6.4. Роль органической жизни в формировании грунтов в водохранилищах
Макрофитная растительность, планктон и бентальные организмы, отмирая, пополняют донные отложения водохранилищ. Массовое развитие и последующее их неполное разложение и минерализация, особенно в зоне сплошного зарастания, способствуют формированию донных отложений из макрофитов. В крупных верхневолжских водохранилищах только отложения из макрофитов по сравнению с другими типами грунтов занимают от 1 (Угличское, Рыбинское) до 4 % (Иваньковское водохранилище).
Для выяснения степени участия органической жизни в формировании и накоплении вторичных грунтов (по методике НИИ торфа АН БССР) были исследованы макроостатки разнотипных вторичных грунтов малых водохранилищ. В бентосе было обнаружено 20 видов разнообразных моллюсков, благодаря которым в грунтах отмечается повышенное содержание кальция. Наиболее многочисленными оказались остатки кладоцер, хитина, прозрачного покрытия червей, ракушек, нимфейных, тростника и мхов, широко представленных во всех без исключения водохранилищах.
По процентному соотношению макроостатков среди обследованных грунтов преобладают кладоцера-илы с содержанием остатков зоопланктона группы кладоцер (55 – 80 % по отношению к другим). Эти отложения характерны для водоемов со значительным объемом водной массы (более 15 млн м3). Для водоемов с объемом менее 15 млн м3, отличающихся интенсивным зарастанием, характерно накопление отложений со свойствами торфосапропеля и наядового сапропеля. Количество макроостатков других видов растений и организмов незначительно. Обращает внимание отсутствие остатков наиболее активно произрастающей мелкой водной растительности, которая интенсивно разлагается в послевегетационный период. Крупные остатки благодаря волнению и высокой проточности водохранилищ выносятся водными массами в нижний бьеф. О высокой степени разложения остатков органической жизни в формирующихся вторичных грунтах в послевегетационный период свидетельствует отсутствие в водных вытяжках грунтов аминокислот (табл. 6.3) и накопление аммония.
Частично или полностью разложившаяся растительность способна к образованию специфических донных отложений (водохранилища Тетеринской, Чигиринской, Осиповичской ГЭС и др.). Их формированию способствуют первичные торфяные грунты и интенсивно произрастающие на них телорез и роголистник, впоследствии образующие сплошные заросли. Активное накопление осадков макрофитной растительности происходит в заливах и мелководьях, обособленных микрорельефом ложа, при условии полного отсутствия волнения и течений в верхних районах малых мелководных водохранилищ.|
Таблица 6.3
Содержание аминакислот в грунтах разнотипных водохранилищ, мг/мл
6.5. Пространственная дифференциация отложений водохранилищ и их динамика
Грунты на стадии занесения ложа. Грунтовые съемки разнотипных водохранилищ, выполненных в 1969, 1974 – 1978 гг., позволили определить физико-химические особенности формирующихся грунтов в малых водохранилищах ГЭС. По данным картирования 1969 г. и анализа механического состава грунтов установлено, что в них преобладают фракции размером 0,5 – 0,1 мм. Пылеватые и глинистые фракции не превышают 10 %. Песчаные отложения характеризуются высоким коэффициентом сортировки (1,34 – 1,76) при среднем значении 1,53. Коэффициент сортировки переотложенных грунтов определяет также высокая степень сортировки первичных почвогрунтов, которыми выполнены долины. Медианный диаметр изменяется от 0,06 до 0,31 при среднем значении 0,17.
В молодых водохранилищах, как правило, преобладают пески. Наиболее типичное накопление мелкозернистых фракций отмечалось в водохранилищах Тетеринской и Осиповичской ГЭС, что характерно для начальной стадии развития ложа, когда идет становление новых грунтовых комплексов. Первичные почвы и грунты в пределах ложа после заполнения водохранилищ были лишены способности к возобновлению ранее произраставшей на них растительности, в водоемах стали преобладать процессы аккумуляции продуктов разрушения берегов и выполаживания ложа, представленных в основном песчаными фракциями. Сложившиеся гидродинамические условия способствовали минерализации органической части затопленных почв и растительных остатков. Молодость водохранилищ, а также преобладание процессов берегообрушения и выравнивания ложа способствовали в первые годы эксплуатации формированию преимущественно песчаных грунтовых комплексов.
