Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Процессы осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада
ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия
Автореферат диссертации по теме "Процессы осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада"
ио34Б7211
На правах рукописи
КАРНАУХОВА Галина Александровна
ПРОЦЕССЫ ОСАДКООБРАЗОВАНИЯ В ВОДОХРАНИЛИЩАХ АНГАРСКОГО КАСКАДА
Специальность 25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук
2 Ю
Иркутск - 2009
003467211
Работа выполнена в Институте земной коры Сибирского отделения Российской академии наук
Научный консультант: член-корреспондент РАН, доктор геолого-минералогических наук, профессор
Официальные оппоненты:
доктор географических наук, профессор
доктор географических наук, профессор
доктор географических наук
Скляров Евгений Викторович
Корытный Леонид Маркусович Бураков Дмитрий Анатольевич Савкии Валерий Михайлович
Ведущая организация: Пермский государственный
университет (г. Пермь) Кафедра гидрологии и охраны водных ресурсов географического факультета
Защита состоится 13 мая 2009 г. в 14 час, на заседании диссертационного совета Д 003.010.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Институте географии им. В.Б. Сочавы СО РАН по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Улан-Баторская, 1. Факс (3952) 42-27-17; e-mail: postman@irigs.irk.ru
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН
Автореферат разослан и 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного
совета, Д 003.010.01, дгн М.В. Рагулина
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Создание искусственных водохранилищ в последние десятилетия ХХ-го века явилось одним из важнейших факторов преобразования природной среды, хозяйства и условий жизни населения на планете в относительно короткий промежуток времени. В этом отношении особенно показателен пример Восточной Сибири, где создана самая крупная на Земле искусственная водная система - Байкало-Ангаро-Енисейская гидроэнергосистема, ключевую роль в ней играют водохранилища Ангарского каскада.
Водохранилища Ангарского каскада, в которых заключены огромные массы пресной воды, одного из важнейших источников жизни на Земле, включенные в сферу интенсивного хозяйственного использования, испытывают активное влияние антропогенного фактора. На водосборной площади и в прибрежной зоне водохранилищ расположены основные промышленные и сельскохозяйственные предприятия, проживает большая часть населения Иркутской области. Значительная часть продуктов антропогенеза, в том числе и опасных загрязняющих веществ (тяжелые металлы, биогенные вещества), попадает в водохранилища, где основная масса их накапливается в донных отложениях. В результате физические, химические и биологические процессы, происходящие как на водосборе, так и в самих водохранилищах, накладывают отпечаток на ход процессов осадкообразования, состав и свойства донных отложений, определяют геоэкологическое состояние водохранилищ.
Донные отложения, являясь активными накопителями загрязняющих веществ, заключают в себе полную информацию обо всех временных изменениях геоэкологического состояния водохранилищ. Необходимость оценки геоэкологического состояния и прогноза их дальнейшего функционирования в условиях антропогенного воздействия инициируют исследование процессов осадкообразования в искусственных водоемах.
Изучение вопросов миграции и седиментации загрязняющих веществ в водоемах позволяет считать, что донные отложения накапливают всю информацию об антропогенном воздействии на водоем за весь период его существования, поэтому их можно рассматривать как банк информации о состоянии окружающей среды [Накапэоп, 1984]. Данные положения дают основание считать изучение процессов осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада, одном из крупнейших в мире каскадов, исключительно актуальным как в теоретическом, так и прикладном плане.
Объектом исследований являются водохранилища Ангарского каскада.
Предметом исследований являются процессы осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада на стадии седиментогенеза
Цель исследований. Цель работы заключается в изучении закономерностей осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада, выявлении особенностей формирования донных отложений и их вещественных характеристик. В ходе исследования для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучить условия и основные факторы осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада. Установить основные источники поступления осадочного материала. Выявить черты сходства и различия в условиях подготовки осадкообразующего материала, его переноса и осаждения в водохранилищах.
2. Провести типизацию донных отложений в водохранилищах Ангарского каскада на основе результатов изучения гидродинамики, состава донных отложений и пространственной изменчивости этих показателей.
3. Исследовать особенности формирования вещественного состава донных отложений в водохранилищах Ангарского каскада.
4. Дать оценку геоэкологического состояния водохранилищ Ангарского каскада по уровню биогенной нагрузки и нагрузки тяжелыми металлами на донные отложения.
Фактический материал и методы исследований. Методологическую основу исследований особенностей процессов осадкообразования в искусственных водоемах подготовили фундаментальные работы Н.М. Страхова, С.Б. Рухина, Л.В. Пустовалова, А.П. Лисицына, Н.В. Логвиненко, С.И. Романовского, И.О. Мурдмаа, В.Н. Холодова, В.М. Широкова, включающие исследование условий седиментации, зависимостей между структурой и составом осадков. Данный подход успешно был применен и реализован автором диссертации на водохранилищах Ангарского каскада. В диссертации с единых позиций проанализирована и обобщена имеющаяся информация о донных отложениях водохранилищ Ангарского каскада.
Методы проведения исследований включали экспедиционные и лабораторно-анапитические работы. Экспедиционные исследования были комплексными и представляли ежегодный мониторинг в период открытой воды по 33 опорным поперечным профилям на р. Ангаре и Братском водохранилище, эпизодические наблюдения - по 4 профилям на Иркутском и по 6 профилям на Усть-Илимском водохранилищах. Для детализации пространственной неоднородности полей концентрации осадочного материала дополнительно к профильному отбору проводился отбор по системе компартментов. Исследования включали отбор проб воды и образцов донных отложений по опорным профилям, промерно-инструментальные наблюдения за процессами абразии в береговой зоне водохранилищ с отбором образцов пород береговых уступов, измерения скорости и направления течений, высоты и периода волн. Дополнительно летом 1991г. производился сбор проб атмосферных выпадений. Отобрано более 3000 проб воды, около 60 проб дождевых и пылевых выпадений. Опробовано более 5000 точек на дне и отобрано более 2700 образцов донных отложений, более 500 образцов с прибрежных отмелей. Взято около 600 образцов пород, слагающих береговые уступы.
Лабораторно-аналитические работы включали определение гранулометрического, минералогического и химического состава образцов донных отложений, пород береговых уступов и проб воды. Гранулометрический состав выполнялся ситовым, пипеточным, комбинированным методами и методом Сабанина. Просмотр под микроскопом
частиц алевритовой размерности давал минералогический состав. Глинистые минералы определялись количественным рентгенофазовым анализом на дифрактометре ДРОН-З.О. Определение химического состава включало методы традиционного полного химического анализа, рентгенофлуоресцентный, эмиссионный спектральный, атомно-абсорбционный методы и метод индуктивно связанной плазмы.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. На основе собственных и литературных данных определена роль особых геологических и физико-географических условий региона в формировании источников поступления осадкообразующего материала в водохранилища. Установлено, что основное поступление осадкообразующего материала происходит за счет абразии пород береговых уступов водохранилищ.
2. Исследованы особенности процессов осадкообразования и формирования типов донных отложений в водохранилищах Ангарского каскада, связанные как с физико-географическими, так и с техногенными условиями среды осадконакопления.
3. Установлена высокая пространственная неоднородность темпов осадконакопления в водохранилищах Ангарского каскада, где присутствуют участки со сверхбыстрыми скоростями осадконакопления.
4. Определен характер взаимодействия минерального и элементного составов формирующихся донных отложений со структурно-вещественным составом материала питающего источника и гидродинамикой среды осадконакопления. Установлена литолого-геохимическая дифференциации донных отложений водохранилищ Ангарского каскада.
5. Впервые дана оценка геоэкологического состояния водохранилищ Ангарского каскада и интенсивности их загрязнения на основе содержания тяжелых металлов и биогенных веществ в донных отложениях водохранилищ.
Теоретическая и практическая значимость полученных результатов.
Теоретическое значение выполненного исследования заключается в исследовании водохранилищ как современных бассейнов осадконакопления. Такие исследования включают изучение физико-географических условий формирования и структуры донных отложений водохранилищ, исследование процессов как на водосборном бассейне, питающем их осадочным материалом, так и процессов в самих котловинах водохранилищ, т. е. изучается как сам гидрологический объект, так и объекты, окружающие его. Выполненные исследования вносят вклад в понимание закономерностей осадкообразования и формирования структурно-вещественных характеристик донных отложений искусственных водоемов суши.
С практической точки зрения, проведенные исследования позволяют наиболее рационально подойти к оценке геоэкологического состояния водохранилищ Ангарского каскада для выявления масштабов загрязнения и возможных путей снижения антропогенных нагрузок. Материалы диссертанта использованы в Государственных докладах «О состоянии окружающей природной среды Иркутской области в 2000 году», «О состоянии окружающей природной среды Иркутской области в 2001 году».
