2.3.2. Типы береговых процессов

Склоны водохранилищ постоянно находятся под воздействием энергии и вдольбереговых течений, которые при разных положениях уровня воды перерабатывают их. Под влиянием абразионных и аккумулятивных процессов происходит трансформация элементов берегов, формируются типы берегов водохранилищ. Особенно ярко береговые процессы проявляются на водохранилищах, где процесс формирования берегов происходит в новых гидрологических и гидродинамических условиях. В связи с тем, что активные береговые процессы характерны больше для водохранилищ и имеют практическое значение, их изучению отводилось одно из первостепенных мест.

На малых водохранилищах наблюдается пять генетических групп берегов, которые объединяют 10 типов берегов волнового и неволнового происхождения (табл. 2.1.). Такое разделение вызвано наличием на малых водохранилищах значительной протяженности устойчивых к

Таблица 2.1.

Типы берегов малых водохранилищ Беларуси

Гидроди намическая группа	Генети ческий тип	Тип берега	Преобладающий Береговой процесс	Основные Берегообра зующие факторы	Литология Пород, Слагающих берегов
Волнового происхождения	Абразион ный	Обвальный	Обвальные явления	Ветровое волнение	Пески, моренные Суглинки, супеси
		Осыпной	Осыпи	То же	Эоловые пески
		Оползневой	Оползни	Подъем уровня грунтовых вод, осадки	Озерные глины (ленточные), суглинки
		Плывунно-оползневой	То же	То же, разжижение песка	Тонкозернистые пески
	Абразионно-аккумулятивный	Абразионно-аккумулятивный	Размыв берегов и отмелей, аккумуляция наносов	Ветровое волнение, вдольбереговые течения	Аллювиальные, флювиогляциальные пески
	Аккумулятивный	Аккумулятивный	Аккумуляция наносов, экзарация	То же, экзарационная деятельность	Флювиогляциальные и аллювиальные пески, пляжные намывные пески
Неволнового происхождения	Речной	Обвальный	Обвальные явления	Стоковые течения	Аллювиальные пески
		Эрозионный	Эрозия склонов	Эрозия, стоковые течения	То же, супеси, суглинки
	Нейтральный	Заболачивания	Болотный процесс	Повышение уровня грунтовых вод	Пески, моренные сугинки, супеси
		Затопления	Подтопления, оглеения, ожелезнения почв		Пески, суглинки, супеси

абразии берегов, формирующихся в условиях почти полного отсутствия волнового влияния на их деформацию. Средством для выделения генетических групп являются признаки береговых процессов, а для особых типов – преобладающий процесс развития и формирования берега, который проходит одинаково в размываемых грунтах (песках,

супесях, суглинках и глинах), или в более сложных геологических условиях.

Среди берегов антропогенного происхождения выделяются закрепленные берега (бетонированные, земляные дамбы), а также берега каналов, дорог, совпадающих с береговой линией водоемов. Для водохранилищ Полесского типа закрепленные дамбами берега могут достигать 70 – 80, а иногда и 100 % от протяженности береговой линии.

Тип берега водохранилища – это комплекс генетически взаимосвязанных элементов рельефа надводной и подводной частей берегового склона, развитие которых обусловлено характером и направлением геологической трансформации элементов рельефа и ведущего геоморфологического процесса в современных условиях. Для выделения типа берега наиболее важным является выделение ведущего берегового процесса.

Берега волнового происхождения наблюдаются как на водохранилищах, так и на озерах Беларуси. Среди абразионных типов различают обвальный, осыпной и оползневой типы.