При длительной эксплуатации (10 и более лет) независимо от морфо-метрических и гидродинамических различий водоемов в них, как правило, преобладают большие площади заиленных грунтов (табл. 6.4).
На начальной стадии эксплуатации водохранилищ илистые отложения формируются в первую очередь в верхней части, значительно менее интенсивно — в приплотинной. Грунтовые съемки водохранилища малой ГЭС, проведенные в разное время, свидетельствуют о постепенном увеличении площади илов и сокращении первичных грунтов, характерных для начального периода эксплуатации (рис. 6.9). Приведенная схема отражает общую картину
Таблица 6.4
Площади ложа малых водохранилищ, % общей площади, занятых первичными и вторичными грунтами (данные 1969 г.)
Водохранилище Год Пески Илы Первичные
ввода грунты
Осиповичское 1953 34,5 65,0 0,5
Тетеринское 1955 10,0 81,0 9,0
Чигиринское 1960 35,0 20,0 45,0
Заславское 1956 20,0 54,0 26,0
Рис. 6.9. Динамика грунтовых комплексов малых водохранилищ: 1 – первичные почвы, 2 – песок, 3 – песок заиленный, 4 – ил опесчаненный, 5 – ил, 6 – торф, 7 – торфянистый ил, 8 – отложения макрофитов, 9 – сплавина, 10 – острова
формирования грунтов и подтверждает предположение, высказанное в [11] о постепенной замене первичных грунтов вторичными по мере увеличения сроков эксплуатации водохранилищ. Характер рельефа ложа предопределяет мозаичность расположения грунтовых комплексов. Устойчивая структура грунтовых комплексов формируется на 15 – 18-й год эксплуатации водохранилищ. Этот срок развития грунтовых комплексов малых водохранилищ следует рассматривать как завершение первой стадии развития ложа — стадии занесения и начало стадии накопления отложений или заиления ложа.
Продолжительность стадии занесения зависит от морфолого-морфометрических показателей и гидрологического режима водохранилищ. Так, в водохранилище Тетеринской ГЭС с большим процентом мелководий, высокой зарастаемостью, слабой проточностью на 15-й год эксплуатации вторичные грунты занимали более 90 % ложа.
В связи с незначительными запасами вторичных донных отложений в водохранилищах их химический состав в отличие от состава отложений в озерах изучен недостаточно. Первые сведения о химическом составе донных отложений и взвесей в ложе водохранилища были даны в 1956 г. Л. Л. Россолимо. С этого времени различными авторами даются сведения о химическом составе грунтов по водным вытяжкам [23]. Сведения о валовом химическом составе и микроэлементам приведены в [24].
Исследован валовой химический состав почвогрунтов и вторичных отложений разнотипных водохранилищ ГЭС Беларуси. В отличие от глубоководных илистых отложений прибрежные литоральные пески формируются наиболее интенсивно в первые 5 – 7 лет эксплуатации водохранилищ. По своему химическому составу они не отличаются от хорошо сортированных литоральных отложений озер Беларуси.
В первичных песчаных почвах содержание окиси кремния доходит до 47,82 – 70,19%, а вторичных отложениях оно повышается до 79,44 –94,07 %. При сильном загрязнении вод промышленными стоками отмечается увеличение окиси кремния в грунтах в 2 раза.
В больших пределах колеблется содержание окиси кремния в торфянистых грунтах (8,10 – 8,45). При занесении торфа продуктами размыва берегов и ложа ее содержание в грунтах повышается от 13,25 до 89,71 % (водохранилище Чигиринской ГЭС).