Личный вклад автора. Диссертационная работа является самостоятельным научным трудом, основанным на результатах как личных полевых и лабораторных исследований, так и опубликованных данных других авторов, фондовых материалов ИЗК СО РАН и ИМТУГМС. Фактический материал собран лично автором или при его непосредственном участии во время полевых работ в составе экспедиций и отрядов Института земной коры СО РАН в 1972-2003 годах.
Данная работа выполнялась в соответствии с планами НИР Института земной коры СО РАН, по Российско-канадскому проекту «Управление водными ресурсами в бассейне реки Ангары» (1998-2000 гг.), по научному проекту «Сравнительная геохронология, магматизм и литогенез мезо-кайнозоя Внутренней и Восточной Азии» программы 26.2 СО РАН (2004-2006 гг.), по научному проекту «Эволюция седиментогенеза, биоценозов, магматизма и рудообразования в мезозое и кайнозое Внутренней и Восточной Азии». Исследования проводились также в рамках инициативных проектов, поддержанных РФФИ (гранты 98-05-64415; 01-05-64085; 01-05-97211), в которых автор являлся руководителем.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались автором на 13 региональных, 12 всесоюзных и 8 международных конференциях, совещаниях и симпозиумах. В их числе: 4-е Всесоюзное совещание по изучению берегов сибирских водохранилищ (Якутск, 1976); V совещание по изучению берегов сибирских водохранилищ (Иркутск, 1980); «Круговорот вещества и энергии в водоемах» (Иркутск, 1982); «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды» (Томск, 1995); «Закономерности эволюции земной коры» (Санкт-Петербург, 1996); «Геохимия ландшафтов, палеоэкология человека и этногенез» (Улан-Удэ, 1999); «Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетия» (Томск, 2000); «Сергеевские чтения» (Москва, 2000, 2002); Enviromis-2002: «Измерения, моделирование и информационные системы как средства снижения загрязнений на городском и региональном уровнях» (Томск, 2002); «Терригенные осадочные последовательности Урала и сопредельных территорий: седименто- и литогенез, минерагения» (Екатеринбург, 2002); «Теоретические и прикладные проблемы современной лимнологии» (Минск, 2003); «Закономерности строения и эволюции геосфер» (Хабаровск, 2003); «Фундаментальные проблемы гидрогеохимии» (Томск, 2004); «Фундаментальные проблемы изучения и использования воды и водных ресурсов» (Иркутск, 2005); «Осадочные процессы: седиментогенез, литогенез, рудогенез» (Москва, 2006); 7-е Уральское литологическое совещание (Екатеринбург, 2006); «Проблемы геохимии эндогенных процессов и окружающей среды» (Иркутск, 2007); «Типы седиментогенеза и литогенеза и их эволюция в истории Земли» (Екатеринбург, 2008); Проблемы экологической геохимии в XXI веке» (Минск, 2008).
Публикации. По теме данного исследования автором опубликовано 74 работы, в том числе 24 статьи - в журналах из списка ВАК, 2 монографии в соавторстве.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав и заключения. Общий объем 319 страниц, в состав которого входят 66 рисунков, 99 таблиц. Список литературы включает 364 наименования.
Благодарности. За творческую поддержку автор благодарен научному консультанту член-корреспонденту РАН, профессору Е.В. Склярову, академикам РАН А.П. Лисицыну, Г.Г. Матишову, Ф.А. Летникову. На разных этапах исследований автор пользовался консультациями своих коллег С.А. Кашика, Б.П. Агафонова, А.И. Мельникова, Т.М. Сковитиной, И.Г. Бараша, И.Б. Шенькман. Всем им моя искренняя благодарность и признательность.
ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:
Первое положение: Интенсивность питания водохранилищ Ангарского каскада абразионным материалом значительно превосходит питание материалом речного происхождения, что обусловлено комплексом особых физико-географических условий региона.
Формирование донных отложений водохранилищ Ангарского каскада происходит в особых физико-географических условиях и под влиянием иных факторов, чем были в естественных условиях, характерных для реки Ангары. Новые условия сочетают в себе как унаследованные от речных, так и приобретенные после создания водохранилищ. Основными факторами, определяющими процессы осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада, являются геологическое строение и литологический состав и свойства пород берегов водохранилищ, геоморфологические особенности прилегающей местности и затопленного рельефа, гидрологические факторы, включающие ветровое волнение, уровенный режим и проточность водохранилищ.
Бассейн водохранилищ расположен в южной части Средне-Сибирского плоскогорья, включает также значительную часть северных склонов Восточного Саяна Долина реки Ангары, являющаяся ложем водохранилищ, имеет трапециевидную форму с асимметричными склонами, из которых левый крутой, а правый более пологий.
По морфологическому типу рельефа прилегающей местности Иркутское водохранилище относится к горным, Братское и Усть-Илимское водохранилища - к предгорным, а по морфологическому типу затопленного рельефа Иркутское водохранилище является озерно-речным, Братское и Усть-Илимское водохранилища - долинные. Общая площадь, попавшая в зону затопления, составила 7500 км2, протяженность с юга на север - около 1,4 тыс. км, в водохранилищах заключено235 км3 воды (табл. 1). Обеспечивая регулирование водного стока путем накопления воды, созданные на реке Ангаре водохранилища задерживают одновременно и поступающий осадочный материал, основными источниками которого являются абразионные берега водохранилищ и речные наносы. Ежегодное поступление осадочного материала в водохранилища каскада составляет более 227 млн.т.
Водохранилище Наибольшая Объем,км3 Площадь, км2
2 к: при «"я при
яГ X к § шири на км глуби нам НПУ УМО Полезш объем,] НПУ УМО
Иркутское 55 3,5 35 2.1 1.53 0.45 154 127.8
Братское 570 33 155 169.4 121.0 48.4 5470 4178
Усть-Илимское 601 10 90 62.7 56.6 2.8 1873 1700
Река Ангара, вытекая из озера Байкал, определяет одну из особенностей питания осадочным материалом головного в каскаде - Иркутского водохранилища, а именно незначительное поступление взвешенных наносов из озера Байкал, которое составляет в средний по водности год примерно 70 тыс. т. Особенности геологического строения и литологического состава пород водосборного бассейна озера Байкал, рассеяние осадочного материала и его осаждение в озере обусловливают тонкозернистость взвешенного материала, поступающего из озера в водохранилище.
Резкая континентальность климата с низкими среднегодовыми температурами приводит к длительному нахождению рек подо льдом. Главным же источником питания рек бассейна Ангары являются дождевые осадки, приходящиеся на летний период, что вызывает в это время значительный водный сток. Интенсивность поступления осадочного материала в составе речного стока притоков Ангары определяется процессами эрозии и денудации в бассейне рек, те, в свою очередь, связаны с количеством дождевых осадков, уклоном поверхности, геологическим строением и литологическим составом пород бассейна, характером почвенно-растительного покрова.
В верховьях рек, большинство из которых находятся в Восточном Саяне, несмотря на повышенные уклоны склонов и русел рек, а также значительный водный сток в теплое время года, устойчивость пород и наличие многолетней мерзлоты не способствуют развитию эрозионных процессов. В среднем течении рек водная эрозия увеличивается из-за мощного слоя аллювиальных отложений в долинах рек. В северной части бассейна из-за высокой лесистости территории и устойчивости подстилающих пород проявление эрозии незначительно [Ресурсы..., 1972].
В составе речного стока осадочный материал поступает в водохранилища Ангарского каскада главным образом в форме взвесей и растворов, влекомые наносы остаются в руслах и долинах рек. Среднегодовая сумма осадочного материала, приносимого в водохранилища как с водами притоков, так и из вышерасположенного водоема, составляет лишь малую часть от суммарного поступления осадочного материала (примерно 1,5%), что немногим более 3,5 млн. т/год. Боковой приток в Иркутское водохранилище отсутствует. Все притоки поставляют материал в Братское и Усть-Илимское водохранилище.
Основным источником питания водохранилищ Ангарского каскада осадкообразующим материалом являются абразионные берега водохранилищ. На Иркутском водохранилище абразионные процессы в береговой зоне не имеют широкого развития. В Братском и Усть-Илимском водохранилищах абразионные процессы приводят к поступлению значительных объемов осадочного материала [Карнаухова, 2004]. Из общей величины поступления 98,5% представлено продуктами размыва пород береговой, части водохранилищ.
Формирование берегов водохранилищ происходит в породах докембрия, палеозоя, мезозоя и кайнозоя (рис. 1).