Рис. 2.9. Стадии эволюции берегов малых водохранилищ

В целом для малых водохранилищ установлены три стадии развития берегов: становления, стабилизации, отмирания (рис. 2.9). Длительная эксплуатация малых водохранилищ показала, что практическую значимость имеют первые две стадии формирования берегов. На первой стадии абразионного берега происходит ежегодный интенсивный процесс обрушения берега, заложение и развитие прибрежных отмелей. Идет постепенное выравнивание береговой линии. Срезка мысов и заполнение наносами заливов, формирование пересыпей. Наиболее интенсивное отступание бровки берега, сложенного легкоразмываемыми породами, отмечается в первую фазу, особенно первые 3 – 5 лет, а иногда и 7 лет. Ежегодное отступание бровки берега в эту фазу достигает 1.0 – 1,2 м. Объем обрушения достигает 4 м³/м. В отличие от крупных водохранилищ формирование берегов малых происходит по несколько ускоренной схеме развития. Во вторую фазу процесс медленно затухает. К середине второго десятилетия эксплуатации малых водохранилищ становление берегов завершается, а на сформировавшихся отмелях начинают расселяться водные растения. В верхней и средней частях водохранилищ нейтральные берега стабилизируются и в прибрежной зоне формируется полоса водных растений. На участках эрозионных берегов в верховьях склоны также закрепляются растительностью.

Во вторую стадию развития берегов активные процессы наблюдаются только в приплотинной части, где происходит окончательное формирование отмелей и равновесной беренговой линии в плане и о отдельным створам. Полная стабилизация склоновых процессов происходитна третьей стадии. Берег и прибрежные отмели повсеместно полностью закреплены растителностью. При ее отмирании идет накопение органических отложений на отмелях, что приводит к их заболачивании в верхней и средней частях водохранилищ.

Абразионный обвальный тип берега (процесс) на озерах и водохранилищах развивается под воздействием ветрового волнения по схеме: подмыв бровки берега у подошвы с образованием волноприбойных ниш, их увеличение и обвал верхней части берега с почвенно-растительным слоем. Продвижение бровки берега происходит, как правило, в шторм с зарождением отмели с хорошо выраженной ее аккумулятивной частью. На берегах сложенных глинами и суглинками волноприбойные нишы могут сохранятся длительный период. Характерными признаками абразионно-обвального берега является крутой уступ, волноприбойные нишы, зоны взмучивания, узкая прибрежная отмель вдоль приглубого берега. На участках с наибольшим разгоном волн с широкой прибрежной отмелью могут формироваться низкие обвальные берега без ниш. В водохранилищах с нестабильным режимом уровня формируется ступенчатый профиль абразионного берега. Обвальные берега встречаются чаще в приплотинном районе.

При переработке крутых берегов высотой порядка 5 – 12 м (водохранилища Чижовское, Острошицкий городок, Дубровское, Волковичское и др.) в приурезовой части формируются уступы с углом наклона 20 – 30^о. Верхняя часть склона относительно устойчива благодаря наличию древесного и растительного покрова.

В условиях малых водохранилищ лесной зоны профиль равновесия вырабатывается на водохранилищах со значительной сработкой уровней через 10 – 12 лет (Лепельское), а на водохранилищах с малыми колебаниями уровня – через 8 – 10 лет. Береговой склон, подвергающийся начальной абразии, характеризуется ее выборочностью и полным отсутствием береговой отмели. Этот период продолжается 2 – 5 лет. В стадию интенсивной абразии идет не только разрушение надводной части склона, но и образование береговой отмели. В стадию затухания береговой склон приобретает равновесную форму.

Процесс переработки берегов происходит дифференцированно по длине водохранилищ. В приплотинной, наиболее широкой части водоема преобладает интенсивное ветровое волнение и процесс переработки имеет чисто волновое происхождение. В средней части процесс абразии обусловлен как действием ветрового волнения, так и течений. В верховьях гидрологический режим водохранилища в некоторые сезоны близок к речному, а размыв берегов происходит главным образом воздействием стоковых течений. Это наблюдается на большинстве малых водохранилищ (Петровичи, Чигиринское, криница и др.).