В содержании других окислов отмечается значительная амплитуда колебания величин, определяемая типом почв и интенсивностью разрушения и синтеза органического вещества, а также физико-химическим поглощением и накоплением, выделением подвижных соединений различных элементов. В илистых отложениях в отличие от песчаных почв наблюдается увеличение органического вещества в 2—3 раза. Химический состав торфов свидетельствует о хорошей сохранности органической части, что также отмечается для водохранилищ крупных ГЭС.
Содержание щелочноземельных элементов не превышает среднего содержания для природных водоемов Белоруссии. В зольном остатке отложений отмечается заметное понижение содержания окиси кремния от верховьев к плотине водохранилищ, отличающихся слабой переработкой берегов, увеличением окиси кальция.
Преобладание в химическом составе золы отложений кремнезема и слабая дифференциация химических элементов от верховьев к плотине связаны с характером внутриводоемных процессов на стадии занесения ложа.
Донные отложения на стадии заиления ложа. На начальной фазе стадии заиления ложа водохранилищ установилось устойчивое пространственное распределение грунтов и идет постепенное увеличение их мощности. По механическому составу вторичные грунты подразделяются на пески, заиленные пески, серые песчанистые и черные илы. Основным критерием для выделения типов грунтов служит соотношение мелких (< 0,1 мм) — пылеватых и глинистых и песчаных фракций. Песчанистые илы содержат 15 – 70 фракций меньше 0,1 мм, заиленные пески 5 – 20 %, пески — < 5%. Кроме илистых фракций основным субстратом для песчанистых илов служат мелкие пески (0,25 – 0,10 мм), для заиленных песков — фракции средних (0,15 – 0,25 мм) и мелких (0,25 – 0,10 мм) песков. Доля крупных песков и гравелистых частиц незначительна. Отсутствие четкой зависимости механической дифференциации от глубины свидетельствует о преобладающей роли гидродинамической активности водохранилищ в плане [10,11].
На месте размыва первичных грунтов остаются наиболее крупные частицы. С увеличением глубины размывающая и транспортирующая способность водных масс уменьшается. Высвобождающиеся фракции пополняют серые и черные песчанистые илы.
С уменьшением водоемов (от 15 млн м3 и менее) возрастает роль органической части в грунтах. Неразложившиеся остатки растительности, планктона и бентоса дополняют илистые фракции аллахтонного происхождения. Это способствует образованию грубодетритовых отложений с оттенками от серых землистых до черных песчанистых илов с качественно новыми свойствами.
Для водохранилищ ГЭС объемом немногим более 1 млн м3 преобладающими донными отложениями являются высокоорганические илы (Войковской, Саковщинской ГЭС). Увеличение доли фракций средних песков свидетельствует о значительной транспортирующей способности динамической оси в пределах русловой ложбины, прослеживающейся по большей части ложа.
Химический состав донных отложений формируется под влиянием поступления минеральных и органических веществ с водосбора и продуктов внутренних процессов. Характер отложений служит индикатором экологического состояния водоема, он дает также возможность судить о тенденциях изменения водной массы и заилении водохранилищ.
Для малых водохранилищ характерно распространение трех типов осадков: терригенных песчано-илистых, высокозольных илов различного цвета и грубодетритовых (торфянистых) илов и грунтов (рис. 6.10), в свою очередь подразделяющихся на минеральные, органоминеральные и органические.
Рис. 6.10. Типизация грунтов и вторичных донных отложений по валовому химическому составу
Осадки терригенного типа получили распространение в прибрежной зоне и на мелководьях, вокруг островов, подверженных ветровому волнению (песок, песок заиленный, ил опесчаненный). В отдельных местах сохраняются затопленные почвы; их сохранению благоприятствуют медленная деструкция затопленной древесины и возникающая при этом ее защитная роль.