Условные
обозначения:
Отложения:
1 - четвертичные;
2 - палеоген-неогеновые; 3-юры;
4 - триаса;
5-перми;
6-карбона; '
7-девона;
8 - силура; '; '
9-ордовика;
10-кембрия; •
11-венда;
12-рифея. Породы:
13-нижнего протерозоя;
14 - архея. 1
Образования: 2 15
15 - мезозойские 3 16
интрузивные; 11 17
16-18- . 12 18
19
палеозойские 5 ..... ,
1 о 9П
интрузивные; 6 14 21
7 22
19- рифейские интрузивные; 8
20-21-нижне- - 9 ЗГТГГГ протерозойские 10
интрузивные;
22 - архейские рис [ Карта геологического строения юга Сибирской
интрузивные платформы [Лпиас. Иркутская.., 2004] в масштабе
1:7500 000
Интенсивность поступления осадочного материала в результате абразионных процессов находится в прямой зависимости от гидродинамических условий (волновой и уровенный режимы), геоморфологических и инженерно-геологических условий береговой зоны, состава и прочности размываемых пород.
По устойчивости к размыву эти породы делятся на 6 групп: 1) песчаные, размыв которых определяется в основном энергией волн и течений; 2) лессовые, размыв которых обусловлен потерей их прочности при размокании; 3) различные глинистые, песчаниковые, слабо карбонатные и другие, размыв которых зависит в основном от степени выветренности; 4) гипсы, соли и другие легкорастворимые породы, размыв которых зависит от интенсивности выщелачивания; 5) мерзлые песчаные и глинистые породы, интенсивность размыва которых обусловлена степенью теплового воздействия; 6) скальные породы, которые можно считать практически неразмываемыми [Золотарев, 1955].
В береговой зоне водохранилищ Ангарского каскада наиболее размываемы сильно выветрелые и слабо противостоящие морозному воздействию различные глинистые, песчаниковые, слабо карбонатные разности, либо лессовидные. Песчано-глинистые породы кембрия обладают невысокой механической прочностью даже в невыветрелом состоянии. Протяженность размываемых берегов на водохранилищах Ангарского каскада составляет более 2 тыс. км, из которых больше половины составляют абразионные берега Братского водохранилища (табл. 2).
Таблица 2. Протяженность абразионных берегов на водохранилищах Ангарского каскада
Литологический тип породы Водохранилище
Иркутское Братское Усть-Илимское
1 2 1 2 1 2
Доломиты, известняки, аргиллиты, алевролиты, песчаники кембрия 480.0 6.5 39.0 1.6
Доломиты, известняки, аргиллиты, алевролиты, песчаники ордовика 351.0 6.4 193.0 8.0
Аргиллиты, песчаники силура - - - - 264,0 10,9
Песчаники, аргиллиты, алевролиты карбона - - - - 119.0 4.9
Песчаники юры 58.0 21.0 11.0 0.2 0 0
Четвертичные пески, супеси, суглинки 92.0 33.0 453.0 8.2 171.0 7.0
Всего 150.0 54.0 1170.0 21.3 786.0 39.2
Примечание'. 1 - протяженность абразионных берегов, км; 2 - % от общей длины берегов водохранилища
Нестабильность режима эксплуатации водохранилищ не способствует затуханию абразионных процессов в береговой зоне, которая по-прежнему находится в стадии становления. Абразионные берега на Иркутском водохранилище занимают 150 км береговой линии и распространены в большей мере по основной акватории, их образование происходит в отложениях юрского и четвертичного возраста [Максимишина, 2002].
Наиболее интенсивный размыв песчаников юры наблюдается по левобережью водохранилища между Мельничной Падью и заливом Курма. Линейная величина размыва юрских отложений составляет за год 0,1-0,5 м, четвертичных - 0,4-3,5 м/год [Мирошниченко, Лещиков, 1988). Абразия сильно выветрелых и интенсивно трещиноватых песчаников юры способствует их ведущей роли в осадконакоплении в Иркутском водохранилище. На Братском водохранилище наибольший линейный размыв при НПУ отмечается на склонах, сложенных делювиальными лессовидными суглинками, составляя за год 7-10 м при объеме разрушения 80-120 м3 с 1 м береговой линии. В меньшей мере разрушаются коренные породы - песчаники, алевролиты, аргиллиты, объем размыва их составляет 12-26 м3 с 1 м береговой линии при отступании бровки берегового уступа на 2-2,5 м. [Гидрометеорологический..., 1978]. Основное поступление осадкообразующего материала в Братском водохранилище происходит при размыве четвертичных лессовидных суглинков, обладающих высокой степенью просадочности (табл. 3).
Таблица 3. Величины размыва пород береговых уступов водохранилищ Ангарского каскада, тыс. т/год
Размываемая порода Водохранилище Сумма
Иркутское Братское Усть-Илимское
Доломиты, известняки, аргиллиты, алевролиты кембрия 0 3924.7 163.5 4088.2
Доломиты, известняки, аргиллиты, алевролиты ордовика 0 11939.6 1224.5 13161.1
Песчаники, аргиллиты, алевролиты силура 0 0 916.4 916.4
Песчаники, аргиллиты, алевролиты карбона 0 0 1384.8 1384.8
Песчаники юры 227.5 0 0 227.5
Четвертичные пески, супеси, суглинки 19.0 203697.2 616.8 204333.0
В Усть-Илимском водохранилище наиболее размываемы породы ордовика и карбона, дающие более половины от суммарного поступления абразионного материла. Абразионные берега на Усть-Илимском водохранилище формируются на крутых склонах, сложенных прочными скальными и полускальными породами с маломощным чехлом четвертичных
отложений. Кроме того, режим уровней Усть-Илимского водохранилища не способствует активному проявлению абразионных процессов.
Распределение поступившего материала в каждом из водохранилищ имеет свои особенности. Чем медленнее водообмен водохранилища, тем выше его способность накапливать взвешенные вещества. Иркутское водохранилище удерживает 64% поступающего осадочного материала, Братское - 98,8%, Усть-Илимское - 97,9%, из них большая часть материала переходит в донные отложения (табл. 4).
Таблица 4. Седиментационный баланс водохранилищ Ангарского каскада
Составляющие Водохранилище Сумма,
Иркутское Братское Усть-Илимское тыс.т/год
тыс.т % тыс.т % тыс.т %
/год /год /год
Приход
Абразия пород береговых уступов 247 77.9 219.5 хЮ3 98.7 4306 87.1 224.1 хЮ3
Вышерасположенны 70 22.1 367 0.2 432 8.7 869
и водоем
Боковая приточность 0 0 2483 1.1 207 4.2 2690
Сумма прихода 317 100 222.4 хЮ3 100 4945 100 227.7x103
Расход
Сброс в нижний бьеф 114 35.9 432 0.2 108 2.2 654
Взвеси в воде 4 1.2 799 0.4 63 1.3 866
водохранилища
Донные отложения 199 62.9 221.2 хЮ3 99.4 4774 96.5 226.1 хЮ3
Сумма расхода 317 100 222.4 хЮ3 100 4945 100 227.7x103
Берега абразионного типа стали ведущим источником поступления в водохранилища химических веществ в составе осадкообразующего материала. Сочетание неравнозначности протекания абразионных процессов в береговой зоне и различие в составе размываемых пород приводят к разнообразию поступления химических элементов в водохранилища Ангарского каскада. Суммарное поступление элементов основного состава составляет около 160000 тыс.т/год, из которых 97,7% принимает Братское водохранилище. Основным осадкообразующим соединением является 8Ю2, на его долю приходится 83,5% в Иркутском водохранилище, 98,1% - в Братском и 78,4% - в Усть-Илимском. Такое соотношение распределения 8Ю2 в поступающем материале сказывается на долевом участии прочих соединений (табл. 5). С исходным составом абрадируемых пород в Иркутском водохранилище связано 10,1% поступления А1203 и 1,96% - Ре2Оэ от суммы прихода всех элементов из этого источника.