Рис. 2.10. Графики зависимости S_t = f (t) (а) и B_nt = f (t) (б) для малых водохранилищ Беларуси

Обрушение берегового склона и размыв грунта находятся в сопряженном развитии, что приводит к взаимосвязанному развитию как надводной, так и подводной частей склона. Изменение ширины прибрежной аккумулятивной отмели (Вnt) находится в зависимости от линейной перерароботки берега (St), рис. 2.10. С увеличением роста ширины отмели происходит уменьшение уклонов, а сама отмель выполаживается (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Изменение уклонов (i_nt) прибрежной отмели

от ее ширины (B_nt)

Осыпной тип берега (процесс) формируется на участках сложенных мелкозернистыми песками, часто эолового происхождения. Размыв эоловых форм в приурезовой части берега происходит с образованием осыпи при активном участии ветро- и водно-струйчатой эрозии. Отступание бровки берега происходит после размыва осыпи волнением и выносом материала вдольбереговыми течениями в места его аккумуляции. Часть материала отлагается на прибрежной отмели. Периодическое высыхание грунтов берега и значительная его крутизна (20 – 45^о) содействуют уменьшению сил сцепления между частицами грунта, которые слагают берег, ее разрушению и пополнению ранее размытой осыпи. В отличие от обвальных берегов осыпные встречаются отдельными небольшими участками в приплотинном районе водохранилищ.

Оползневые явления вызваны повышением уровня при заполнении водохранилищ и связаны с выходом на дневную поверхность глин и суглинков в обнажениях берегов. Оползень возникает при нарушении равновесия равновесия, которое происходит при поднятии уровня грунтовых вод и повышению влажности глинистых грунтов по линии смещения. В условиях Беларуси такие явления распространены на водохранилищах Поозерья. Оползни действуют длительный период и типичные для водохранилищ озерного и озерно-речного типов для тех частей берегов, где основой стали склоны озерной котловины.

Оползневые процессы на крупных водохранилищ характерны для первых лет их эксплуатации. Так, на Рижском водохранилище оползневые явления происходили в первые годы эксплуатации в период стояния высоких уровней в течение нескольких суток. В начальную фазу (5 – 7 часов после достижения НПУ) за счет взвешивания мелких частиц и образования плывуна в зоне соприкосновения воды и берега создавались условия для откалывания блоков берегового склона по длине склона 8 м и ширине 2,5 м. При сработке водохранилища в последующие оторванные блоки оседают на глинистую поверхность скольжения и поступают в прибрежную отмель и размвается уже по абразионному типу (рис.2.12).

Рис. 2.12 Схема формирования плывунно-оползневого берега Рижского водохранилища (по Пробоксу, 1984)

Абразионно-аккумулятивные берега – отрезки абразионных и аккумулятивных берегов (абразионные уступы, волноприбойные косы, валы, бары, длиной до 50 м) при относительно ровной в плане береговой линии. Показатель развития береговой линии при НПУ 1,05 – 1,25. Это берега переходного типа и характерны для первой стадии развития водохранилищ. В последующую стадию они переходят в абразионный или нейтральный типы.

По аккумулятивному типу развиваются низкие отмелые берега с уклоном надводной части до 2 – 3^о. Кроме классических аккумулятивных берегов отличают иную схему развития пологого заболоченного берега, который проходит три стадии: заложения абразионной отмели, формирования экзарационно-аккумулятивного вала и стадию закрепления берега и отмелей растительностью. Неоднократное повторение фаз стадии формирования аккумулятивного вала приводит к увеличению берега в высоту до 1 м и более. Берега такого типа можно встретить на некоторых озерах республики и Осиповичском водохранилище.

Формирование аккумулятивных берегов. Процесс аккумуляции наносов происходит в результате потерь энергии скоростного потока, что ведет к осаждению наносов на отдельных участках и образованию аккумулятивных форм рельефа. Наиболее изученными оказались аккумулятивные призмы у размываемых берегов как крупных, так и малых водохранилищ. Аккумулятивные берега водохранилищ рассматриваются в тесной связи с развитием морфодинамических систем по мере стадийного развития абразионных и отмелых берегов. Аккумулятивный тип берега рассматривался также в качестве промежуточной стадии развития абразионных и нейтральных берегов, что характерно для берегового процесса крупных водохранилищ и морей.

