скорость переработки берегов Хохловского ландшафтного района, характеризующегося относительно большим разнообразием групп урочищ (7) и достаточно широкой представленностью аккумулятивных элементов долинного рельефа, составляет 0,47 м/год. Для Добрянско-Полазненского района, не отличающегося большим набором береговых геосистем, скорость переформирования известняковых и гипсовых берегов составляет всего 0,18 м/год.

Примерно схожая ситуация по геологическому строению и геосистемной дифференциации наблюдается на берегах Чусовского и Сылвинского заливов. Средняя интегральная скорость переработки берегов колеблется в интервале 0,21−0,37 м/год.

Кардинальное отличие развития ЭГП в ландшафтных районах, принадлежащих разным областям, заключается в следующем. Если для верхней и частично средней морфолитогенетических областей процесс стабилизации береговых склонов (формирование 9 типа) в пределах отдельных, ранее активно переформирующихся абразией урочищ, становится практически необратимым, то для нижней это пока не характерно. Исключая отдельные береговые урочища, формирование которых происходило под знаком аккумуляции наносов в прибрежной части берега (береговые аккумулятивные террасы, косы, переймы), важным ландшафтообразующим процессом здесь остается усложнение структуры и дробности распределения групп береговых урочищ по периметру этой части чаши водоема. В результате абразионного разрушения подводных частей склонов отдельные участки низких берегов ранее относящихся к 7 и 8 типам урочищ преобразуются в 1 тип (абразионные слабодренируемые уступы поло-гонаклонных надпойменных террас высотой менее 2 м) (рис. 6.18).

Отличающимся по принципу изменения условий экзодинамической переработки берегов является случай трансформации типов внутри абразионной группы урочищ. В результате постепенного увеличения высоты берега по мере его отступления в сторону коренного склона или изменения его литологическо-го строения по мере разрушения клифа урочища 1 типа могут трансформироваться во 2 тип, 2 тип в 3 или даже 4, 5 и т. д.

Примеров подобных смен ландшафтных состояний сегодня достаточно, особенно в озеровидной части водоема. По описаниям исследователей в первые десятилетия функционирования водохранилища в районе п. Нижний Лух участок берега фигурировал как песчаный абразионный уступ высотой более 2 м (по нашей классификации — группа урочищ 2Б), в настоящее время в результате «всплывания» в подножье уступа коренного цоколя он продолжает свое развитие в составе береговых урочищ группы 2БВ. Еще более масштабные изменения структуры геосистем происходили и происходят на противоположном (правом) берегу в междуречье pp. Чермоз и Иньва. Группы урочищ, представленные делювиальными суглинками (часто подстилаемых аллювиальными песками), меняют тип переформирования с абразионно-обвального на абразионно-оползневой (смена 2 типа береговых урочищ на 3 тип). нпу, X У '/ V -.

XXI-J.

Л х.

— 2.

• Рис. 6.18. Принципиальная схема трансформации продольного профиля низких берегов затопления в абразионные: А — стадия заполнения водоема (начальная) — Б — промежуточная (60−80-е годы) — В — современная стадия развития берегов. 1 -диапазон уровней водной поверхности при которых происходит ветроволновое воздействие на береговой склон (в т.ч. прибрежную отмель) — 2 — то же с высокой энергией волнения (период весенних и осенних штормов).

Таким образом, представленные в работе результаты исследований по изучению экзодинамики берегов, ландшафтному разнообразию и формированию береговых геосистем Камского водохранилища убедительно указывают на наличие прямой связи между этими двумя процессами (рис. 6.19). Тотальное увеличение номенклатуры геосистем и степени ландшафтной дифференциации береговой линии, связанное с образованием водоема, на начальной стадии его функционирования сопровождалось активной переработкой берегов в области преимущественно волнового морфолитогенеза и переходной области. Во вторую стадиию (8−12 лет после создания водоема) произошла смена знака активности ЭГП на противоположный — скорости переработки берегов в этих областях уменьшились на половину при сохранении уже достигнутого уровня сложности ландшафтной структуры геосистем. Современная стадия развития водоема отличается от предыдущих тем, что направленность развития береговых урочищ для верхней, средней и нижней областей различна. Если у первых двух наблюдается упрощение структуры береговых урочищ и уменьшение значений средних интегральных скоростей переформирования берегов ЭГП, то у последней, напротив, — усложнение структуры геосистем и увеличение активности переформирования берегов.

•" * в.

—-? л н ма Р, а о.

U, о а, о ю я.

L> £Г.

Я Ц о н >" к.

L> a я U S.

• г/ м в.

Рис. 6.19. Принципиальная схема изменения структуры береговых урочищ (а) и изменения средней интегральной скорости переработки берегов (б) в различных частях Камского водохранилища с момента его наполнения до настоящего времени (конец XX — начало XXI вв): 1 — начальная стадия развития берегов- 2 — стадия интенсивного разрушения берегов- 3 — стадия импульсивного развития. Области морфолитогенеза чаши водоема: А — преимущественно флювиального морфолитогенезаБ — переходнаяВ — преимущественно волнового морфолитогенеза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В чаше Камского водохранилища выделяется три области морфолитогенеза: область преимущественно волнового морфолитогенеза (нижняя), переходная область (средняя) и область преимущественно флювиального морфолитогенеза (верхняя).

2. По геологическим условиям берегоразрушения и геодинамическим об-становкам выделяется шесть классов берегов и четырнадцать типов их переформирования.

3. Доминирующее положение в структуре береговых урочищ Камского водохранилища занимают девять типов, обособление которых определено мор-фографическими особенностями склонов долины, степенью их увлажненности, характером и динамикой ведущих рельефопреобразующих процессов.

4. Структура основных родов урочищ береговых геосистем, определяемая литологическими особенностями горных пород, включает в себя одиннадцать родов и в значительной степени определяет типологическое разнообразие мор-фолого-морфометрических характеристик береговых геосистем.

5. Под ландшафтным районом береговой зоны водохранилища понимается генетически однородный участок берега, представленный определенной совокупностью монодоминантных или полидоминантных комбинаций типов и родов наземных урочищ.

6. В береговой зоне Камского водохранилища выделяется 17 ландшафтных районов.

7. Современная стадия развития водоема отличается от предыдущих тем, что направленность развития береговых урочищ для верхней, средней и нижней областей различна. Если у первых двух наблюдается упрощение структуры береговых урочищ и уменьшение значений средних интегральных скоростей переформирования берегов ЭГП, то у последней, напротив, — усложнение структуры геосистем и увеличение активности переформирования берегов.