Таблица 5. Поступление элементов основного состава в водохранилища Ангарского каскада при размыве пород береговых уступов, тыс. т/год__________
Породы берегового уступа $\о2 А1203 Ре203 СаО МиО к2о+ N3,0 МпО Р2О5 ТЮ2
Иркутское водохранилище
Песчаники юры 166.5 15.2 1.9 0.8 1.3 1.1 1.5 0.1 0.4
Четвертичные суглинки 33.5 9.1 2.8 1.0 1.3 2.5 0 0 0.5
Всего по водохранилищу 200.0 24.3 4.7 1.8 2.6 3.6 1.5 0.1 0.9
Братское водохранилище
Известняки, доломиты, аргиллиты, алевролиты, песчаники кембрия 15673.9 18.7 9.0 475.2 299.5 8.2 1.9 0.3 0.5
Аргиллиты, алевролиты, песчаники ордовика 11109.4 277.2 50.2 268.3 136.3 4.7 76.5 0.3 1.6
Четвертичные пески, супеси, суглинки 126461.4 574.3 344.3 272.4 53.5 101.3 6.7 15.9 16.8
Всего по водохранилищу 153244.7 870.2 406.6 1015.9 489.3 114.2 87.2 16.5 18.9
Усть-Илимское водохранилище
Аргиллиты, алевролиты кембрия 62.3 8.3 2.3 0.1 0.1 3.0 0 0 0
Доломиты, известняки, аргиллиты, алевролиты, песчаники ордовика 1077.2 177.4 16.6 71.4 66.6 20.1 0.2 0.8 0.7
Песчаники, алевролиты, аргиллиты силура 301.3 8.8 7.8 27.7 0 0 0 0 0.1
Песчаники, алевролиты, аргиллиты карбона 286.2 66.4 17.9 5.5 21.8 6.5 0 0 0
Четвертичные пески, суглинки 933.7 91.3 57.6 22.2 14.6 12.4 1.5 0.3 2.0
Всего по водохранилищу 2660.7 352.2 102.5 126.9 103.1 42.1 1.7 1.0 2.8
Сумма по водохранилищам 156105.4 1246.7 513.8 1144.6 595.0 159.9 90.4 17.6 22.6
В Братское водохранилище береговая зона поставляет 0,56% А1203 и 0,26% Ре203, в Усть-Илимское водохранилище 10,38% и 3,74% соответственно. В результате абразионных процессов водохранилища принимают ежегодно более 18000 тыс. т органических веществ, более 100 тыс. т микроэлементов, входящих в состав размываемых пород.
Второе положение: Незавершенность процесса становления береговой зоны и подводного рельефа водохранилищ Ангарского каскада проявляется в пространственной неоднородности темпов осадконакопления и типах донных отложений.
Интенсивное протекание процессов абразии с выработкой абразионных уступов и поступление значительных объемов размытого материала на дно водохранилищ свидетельствуют о том, что водохранилища Ангарского каскада находятся в стадии становления их береговой зоны и подводного рельефа. Состав размываемых пород берегового склона и гидродинамические параметры водохранилищ контролируют состав наносов отмели, ее ширину, а также состав и мощность осадков глубоководной части водохранилищ.
Характерной для водохранилищ Ангарского каскада является пространственная неоднородность темпов осадконакопления (табл. 6).
Таблица б. Некоторые показатели осадконакопления в водохранилищах Ангарского каскада
Показатель Часть водохранилища
Прибрежная Глубоководная
Иркутское водохранилище
Скорость осадконакопления, мм/год 28-80 0.1
Абсолютная масса терригенного материала, мг/см2/год 20 0.94
Братское водохранилище
Скорость осадконакопления, мм/год 244-500 3.2
Абсолютная масса терригенного материала, мг/см2/год 123 78.8
Усть-Илимское водохранилище
Скорость осадконакопления, мм/год 125-129 1.2
Абсолютная масса терригенного материала, мг/см2/год 75 24.0
На основе ежегодных прямых наблюдений и зондирования толщи осадков на опорных участках, а на остальной акватории - геологическим методом деления мощности осадочного слоя на время, за которое слой образовался, нами получены скорости осадконакопления. Одновременно с типичными для искусственных водоемов скоростями осадконакопления имеют место и участки со сверхбыстрым осадконакоплением. К таким участкам относятся прибрежные отмели вблизи абразионных и оползневых берегов и
область переменного подпора и Верхнеангарский район Братского водохранилища.
Способ механического перемещения осадкообразующего материала и условия его осаждения определяют формирование основных элементов подводного рельефа и литодинамических типов донных отложений. По происхождению нами выделены следующие литодинамические (генетические) типы: оиюжения придонных гидродинамических потоков, гравитационные отложения, отложения вертикальных седиментационных потоков (рис. 2).
Рис. 2. Карты-схемы гидродинамической ситуации при волнении СЗ направления в Братском водохранилище в масштабе 1:3 ООО ООО (А) и участках Рассвет (Б) и Заславск (В) в масштабе 1:100 ООО
Условные обозначения: 1 - суша; 2 - границы затопленного русла р. Ангары; 3 - абразионный берег; 4 - отложения придонных гидродинамических потоков (прибрежная отмель); 5 - гравитационные отложения (подводный склон прибрежной отмели); 6 - отложения вертикальных седиментационных потоков (затопленные террасы, затопленное русло); 7 - ветровые дрейфовые течения; 8 - компенсационные противотечения; 9 - участки «нулевой седиментации»
Каждый литодинамический тип приурочен к определенной морфодинамической зоне, основными из которых являются: прибрежная отмель, подводный склон отмели, затопленные террасы и затопленное русло реки. Основную роль по переносу и аккумуляции осадочного материала на прибрежной отмели и ее внешнем крае выполняют волны, вдольбереговые, разрывные и компенсационные течения. По своему генезису отложения прибрежных отмелей являются отложениями придонных гидродинамических потоков. Их формирование происходит на участках, где генетическим типом берегов является абразионный тип. При размыве скальных и полускапьных пород, песчаников и выветрелых аргиллитов размытый материал перемещается волочением и формирует отмели песчаного и галечного состава. На участках размыва пород глинистого состава и переноса размытого материала во взвешенном состоянии образуются отмели, сложенные крупноалевритовым и иногда мелкоалевритовым материалом.
По скорости аккумуляции осадочного материала лидирует Братское водохранилище, значительно превосходя и вышележащее Иркутское и нижележащее Усть-Илимское водохранилища. Высота слоя наносов, отлагающихся на отмелях Иркутского водохранилища ежегодно в осенний период при стоянии высокого уровня, составляет 10-15 см. Однако эти наносы весной следующего года при повышении уровня смываются, а осенью снова накапливаются и находятся на отмели до весны следующего года. Результатом таких ежегодных смывов является углубление отмелей [Пинегин, 1980].
На Братском водохранилище при НПУ 60-80% размытого материала отлагается на отмели, при этом абразионный материал за несколько лет стояния высоких уровней образует на внешнем крае отмели аккумулятивные призмы мощностью до 2-3 м, увеличивая тем самым мощность наносов и уменьшая наклон отмели. Величина ежегодно отлагающегося слоя составляет 0,2-0,8 м в зависимости от состава размываемых пород [Овчинников, Карнаухова, 1985]. На Усть-Илимском водохранилище аккумулятивные процессы в прибрежной зоне не имеют широкого развития в связи с тем, что в наиболее штормовой период происходит снижение уровня воды в водохранилище и резкое ослабление абразионных процессов, а размытый материал перемещается на большие глубины, чему способствует также и общая глубоководность водохранилища.
Перемещение осадочного материала на подводном склоне отмелей водохранилищ Ангарского каскада отличаются от движения осадочного материала, происходящего на самих отмелях. На подводном склоне процессы протекают в основном при ведущей роли гравитационных процессов, в результате формируется литодинамический тип, представленный отложениями гравитационных потоков или гравититами. Среди гравитационных процессов наибольшее развитие на водохранилищах получили оползни и обвалы, разжиженные потоки. Процессы перемещения осадочного материала протекают гораздо медленнее, чем на отмели. Исключение составляют оползни и обвалы, протекающие практически мгновенно. Среди оползневых смещений преобладает поточный тип, происходящий на участках, где в зону затопления
водохранилищами попали оползневые склоны ангарских, окинских и илимских террас, сформированных в породах ордовика и силура, представленных глинистыми разностями.
Возникновению гравититов из разжиженных потоков осадочного материала способствуют высокие для водохранилищ Ангарского каскада скорости накопления осадков на внешнем крае прибрежной отмели, гранулометрический состав, свойства, обводнение с разрушением структурных связей и слабо уплотненное состояние осадков, а также угол наклона подводного склона, превышающий угол естественного откоса для несвязных пород (более 30°). Перемещение в виде разжиженных потоков происходит на участках, где отмели сложены материалом размыва пород, сложенных супесями, суглинками, аргиллитами, т.е. породами с высоким содержанием глинистой компоненты. Гравитационное перемещение осадков по подводному склону в виде разжиженных потоков усиливается в период штормов, когда на отмель поступают огромные массы размытого материала, а внешний край отмели и склон становится динамически неустойчивыми.