При картировании берегов водохранилищ ГЭС были выделены наиболее типичные формы аккумуляции наносов. По типизации аккумулятивных форм, предложенной для морей В.П. Зенковичем, в условиях малых водохранилищ аккумулятивные формы объединены в пять групп: примкнувшие, свободные, замыкающие, окаймляющие и отчлененные (рис. 2.13).

Среди примкнувших к берегу аккумулятивных форм наиболее хорошо выражены террасы, или аккумулятивные призмы, асимметричный выступ одностороннего питания, аккумулятивный мыс, заполнение входящего угла.

Рис. 2.13. Типы береговых аккумулятивных форм рельефа:

1 - терраса донного и вдольберегового питания; 2 - асимметричный выступ одностороннего питания; 3 - симметричный выступ двустороннего питания; 4 - терраса вдольберегового питания при заполнении входящего угла; 5 - коса, образующаяся при огибании потоком наносов выступа берега; б - коса у ровного берега; 7 - стрелка (аккумулятивный мыс двустороннего питания) ; 8 - пересыпь в устье залива; 9 - перейма, обусловленная блокировкой берега островом; 10 - то же при блокировке мысом; 11 - межостровная перейма; 12 - скобовидная коса (двустороннего питания); 13 - петлевидная коса (одностороннего питания); 14 - береговой бар

Аккумулятивная призма в малых водохранилищах формируется на участках абразионного берега, там, где уже появилась аккумулятивная отмель в условиях устойчивого уровневого режима. На отмелях водохранилищ ГЭС, как и у морских берегов, при вдольбереговом перемещении наносов часть их отлагается. Таким образом, аккумулятивные отмели развиваются и при отсутствии непосредственной абразии берега.

Наиболее распространенные аккумулятивные формы рельефа, наблюдаемые в приурезовой части отмели малых водохранилищ, это — асимметричный выступ одностороннего питания и заполнение входящего утла. Они возникают при одностороннем питании наносами и преобладающем направлении волнения. Аккумулятивные мысы возникают на ровных участках берега при двустороннем питании (водохранилища ГЭС в Белоруссии). Для малых водохранилищ характерно также наличие штормовых береговых валов (баров) длиной до 80 м и шириной 3 – 5 м. Остальные группы аккумулятивных форм в основном характерны для водохранилищ, отличающихся значительной амплитудой колебания уровня. Так, в некоторых водохранилищах канала им. Москвы отчленение заливов пересыпями отмечалось после 10 лет их эксплуатации. Свободные, замыкающие и окаймляющие формы рельефа возникают у расчлененных пологих песчаных или сильно изрезанных абразионных берегов.

Характерной чертой аккумулятивного рельефа является неустойчивость его элементов. Понижение уровня водохранилища при сработке способствует их подсыханию и разрушению. При постоянном уровне или небольших его колебаниях, довольно часто имеющих место в малых водохранилищах, аккумулятивные формы хорошо сохраняются, причем для малых водохранилищ типичны наибольшие их размеры и незавершенность. Формирование пересыпей происходит при ширине залива до 25 – 30 м и постоянном источнике питания наносов. Как правило, появление пересыпей наблюдается только в озерной зоне малых водохранилищ.

На характер и интенсивность аккумулятивных процессов оказывают влияние изрезанность берегов, литологический состав пород, слагающих берег, и степень подготовки ложа к затоплению. Изрезанность береговой линии способствует формированию областей питания, транзита и аккумуляции наносов. Чем выше изрезанность берега, тем интенсивнее развиваются мысы и соответственно увеличивается аккумуляция наносов в заливах. У пологих и слабоизрезанных берегов с коэффициентом развития, не превышающим 1,5, формируются в основном примкнувшие формы, а на участках с коэффициентом от 1,5 до 2,5 — замыкающие (пересыпи и др.).