В песчаных отложениях доминирует кремнезем (80 – 90 %). Содержание окислов железа и алюминия не превышает 2 – 5 %. Еще ниже содержание кальция (2 – 3 %), магния (до 1 %), соединений серы (< 1 %). Песчаные грунты очень бедны органическим веществом. Потери при прокаливании у них составляют около 2 – 2,5 %, содержание Сорг = 1 %. Заиленные разности песков отличаются повышением органического вещества (ППП – 5 – 7 %, Сорг до 2 %).
Так, терригенные отложения водохранилища Тетеринской ГЭС имеют глинистый состав, в которых содержание Si02 снижается до 70—75 %, а количество А1203 увеличивается до 6 – 10 %, при этом высокий показатель имеет железо (Fe203 > 7 %). Эти осадки определяются как глина, глина опесчаненная и ожелезненная, а при увеличении карбонатной составляющей до 10 % отмечается глина карбонатная.
Органоминеральные тонкодисперсные отложения (опесчаненные илы и сапропели) темного и серого цветов содержат органическое вещество (ППП) в пределах 15 – 30 %, а Сорг 5 - 10 % (табл. 6.5). По данным съемок 1974 – 1979 гг. илы могут занимать до 90 % ложа (рис. 6.11).
Рис. 6.11. Распределение вторичных донных отложений по ложу разнотипных малых водохранилищ на стадии их заиления. Условные обозначения см. на рисунке 6.9; Водохранилища: а - Осиповичское, б - Тетеринское, в – Чигиринское, г.- Любанское, д – Волпянское.
Таблица 6.5.
Средний химический состав грунтов малых водохранилищ в % на абсолютно сухое вещество
Глинистые илы имеют высокое содержание кремнезема (Si02 50—60%) и повышенное количество А1203 (7 – 15 %). Содержание других окислов выше, чем у песчаных отложений. Если Fe203 более 7 %, вторичные грунты относятся к железистым илам.
Высоким содержанием органического вещества обладают сапропели (ППП < 30 %). В исследованных водохранилищах формируются сапропели кремнеземистого типа с содержанием Si02 35 – 45 %, а величина органического углерода достигает 15 – 20 %. Для малых водохранилищ, особенно полесского типа, характерно накопление грубодетритовых и торфянистых отложений, отличающихся высокой влажностью (до 90 %). Торфянистые илы, трансформированные из торфа, и отложения из макрофитов содержат более 50 % органики.
Наиболее тонкодисперсные отложения приурочены к глубоководной приплотинной части. Средние значения валового химического состава всех грунтов исследованных водохранилищ свидетельствуют о генетической близости и идентичности условий их образования. Различия в содержании окислов железа, алюминия, кальция и серы отражают индивидуальные особенности внутренних процессов, происходящих в водохранилищах и в их водосборах.
Содержание кремния в отложениях возрастает от органических (18 – 15 %) к органоминеральным (25 – 90 %) и минеральным (до 94 %). В зольном остатке на стадии заиления по сравнению со стадией занесения наблюдается некоторое увеличение разницы в содержании кремния в верховьях и приплотинной части. Эта особенность свидетельствует об усилении процесса накопления органики в водохранилищах на стадии заиления. В целом по водохранилищам ППП составляют для минеральных грунтов < 10 %, органоминеральных 10 – 50 %, органических > 50 %.
В процессе эксплуатации водохранилищ с затуханием берегообрушения, с одной стороны, и увеличением седиментации органики, с другой, изменяется и химический состав отложений (рис. 6.12). Данные съемок и осредненные анализы валового химического состава отобранных проб отложений свидетельствуют о тенденции к уменьшению зольности, содержания окиси кремния в грунтах и увеличению органического углерода. Отмеченные особенности, а также незначительные колебания содержания окислов в 1974 – 1979 гг. свидетельствуют о начале стабильного процесса седиментации, увеличении роли органической жизни в формировании отложений.