Мощность слоя осадков на подводном склоне отмели зависит как от структурных особенностей абрадируемых пород, так и от механизма образования осадка. Больший слой осадков на склоне образовался на участках размыва рыхлых четвертичных пород. На участках размыва делювиальных лессовидных суглинков периодически происходит пластично-вязкое течение осадочного материала в виде разжиженного потока по подводному склону прибрежной отмели. Слой осадка имеет мощность 11-14 см и представляет собой чередование прослойков толщиной 1-2 см коричневато-бурого мелкоалевритового ила или крупного алеврита с прослоями тонкозернистого песка, толщина прослоя которого не превышает 0,5 см.
К гравитационным процессам относится и «течение» по дну песков-плывунов, слагающих размываемые берега в Калтукском расширении Братского водохранилища, в которых преобладающей является фракция 0,250,10 мм, составляя 63-72%. Пористость песков изменяется в пределах 38-50%, угол естественного откоса - 31-38°. Высокое содержание фракции 0.25-0,10 мм определяет способность песков переходить в разжиженное состояние и оползать.
Осадочный материал, вынесенный за пределы прибрежных отмелей разрывными и компенсационными течениями, приводит к формированию отложений вертикальных седиментационных потоков. Натурными наблюдениями нами было установлено, что при абразии суглинков во время шторма происходит перемещение размытого материала за пределы отмели в виде потоков, разно насыщенных взвешенным материалом. Наибольшее содержание взвесей имеют два потока. Первый поток в виде «облака повышенной мутности» перемещается на границе раздела слоев дрейфового и компенсационного переноса. Второй, более насыщенный, поток (до 400 г/м3) находится вблизи дна, формируя нефелоидный слой мощностью 2-5 м [Карнаухова, 2003; 2004].
Минимальные скорости осадконакопления в водохранилищах Ангарского каскада характерны для отложений вертикальных седиментационных потоков и приходятся на самые глубоководные зоны водоемов и участки, где отсутствуют абразионные берега. Однако по площади распространения отложения седиментационных потоков имеют явное преобладание в водохранилищах Ангарского каскада. Формирование донных отложений в глубоководной части Иркутского водохранилища происходит в виде локальных пятен малой мощности и по темпам накопления и мощности слоя осадков значительно уступает водохранилищам каскада. В Братском водохранилище максимальная высота слоя донных отложений присутствует там, где их формирование связано с абразией делювиальных суглинков, и составляет 10-20 см. Водные массы перед плотиной Братской ГЭС имеют невысокое содержание взвешенного материала (рис. 3) поэтому здесь скорость осадконакопления одна из наименьших по водохранилищу.
Рис. 3. Схема распределения содержания взвешенных веществ (мг/л) в воде по продольному профилю водохранилищ Ангарского каскада
Наибольшая мощность сплошного покрова осадков Усть-Илимского водохранилища, отложившихся из вертикальных седиментационных потоков, приходится на участок между 56 и 74 км и составляет 40 см. Ниже по течению толщина слоя осадков уменьшается, значительная часть дна представляет участки с нулевой седиментацией. Для всего каскада характерной является такая черта осадконакопления как снижение мощности донных отложений от верховья водохранилищ вниз, по направлению к плотине.
Одной из особенностей Братского водохранилища является эксплуатация его как при НПУ, так и при низких уровнях. При низких уровнях прекращается абразия береговых уступов, размывается материал, отложившийся в предыдущие годы в прибрежной зоне водоема. Наибольшие размывы приходятся на отмели, сложенные крупноалевритовым материалом, менее активны абразионные процессы на участках с песчаными отмелями. Размытый
материал отлагается на более низких батиметрических отметках. При стоянии низких уровней темп аккумуляции наносов в прибрежной зоне водохранилища находится в пределах 4,4 см/год, в глубоководной зоне скорость осадконакопления равняется 0,34 см/год (табл. 7).
Таблица 7. Скорость осадконакопления в Братском водохранилище при
Гидрологический Скорость осадконакопления, см/год
район при НПУ при низком уровне
Прибрежная Глубоководная Прибрежная Глубоководная
часть часть часть часть
Верхнеангарский 3,9 1,3 6,5 0,97
Балаганское 60 0,27 8,9 0,27
расширение
Ангарское 10 0,11 0 0
сужение
Заярское 50 0,09 1,9 0,08
расширение
Долоновское 16 0,08 9,1 0,07
расширение
Каптукское 30 0,12 1,3 0,07
расширение
Окинско-Ийский 1,0 0,3 3,2 0,95
Среднее по 24,4 0,32 4,4 0,34
водохранилищу
В абсолютных единицах скорость аккумуляции терригенного материала в глубоководной части Иркутского водохранилища составляет менее 1 мг/см2/год, Братского водохранилища - 78,8 мг/см2/год, Усть-Илимского водохранилища - 24 мг/см2/год. В то же время скорость накопления донных осадков в озере Байкал составляет 10 мг/см2/год [Лихошвай, Грачев, 2006]. Как видим, скорости накопления осадочного материала в абсолютных единицах в искусственных водоемах - Братском и Усть-Илимском водохранилищах, значительно превосходит природный водоем, находящийся в одинаковых с ними природно-климатических условиях. Подобное несоответствие обусловлено абсолютным преобладанием в питании водохранилищ осадочным материалом абразионного происхождения.
Наши исследования показали, что создание водохранилищ Ангарского каскада привело к формированию в области переменного подпора и Верхнеангарском районе Братского водохранилища новой внутриводоемной седиментосистемы. Общая протяженность этой седиментосистемы 90 км [Карнаухова, 2007]. Несмотря на то, что вода Ангары характеризуется низким содержанием взвешенного материала, за счет большого объема водной массы ежегодный твердый сток Ангары в область переменного подпора составляет
1,398 млн. т, из которых половина материала остается в области переменного подпора и Верхнеангарском районе. Об интенсивном осаждении осадочного материала, приносимого рекой, свидетельствуют падение скорости водного потока, увеличение содержания взвешенного материала в придонном горизонте (рис. 4), а также величина слоя отложившихся осадков.
седиментосистемер. Ангары
Участки наблюдений: 0 - Усолье-Сибирское; I - 110 км; II - Кулаково; III - Буреть; IV - 125 км; V - 130 км; VI - 135 км; VII - Свирск; VIII - Каменка; IX - Казачье; X - Середкино
При стоянии уровня на низких отметках в течение нескольких лет происходит смещение границы области переменного подпора в сторону плотины, протяженность уменьшается примерно в 3 раза. Большая часть области по гидрологическому режиму приобретает черты реки. В Верхнеангарском районе сработка водохранилища приводит к частичному размыву донных отложений (рис. 5).
Интенсивность седиментационных процессов в области переменного подпора составляет 14 г м"2 сутки"1. На участке перехода от области переменного подпора к Верхнеангарскому району поток осадочного материала достигает 93 г м"2 сутки"1, о чем свидетельствует наибольшая мощность донных отложений (более 50 см) крупно- и мелкоалевритового состава между г. Свирск и с. Каменка.
В самом Верхнеангарском районе происходит снижение величины потока до 11 г м"2 сутки"1 и, соответственно, мощности донных отложений до 4 - 20 см на участке Казачье и 3-18 см на участке Середкино. Как видим, новообразованная седиментосистема является областью сверхбыстрого осадконакопления, в которой интенсивность потоков осадочного вещества сопоставима с интенсивностью потоков в природных устьях рек.
Рис. 5. Схема осадконакопления на участке г. Свирскпри различном положении уровня
Условные обозначения:
1 — доломиты и
известняки ангарской
свиты кембрия;
2 - четвертичные
делювиальные суглинки;
3 - галька; 4 - пески;
5 — крупные алевриты;
6 - мелкоалевритовые илы
По преобладающему компоненту нами в водохранилищах Ангарского каскад выделяется один класс осадков - терригенные осадки, и два литологических типа - обломочные и глинистые осадки. Терригенные обломочные донные отложения водохранилищ представлены структурными типами: псефитами, псаммитами, алевритами (табл. 8).
Грубообломочные (псефиты) донные отложения в зависимости от размера и окатанности обломков делятся на валуны и глыбы, гальку и щебень, гравий и дресву. Данный структурный тип донных отложений имеет в водохранилищах локальное распространение - в виде отдельных небольших пятен в приурезовой зоне на участках размыва скальных и полускальных пород.
Таблица 8. Классификация донных отложения водохранилищ Ангарского каскада
Класс осадка Генетический тип осадка Структурный тип осадка
Терригенный Обломочные Псефиты (валуны, глыбы, дресва, щебень)
Псаммиты (пески)
Алевриты (крупные алевриты, мелкоалевритовые илы)
Глинистые Алевритово-глинистые илы
Наиболее распространенным типом терригенных обломочных отложений являются псаммиты и алевриты. Псаммиты представлены в большей мере песками. Затопленные пески представляют собой террасовый и русловой аллювий, или имели до затопления эоловое происхождение. Пески, образовавшиеся после создания водохранилищ, являются в основном отложениями придонных гидродинамических потоков и приурочены к участкам дна с высокой гидродинамической активностью, т.е. до 7-9 м глубины. Прибрежные пески являются крупно- и среднезернистыми, в глубоководной зоне водохранилищ - мелкозернистыми со значительной примесью алевритового материала.