Результаты исследований на малых водохранилищах ГЭС позволили установить, что вдольбереговое перемещение наносов происходит преимущественно в прибрежной полосе шириной до 10 м. Мощность "активного" подвижного слоя наносов около 4 см. Обмер аккумулятивных форм, образующихся в приурезовой зоне, и анализ гранулометрического состава обломочного материала, выполненные при нормальном подпорном уровне и сработке водохранилищ, позволили составить уравнение баланса наносов в прибрежной зоне:

Q_б + Qпл ± Qпл.в = AQ

где Q_б — объем наносов, поступивших за счет переработки абразионного берега; Qпл — объем материала, поступающего в результате вдоль-берегового перемещения наносов; Qпл.в - пляжеобразующий материал, выносимый волновыми течениями. Результаты балансовых расчетов по этой формуле апробированы на водохранилищах малых ГЭС Беларуси. Невязка баланса составила 25%.

Активные процессы аккумуляции наблюдаются у песчаных берегов, особенно у сложенных мелкозернистыми песками эолового происхождения. На участках суглинистых берегов основная форма аккумуляции — аккумулятивная призма у абразионного берега, а на участках аккумуляции — асимметричный выступ одностороннего питания, заполнения входящего угла.

Вскрытие почв и грунтов в период подготовки ложа к затоплению способствует размыву ложа, нивелировке и активному перемещению наносов к берегу и вдоль него. При небольшой амплитуде колебания уровня задернованность и засоренность берега остатками древесной растительности препятствуют формированию аккумулятивных форм.

Поэтапное (стадиальное) развитие отмелых берегов водохранилищ рассматривались Б.А. Пышкиным, В.М. Широковым, Д.П. Финаровым. Как и для морских берегов, для водохранилищ изучились две разновидности поэтапного развития профиля отмелых берегов: с надводной террасой и с береговым аккумулятивным валом. В.М. Широковым исследован также переход отмелых берегов в абразионные для крупных равнинных водохранилищ. Эти разновидности присущи как средним, так и малым водохранилищам. Их возникновение зависит от гидродинамических и морфологических условий конкретных участков берега.

Для водохранилищ с неустойчивым уровенным режимом типичны переход нейтральных берегов в абразионные и формирование берегов с аккумулятивным валом. Отмелые берега малых водохранилищ ГЭС формируются, как правило, с береговым валом, реже — с аккумулятивной надводной террасой. От размеров водохранилищ и литологии пород, слагающих берега и ложе малых водохранилищ, зависит тип берега. В малых водохранилищах доминируют нейтральные

Рис. 2.14. Схема развития пологого заболоченного отмелого берега малого водохранилища: 1 - исходный профиль берега; 11 - стадия заложения абразионной отмели; Ша, Шб - стадии формирования экзарационно-аккумулятивного вала; IV - стадия закрепления берега и отмелей растительностью

берега. Кроме того, для них же характерно развитие экзарационно-аккумулятивных (отмелых заболоченных) типов берегов (рис. 2.14).

Переход отмелого заболоченного типа берега к экзарационно-аккумулятивному имеет место на участках приплотинного района водохранилищ с уклонами надводной приурезовой части около 0°30'. Уровень грунтовых вод находится в 0,2 – 0,5 м или непосредственно у поверхности земли. Ширина прибрежной заболоченной полосы — от нескольких метров до десятков метров.

В экзарационно-аккумулятивном типе берега можно выделить три стадии развития: заложение абразионной отмели и волноприбоиного вала, формирование экзарационно-аккумулятивного вала и стадия закрепления берега и отмелей растительностью.

На первой стадии волнением вырабатывается отмель с глубинами у берега 0,3 – 0,5 м относительно НПУ. При отработке отмели часть материала, двигаясь к берегу, формирует волноприбойный вал. При высоте волн, характерных для малых водохранилищ, ее энергии недостаточно для дальнейшего накопления наносов. Поэтому нарастание аккумулятивного вала происходит с участием ледостава. На второй стадии формирования берега можно выделить две фазы, синхронные соответственно уровневому режиму и времени установления ледостава. При осенней небольшой сработке на урезе ниже ранее сформировавшегося аккумулятивного вала образуется причлененный штормовой вал. Интенсивное нарастание льда способствует надвиганию наносов на берег. Высокое стояние уровня грунтовых вод приводит к деформации аккумулятивного вала и прилегающей к нему пологой части берега. Неоднократное повторение обеих фаз приводит к росту высоты берега. В результате формируется аккумулятивный берег высотой до 1,0 м.