Рис. 6.12. Изменение валового химического состава донных отложений малых водохранилищ в процессе эксплуатации. а – Чигиринское, б – Осиповичское; 1 – зольность грунтов, 2 – SiO2, 3 – Cорг, 4 – Fe2O3, 5 – Al2O3, 6 – CaO, 7 – SO3, 8 – P2O5
Стабилизация процесса седиментации указывает на увеличение значения внутриводоемных процессов и их особенностей в различных морфологических частях, о завершении дифференциации грунтовых Ромштексов и нарастании мощности материала в пределах их границ. Так, повышенное содержание окиси железа в торфах и торфянистых грунтах связано с его остаточным содержанием в виде болотной руды (Любанское водохранилище и др.). Благодаря высокому содержанию органики и переходу железа в мобильное состояние происходит перераспределение его по ложу водохранилища.
Мелководость малых водоемов способствует постепенному пополнению придонных слоев кислородом и созданию окислительной обстановки, благоприятствующей выпадению железа в осадок. Отмечается также пониженное содержание СаО в грунтах водохранилищ полесского типа (Любанское водохранилище.
С увеличением глубин, особенно в озерной части, происходит дифференциация отложений по химическому составу (см. рис. 6.7). В прирусловой части на отмелях до 2 м преобладают пески с зольностью 97 — 98 % и содержанием SiО2 до 90 %. Наиболее существенные изменения в химическом составе грунтов происходят на глубине 2 – 3 м; она и служит границей между прибрежными минеральными и глубоководными органическими, органоминеральными отложениями.
Накопление органического вещества является важным моментом в формировании грунтов водохранилищ. Характер его накопления и содержание его определяют химический состав грунтов. Один из показателей содержания органического вещества — органический углерод; в отложениях водохранилищ крупных ГЭС он колеблется в небольших пределах: в Киевском 3,3 %, Кременчугском 2,9 – 5,2 %, Каховском 3,3 – 5,5 %, Дубоссарском 3,8 %, Горьковском 2 – 7 %, водохранилищах Нижнего Дона 1,5 %.
Содержание органического углерода в грунтах малых водохранилищ ГЭС в 2,5 раза выше, чем в грунтах крупных. Его среднее содержание для малых водохранилищ составило 9,9 %. Относительно низкое содержание углерода в Осиповичском и Солигорском водохранилищах (5,86 — 6,88) вызвано интенсивным их загрязнением, в Тетеринском — геологическим строением водосбора. Среднее значение соотношения содержания органического углерода к потерям при прокаливании составляет 1:2,1, к гумусу 1:1,7 Содержание органического углерода к отдельным типам грунтов изменяется в значительных пределах и повышается от верховьев к плотине, что характерно и для водохранилищ крупных ГЭС (табл. 6.5)
По результатам многолетних исследований формирования отложений в волжских водохранилищах предложена схема формирования грунтов. По В. П. Курдину к первичным грунтам относятся комплекс затопленных почв, к трансформированным грунтам – относятся забалачивающиеся, разбухшие и обнаженные почвы (рис. 6.13). Собственно вторичные грунты образую К этому типу относятся пески, илистые пески, песчанистые илы и собственно илы.тся в результате поступления в ложе грунтообразующего материала аллахтонного и автохтонного происхождения. В принципе представленная схема полностью отражает особенности формирования грунтов в малых водохранилищах.
Следует выделить такой тип грунта как торфянистый ил, который состоит из продуктов размыва торфяных залежей и сплавин. Он накапливается в местах слабой гидродинамической активности, всплывания торфа, в местах разрушения сплавин.
Рис. 6.13. Схема формирования грунтов водохранилищ
(по В. П. Курдину, 1960)
Таким образом, малые водохранилища ГЭС характеризуются четко выраженными стадиями занесения и заиления ложа. Для первой из них характерно накопление песчаных грунтов и пространственное размещение отдельных типов по ложу, для второй – накопление песчанистых илов с высоким содержанием органического углерода. Для каждой стадии имеется своя плановая структура грунтового комплекса и преобладающий тип отложений. Для классификации грунтов на стадии заиления ложа основными критериями следует считать количество фракций размером менее 0,1 мм, содержание окислов кремния, алюминия и кальцыя, потери при прокаливании и содержание органического углерода.