Алевритовый тип включает крупные алевриты и мелкоалевритовые илы. Крупные алевриты отмечаются там, где происходит частая смена гидродинамической обстановки. Такими участками являются прибрежные отмели, формирующиеся из материала размыва пород берега с высоким содержанием глинистой компоненты. Характерной особенностью осадков крупноалевритового и мелкоалевритового состава, слагающих прибрежные отмели является двухвершинность их гранулометрического профиля, что указывает на незавершенность выработки профиля равновесия в прибрежной зоне. Большая часть затопленных террас, а также полностью подводные склоны прибрежных отмелей покрыты слоем осадков крупноалевритового состава (рис. 6).
Рис. 6. Карты-схемы литологических типов донных отложений Братского водохранилища в масштабе 1:3 ООО ООО (А) и участков Рассвет (Б) и Заславск (В) в масштабе 1:100 ООО
Условные обозначения: 1 - затопленные первичные грунты, почвы и лес; 2 - песок;
3 - крупный алеврит;
4 -мелкоалевритовый ил; 5 - алевритово-глинистый ил
Мелкоалевритовые илы имеют незначительное распространение в прибрежной зоне водохранилищ Ангарского каскада. Основным полем их аккумуляции являются затопленные террасы и бывшее русло. Алевритово-глинистые илы занимают незначительные участки дна Братского и Усть-Илимского водохранилищ, полностью отсутствует в Иркутском водохранилище.
Со временем произошли определенные изменения в пространственном распределении типов донных отложений. Для Иркутского водохранилища через 25 лет его эксплуатации это проявилось в формировании первого комплекса донных отложений, занимающего 1/3 площади дна в виде отдельных пятен и сохраняющих такое положение и в настоящее время. В Усть-Илимском водохранилище не происходит кардинальных изменений в площадном распределении донных отложений и их типов. Более заметные изменения произошли в Братском водохранилище, связанные с режимом его эксплуатации (рис. 7). В Братском водохранилище несколько уменьшились площади дна, занятые затопленными первичными грунтами, почвами, песками, и увеличились площади распространения крупно- и мелкоалевритовых осадков. Изменения особенно затронули относительно мелководное Балаганское расширение с его интенсивным проявлением абразионных процессов, например, со временем площади дна, занятые в прошлом затопленными почвами, покрываются слоем современных осадков.
Общая схема распределения фракций в зависимости от соотношения их в осадке на различных батиметрических отметках водохранилищ Ангарского каскада такова. Для Иркутского и Братского водохранилищ присущ общий характер преобладания песчаных частиц в прибрежной зоне и господство алевритового материала над пелитовой фракцией в осадках затопленных террас и русла.
В то же время Усть-Илимское водохранилище, в котором песчаная фракция значимо присутствует в донных отложениях по всему профилю, не укладывается в схему. Узкие отмели, резкий перепад глубин на свале приводят к накоплению тонкопелитового материала вблизи берега, а крупнозернистые осадки опускаются на большие глубины. Возможно, что такая ситуация возникает в результате абразионно-оползневого типа формирования берегов, при котором не переработанный волновыми процессами материал мгновенно поступает на большие глубины, не успевая нарастить прибрежную отмель. На такой механизм формирования осадка указывают и очень высокие значения коэффициентов сортированное™, свидетельствующие об отсутствии сортирующего эффекта.
Для алевритовой фракции характерен максимум процентного содержания на подводном склоне прибрежной отмели, и далее при поступлении на затопленные террасы и русло происходит некоторое снижение количества фракции. Алевритовая фракция растет с удалением от берега в донных отложениях Иркутского и Братского водохранилищ и остается почти на одном уровне в осадках Усть-Илимского водохранилища. Пелитовая фракция от берега к осевой части водоема количественно растет в осадках Иркутского и
Братского водохранилищ. К центральной части Усть-Илимского водохранилища содержание пелитовой фракции в донных отложениях снижается, она подавлена песчаной и алевритовой фракциями.
1977 г.
Рис. 7. Карты-схемы динамики распространения типов донных отложений в Балаганском расширении Братского водохранилища
Условные обозначения: 1 - затопленные почвы; 2 - песок; 3 - крупный алеврит; 4 - мелкоалевритовый ил; 5 - алевритово-глинистый ил
Третье положение. Гидрологические процессы и состав осадкообразующего материала питающих источников отражаются в новых, закономерно построенных комплексах донных отложений водохранилищ Ангарского каскада, вещественные характеристики которых не утратили связь с исходным материалом
Состав осадкообразующего материала и гидрологические процессы в водохранилищах Ангарского каскада формируют вещественный состав донных отложений, не утрачивающий связь с исходным материалом.
Разнообразный по составу поступающий материал способствует формированию разных по минеральному составу донных отложений. Основную часть в донных отложениях водохранилищ Ангарского каскада составляют минералы легкой фракции, на долю которых приходится в большинстве случае от 87 до 99%. Легкая фракция донных отложений состоит в основном из кварца, полевых шпатов, слюд, обломков карбонатных и кремнистых пород. Изменение содержания кварца и полевых шпатов по длине водохранилищ происходит синхронно. Наиболее представительна по составу тяжелая фракция донных отложений. Пространственная неоднородность пород водосборного бассейна, поступающих в составе осадкообразующего материала в водохранилища, нашла свое отражение в терригенно-минералогических провинциях донных отложений. В донных отложениях по первым двум преобладающим группам минералов тяжелой фракции нами выделено 5 терригенно-минералогических провинций: рудно-амфиболовая, рудно-гранатовая, эпидот-амфиболовая, гранат-амфиболовая, циркон-рудная (табл. 9). Комплексы отчетливо выражены и генетически связаны с источниками питания.
Таблица 9. Содержание минералов тяжелой фракции в терригенно-минералогических провин11иях донных отложений в водохранилищах Ангарского каскада
№ Терригенно-минералогическая провинция Амфибо лы Эпидот Гранат Рудные Пироксе ны Сфен Циркон Прочие
I Рудно-амфиболовая 33.3 10.6 13.4 27.8 3.9 3.7 2.1 5.2
II Рудно-гранатовая 14.0 10.5 29.8 27.6 3.0 3.7 2.9 8.5
III Эпидот-амфиболовая 44.6 21.6 7.9 11.1 2.9 2.6 1.6 7.9
IV Гранат-амфиболовая 53.9 5.5 16.8 12.2 3.0 0.5 0.8 7.3
V Циркон-рудная 14.8 5.8 12.8 22.0 9.3 2.0 19.6 13.7
Основной областью распространения рудно-амфиболового комплекса являются донные отложения Иркутского водохранилища. Минералы комплекса имеют генетическую связь с метаморфическими породами, слагающими большую часть водосборного бассейна этого водохранилища и которые на значительном протяжении обнажаются в береговых уступах. Отмечается
довольно высокое содержание эпидота и наибольшее - рутила и сфена, присутствуют специфические минералы метаморфических пород - ставролит и силлиманит.
Рудно-гранатовый комплекс включает осадки, представленные русловым аллювием рек Оки и Ии, а также реки Ангары на ее незарегулированном участке ниже плотины Иркутской ГЭС. Тяжелая фракция аллювия включает минералы, присутствующие в породах водосборных бассейнов этих рек. Для осадков характерна наибольшая по водохранилищам концентрация устойчивых минералов - гранатов и циркона, сравнительно редкого минерала сфена, а также малая встречаемость турмалина. Самое низкое содержание амфиболов и максимальная концентрация биотита в легкой фракции указывают на удаленность от источника питания минералами метаморфических пород и отсутствие материала местного поступления.
Акцессорными минералами-индикаторами эпидот-амфиболового комплекса, содержание которых является наибольшим в осадках водохранилищ, являются турмалин, хромшпинелиды, анатаз. Ассоциация этих минералов характерна для пород, размываемых в береговых уступах водохранилищ, представленных палеозойскими осадочными породами и развитыми в поле их распространения четвертичными отложениями. Для комплекса типичным является наибольшее для донных отложений содержание полустойкого эпидота, кварца и полевых шпатов.
Гранат-амфиболовый минералогический комплекс имеет наибольшее площадное распространение в донных отложениях Братского и Усть-Илимского водохранилищ. На связь с породами береговой зоны указывает значительное накопление в донных отложениях гранатов, турмалина, рутила и хромшпинелидов, поступающих в результате абразии пород ордовика, тяжелая фракция которых представлены циркон-турмалиновой ассоциацией с гранатами.