В общем виде развитие аккумулятивного процесса можно выразить уравнением

Qак = (Qак.бл + Qaк.л) п

где Qак — объем аккумуляции на участке формирования аккумулятивного берега; Qак.бл — объем аккумуляции материала в безледный период; Qак.л — объем аккумуляции в результате экзарационной деятельности льда в период ледостава; п — число лет эксплуатации водохранилища.

Ограниченное распространение и небольшая протяженность экзара-ционно-аккумулятивного берега обусяовнены отсутстаием низких выровненных болотистых участков в приплотинной части, а также уро-вневым режимом водохранилищ. Закрепление береговых склонов древесной и водной прибрежной растительностью происходит уже на стадии стабилизации берегов.

Предложенная схема развития нейтрального типа берега подтверждается наблюдениями на озерах Нарочанской группы, где высота берегов на отдельных участках достигала 1,5 м при небольшой длине разгона волны и низком заболоченном побережье.

Особенности процесса развития пологих заболоченных берегов на малых водохранилищах ГЭС лесной зоны могут проявиться и на стадиях развития этих берегов, предшествующих полному их отмиранию там, где болотный процесс в прибрежной зоне будет преобладающим. Аналогичные береговые процессы имеют место также и при строительстве малых ГЭС в зоне тундры и лесотундры.

Подтопленные и заболоченные берега. Наибольшее значение для берегов водохранилищ имеют нейтральные берега (заболоченные и берега затопления), которые занимают большую часть протяженности общей длины береговой линии водохранилищ. П своей сути они относятся к классу неустойчивых берегов. При подпоре уровня воды в реке при создании водохранилищ идет процесс подпора и грунтовых вод на прилегающих землях. Это приводит к активизации процесса заболачивания, оглеения почвенных горизонтов, смене растительности, и т.д.

С вопросами развития берегов водохранилищ связаны такие морфологические элементы котловин как террасы, которые хорошо выражены на водохранилищах озерного типа. В соответствии с геологическим прошлым склоны озерных котловин могут быть вогнутыми, выпуклыми и ступенчатыми. В современных условиях на большинстве склонов озерных котловин выделяется несколько древних озерных террас, как результат их развития. Во всех генетических типах озерных котловин хорошо выражена их низкая прибрежная часть, или озерная пойма, которая периодически затопляется в период половодья. Ее ширина колеблется от 2-3 до нескольких десятков метров, а в отдельных случаях – сотни метров. Широкие озерные поймы характерны для котловин озер остаточного типа.

Над озерной поймой часто возвышаются низкая аккумулятивная – первая надпойменная терраса, сложенная слоистыми озерными отложениями в виде песка, супеси и глин. Она хорошо отражена в низких относительно пологих склонах, образованная как правило, при искусственном понижении уровня озер или в результате колебания увлажнения климата. Первая надпойменная терраса широко распространена на всех типах озер. Высота ее бровки 0,5 – 2,0 м, реже 3 – 4 м. Высокие озерные цокольные террасы, обусловленные абразионной деятельностью волн древних приледниковых озер, встречаются на высоте 6 – 10, реже 10 – 15 м над современным уровнем озер.

Хорошо выражены террасы на озерах Литвы, на которых прослеживается до пяти террас. Ширина первой и второй террас колеблется от 5 до 10 м. Высота бровки первой террасы 0,5 – 3,0м, второй 2,0 – ,0 м. Подчеркнутые особенности озер отразились в морфологических показателях малых водохранилищ озерного типа (Лубана в Латвии, Дуся, Плотэлю, Падисняй в Литве, «Дружба народов», «Путь к коммунизму», Лепельской и Селявской ГЭС в Беларуси) В водохранилищах речного и озерно-речного типов, в которых затоплены поймы рек, надпойменные террасы на склонах выделяются речные террасы, как результат русловых процессов. Они вместе и определяют облик склонов водохранилищ.