В пределах нахождения циркон-рудного комплекса содержание пироксенов является самым высоким по водохранилищам, наибольшее количество диопсид+авгита сосредоточено на глубинах более 20 м, т.е. в пределах затопленных ангарских террас. Здесь же накапливаются и рудные минералы. В составе тяжелой фракции донных отложений преобладает циркон, что обусловлено как весьма значимым присутствием минерала в составе абрадируемых пород ордовика, так и его устойчивостью и транспортабельностью. Повышенным является и содержание плагиоклазов, которые, наравне с пироксенами, оливином, рудными и хлоритом, являются главными породообразующими минералами траппов. В донных отложениях полностью отсутствует группа минералов метаморфических пород.
Преобладающей формой элементов, находящихся в донных отложениях водохранилищ Ангарского каскада, является геохимически инертная, поскольку ведущими являются процессы осадконакопления элементов терригенного ряда, формирующие донные отложения, представленные, главным образом, классом обломочных осадков, образование которых связано с продуктами разрушения горных пород суши. Ведущими осадкообразующими
соединениями являются 8Ю2 А120з, Ре20з. По концентрации в донных отложениях водохранилищ Ангарского каскада БЮ2 занимает главенствующее положение (табл. 10). Разброс в его содержании невелик, количество элемента в осадках соответствует его содержанию в осадочных породах суши.
Таблица 10. Среднее содержание полуторных окислов в донных отложениях водохранилищ Ангарского каскада
Компоненты Песок Крупный алеврит Мелкоалевритовый ил Алевритово-глинистый ил Среднее
Иркутское водохранилище
БЮ2, % 68.5 66.4 61.9 57.6 63.6
А120,,% 4.63 4.14 8.25 6.40 5.85
СаО,% 4.97 6.29 3.36 5.60 4.98
МяО, % 2.14 3.07 2.96 6.80 3.74
Ре20„ % 2.28 2.91 3.32 4.05 3.14
Братское водохранилище
8Ю2, % 82.5 76.5 70.3 68.2 74.4
А1203,% 3.72 4.98 5.14 5.86 4.92
СаО,% 3.80 4.23 5.17 4.20 4.35
М§0, % 3.56 2.95 3.05 5.70 3.81
Ре20,, % 1.73 2.68 4.06 4.28
Усть-Илимское водохранилище
БЮ,, % 76.6 69.6 55.0 61.0 69.1
А120,,% 2.68 4.44 5.04 - 4.05
СаО,% 2.87 1.91 4.76 - 3.18
М§0, % 1.47 1.66 2.00 - 1.71
Ре203, % 2.34 1.90 2.11 - 2.22
Большая часть осадков с наибольшим содержанием БЮг сосредоточена на участках водохранилищ с активным протеканием абразионных процессов и имеющих наибольшее площадное распространение крупнозернистых осадков. Максимум приходится на пески, слагающие прибрежные отмели водохранилищ. Вглубь водохранилищ 8Ю2 переносится в составе осадочного материала, размер частиц которого не превышает 0,01 мм. Наименьшее содержание 5Ю2 имеют мелкоалевритовые и алевритово-глинистые илы, залегающие за пределами отмелей и включающие значительное количество пелитовых частиц. Уменьшение в донных отложениях количества БЮ2 сопровождается ростом концентрации алюминия и железа, что говорит о наличии связи этих элементов с содержанием пелитовых частиц и рельефом водоемов.
Наиболее богаты алюминием осадки головного в каскаде - Иркутского водохранилища, что обусловлено поступлением из озера Байкал в составе каолинита. В Братском и Усть-Илимском водохранилищах наблюдается прямая связь количества элемента в осадках с его содержанием в исходном материале -
наиболее богаты алюминием донные отложения на участках размыва в береговых уступах суглинков с большим количеством глинистых минералов. Существует тесная связь с рельефом водоемов и размерностью фракций осадочного материала, выраженная в резком снижении количества алюминия в осадках гидродинамически активных зон - прибрежных отмелей, затопленных бывших островов.
Седиментация железа и его накопление в донных отложениях снижают его концентрацию в воде водохранилищ Ангарского каскада в пределах 60-80% по сравнению с речной водой. Количество железа в осадках Иркутского и Братского водохранилищ примерно одинаково (3,14 и 3,19% соответственно), лишь в Усть-Илимском - несколько ниже. Миграция и распределение железа в водохранилищах подчиняются законам механической седиментации, о чем свидетельствует увеличение содержания элемента при повышении в осадке количества пелитовой фракции и проявляется в появлении максимума элемента в мелкоалевритовых и алевритово-глинистых илах. Основной схемой распределения железа является явная приуроченность повышенных содержаний элемента к донным отложениям глубоководной зоны, т.е. к той части водохранилищ, где скорость осадконакопления наименьшая. Пониженные процентные содержания Ре приходятся на прибрежную часть с ее высокими скоростями осадконакопления.
Значительные показатели поступающего аллохтонного ОВ относительно низкой биологической продуктивности самих водохранилищ находят свое отражение в интенсивности накопления органического вещества в донных отложениях. Поэтому для водохранилищ Ангарского каскада не свойственна связь удельного накопления ОВ в донных отложениях и возраста водохранилища, характерная для озер и каскада водохранилищ на Днепре и Волге. Малые абсолютные величины присущи Иркутскому водохранилищу -самому старому в каскаде, более активно этот процесс идет в Братском и Усть-Илимском водохранилищах. Наименьшее содержание органики отмечено в донных отложениях прибрежной части водохранилищ, особенно на участках активного размыва берегов водоемов. При увеличении дисперсности частиц в осадке наблюдается увеличение суммарного содержания ОВ [Карнаухова, 1981]. Здесь осадки насыщаются минеральными частицами более интенсивно, чем органическими. Максимальное накопление приходится на донные отложения затопленных террас и русла. Подобное распределение органического вещества в донных отложениях наблюдается на водохранилищах Днепра [Новиков, 1985] и Волги [Буторин и др., 1975].
Характерным в распределении фосфора в осадках водохранилищ Ангарского каскада является связь с условиями седиментации, о чем свидетельствует явная приуроченность элемента к определенным морфодинамическим зонам. Распределение содержания фосфора в донных отложениях согласуется с распределением органического вещества и железа и также зависит от гранулометрического состава осадков. По водохранилищам наименьшая средняя концентрация фосфора приходится на донные осадки
Иркутского водохранилища, наибольшая - на осадки Братского водохранилища.
Преимущественно механическая миграция химических элементов создает в зоне осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада геохимический фон в виде средних и довольно низких содержаний микроэлементов (табл. 11).
Таблица 11. Содержание тяжелых металлов в донных отложениях водохранилищ Ангарского каскада, мг/кг
Элемент Водохранилище
Иркутское Братское Усть-Илимское
Сг 65.0 130.0 75.6
№ 38.0 74.0 40.0
гп 40.0 90.0 40.0
Си 8.0 29.0 26.0
РЬ 16.0 27.0 21.0
V 38.0 96.0 91.0
Со 3.0 17.0 38.1
Мп 430.0 500.0 530.0
Основные содержания микроэлементов в осадках водохранилищ Ангарского каскада значительно ниже кларковых содержаний в литосфере. По сравнению с другими водохранилищами и природными водоемами донные отложения исследуемых нами водохранилищ довольно бедны микроэлементами. Однако по содержанию меди и кобальта осадки в настоящее время уже превосходят концентрации этих элементов в осадках озера Байкал.
Для донных отложений Иркутского и Усть-Илимского водохранилищ характерны нижефоновые концентрации цинка. Выше фона накопление цинка отмечается в донных отложениях Братского водохранилища, что имеет различные причины. Так, в области переменного подпора цинк имеет явно техногенное происхождение. В Балаганское расширение цинк поступает как из области переменного подпора, так и из материала абразии в основном в составе роговой обманки, магнетита и биотита, которые в повышенных концентрациях находится в породах верхоленской свиты кембрия и их карбонатном цементе. Гидрокарбонатный состав воды благоприятствует переходу цинка в осадки. На большей части Балаганского расширения вышефоновое содержание цинка присутствует в осадках в виде отдельных пятен в глубоководной зоне, составляя 91-130 мг/кг.
Наибольшее содержание свинца отмечается в донных отложениях Братского водохранилища, наименьшее - в осадках Иркутского водохранилища, что почти соответствует количеству металла в осадках озера Байкал. В донных отложениях водохранилищ содержание элемента составляет 16-71 мг/кг [Карнаухова и др., 1988]. Зависимости содержания свинца от гранулометрического состава осадка проследить не удалось. Не наблюдается
такая связь и в осадках природных водоемов, что исследователями объясняется отсутствием способности металла накапливаться в определенном классе осадков [Игнатова, Чудаева, 1983].
После осаждения свинец довольно прочно по сравнению с другими элементами закрепляется в донных отложениях и при нарушении структурных связей в результате механического воздействия на осадок переходит во взвесь, а затем довольно быстро выпадает в осадок снова. В качестве примера показано распределение свинца в воде и донных отложениях Балаганского расширения Братского водохранилища (рис. 8).
Рис. 8. Карты-схемы распределения свинца в поверхностном (А) и придонном (Б) горизонтах воды, донных отложениях (В) в Балаганском расширении Братского водохранилища в масштабе 1:1 ООО ООО
Условные обозначения: Вода (мкг/л): 1 - < 0,1; 2-0,1- 0,2; 3 - 0,2-0,3. Донные отложения (мг/кг): 1 - < 15; 2 - 15- 25; 3 - 25-35.
Медь широко представлена в осадках водохранилищ Ангарского каскада. Среднее значение количества меди в донных отложениях исследуемых нами водохранилищ одного порядка с осадками водохранилищ Днепровского каскада (28 мг/кг), что заметно ниже, чем в осадках природных пресноводных водоемов. Элемент накапливается во всех типах донных отложениях и во всех морфодинамических зонах водохранилищ Ангарского каскада. Медь связана с пелитовой фракцией осадков, при увеличении их дисперсности возрастает количество меди, поэтому элемент в большей мере тяготеет к отложениям глубоководной зоны водоемов. Скачок роста содержания меди происходит при переходе от мелкоалевритовых илов к алевритово-глинистым, что связано с высокой миграционной способностью элемента.
Физико-географические условия (обстановки осадконакопления) определили литолого-геохимическую дифференциацию донных отложений,
проявившуюся в поглубинной вертикальной поясности осадочного материала в исследуемых водохранилищах. Основными морфодинамическими зонами осадконакопления являются прибрежная отмель, подводный склон прибрежной отмели, затопленная терраса, затопленное русло реки. В соответствии с вертикальной поясностью для каждой зоны специфичны своя размерность частиц осадочного материала, ассоциации минералов и геохимические поля. Методом «идеальных профилей», предложенным Н.М. Страховым [Страхов, 1962] нами были составлены обобщенные фациальные профили, характеризующие участки с наиболее размываемыми берегами, сложенными основными петрографическими типами пород рассматриваемого региона, представленными аргиллитами, песчаниками и суглинками.
Четвертое положение. Геоэкологическое состояние водохранилищ Ангарского каскада отражают донные отложения, которые являются наиболее стабильным и представительным показателем антропогенного воздействия
С момента зарегулирования Ангары и создания каскада водохранилищ стали происходить изменения в режиме функционирования реки, проявившиеся в изменении гидрологического, седиментационного, геохимического и биологического режимов, что привело к неустойчивому экологическому состоянию водной системы. На фоне таких изменений интенсивная хозяйственная деятельность как на водосборе, так и в пределах водных объектов приводит к усилению антропогенной нагрузки на водохранилища и изменению их геоэкологического состояния. Для выявления масштабов загрязнения водохранилищ Ангарского каскада, а также возможных путей снижения антропогенных нагрузок необходима оценка геоэкологического состояния водоемов.
Донные отложения водохранилищ являются активными накопителями загрязняющих веществ, в том числе и таких как тяжелые металлы и биогенные вещества. В донных отложениях заключена полная информация обо всех временных изменениях геоэкологического состояния водохранилищ. При геоэкологической оценке состояния водоемов, как природных, так и искусственных, наиболее приемлемыми показателями донных отложений рекомендуются следующие: концентрации тяжелых металлов для выявления уровня техногенной нагрузки, общий фосфор и биогенная нагрузка для определения стадии эвтрофирования [Моисеенко, 1998; Моисеенко и др., 2006; Даувальтер, 1998; Курзо, 2002].
Геохимические мобильность и динамичность тяжелых металлов делают возможным их нахождение во всех элементах природной среды. Для этих элементов характерно высокое антропогенное поступление в поверхностные воды, что приводит к перемещению металлов на значительные расстояния от источника и накопление в водоемах. Активными накопителями являются искусственные водоемы, к числу которых относится и водохранилища Ангарского каскада. Поступившие в водохранилища тяжелые металлы в
результате геохимической миграции рассеиваются, концентрируются и частью сбрасываются в нижний бьеф каждого водохранилища (табл. 12).
Таблица 12. Распределение тяжелых металлов в водохранилищах Ангарского каскада (%)
Составляющие Водохранилище
Иркутское Братское Усть-Илимское
Донные отложения 2.4 91.6 75.0
Содержание в воде водохранилища 14.7 5.3 11.7
Сброс в нижний бьеф 82.9 3.1 13.3
Перемещение и рассеивание происходит в водной среде водоемов. В воде водохранилищ Ангарского каскада находятся элементы 1 и 2 классов опасности, представленные Н§, РЬ, Со, Мо, А1 (табл. 13).
Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы (СанПиН 2.15.98000) устанавливают, что в случае присутствия в воде водного объекта двух и более веществ 1 и 2 классов опасности, сумма отношений концентраций каждого из них к соответствующим ПДК не должна превышать единицу (табл. 14). Проведенные расчеты показали, что для воды водохранилищ сумма отношений этих элементов к их ПДК не превышает 1.
Таблица 13. Тяжелые металлы в воде водохранилищ Ангарского каскада
Элемент Класс опасности ПДК, мкг/л (') Иркутское Братское Усть-Илимское
мкг/л
№ 3 100 5.28 1.36 2.97
1п 3 5000 1.4 3.5 9.21
Си 3 1000 7.44 1.4 1.55
РЬ 2 30 0.68 0.56 1.20
V 3 100 1.12 1.1 1.0
Со 2 100 0.53 0.78 0
Мп 3 100 15.8 17.04 9.05
Сг 3 50 2.06 0.84 10.2
А1 2 500 3.93 6.8 0.79
Ре 3 300 7 24.1 41
Мо 2 250 1.07 0.4 0.4
н8 1 0.1 0.0019 (2) 0.007 (2) 0.002 (2)
Примечание: (') - Зенин, Белоусова, 1988; ВОДА.., 2004; (2) - Коваль и др., 2003
Таблица 14. Средние значения отношения содержания нормируемых элементов к их ПДК в воде водохранилищ Ангарского каскада
Иркутское Область переменного подпора Братское Усть-Илимское
0.057 0.335 0.11 0.063
Опыт исследования водохранилищ показал, что основная масса тяжелых металлов накапливается в донных отложениях. В настоящее время существует несколько подходов в изучении степени загрязнения тяжелыми металлами донных отложений водоемов. Наиболее распространенным в практике геохимических исследований окружающей среды в нашей стране является определение коэффициентов концентрации, подсчитанных по отношению к геохимическому фону. Используется и коэффициент обогащения, который показывает во сколько раз концентрация ТМ в донных отложениях выше кларка в литосфере [Сает и др., 1990].
По нашему мнению, наиболее информативной является схема, основанная на использовании классов геоаккумуляции (игео-классов) по G. Мюллеру [Mueller, 1979] и дополненная Н.В.Коломийцевым с соавторами [Коломийцев и др., 1999], В.Т. Трофимовым и Д.Г. Зиллинг [Трофимов, Зиллинг, 2002] величиной техногенной нагрузки на донные отложения водных экосистем. Игео-класс (I-geo) или класс геоаккумуляции определялся по уравнению:
I-geo,; = Log 2 (Q/1,5 В,), где Q - измеренная концентрация i-ro металла в донных отложениях; В, -геохимический фон элемента; i изменяется от 1 до п.
Класс геоаккумуляции позволяет относить донные отложения к определенному классу качества и составлять карты загрязнения донных отложений каждым металлом отдельно. Анализ игео-классов тяжелых металлов в осадках и создание на их основе серии карт позволили нам дать характеристику уровня загрязнения и техногенной нагрузки на рассматриваемые водоемы (табл. 15).
Таблица 15. Уровень загрязнения тяжелыми металлами и техногенная нагрузка на водохранилища Ангарского каскада
Водохранилище Уровень загрязнения донных отложений Техногенная нагрузка Экологическая зона водных экосистем. Класс состояния донных осадков
Иркутское Незагрязненный Слабая (малоопасная) Зона нормы. Удовлетворительное (благоприятное) состояние
Братское Незагрязненный Слабая (малоопасная) Зона нормы. Удовлетворительное (благоприятное) состояние
Усть-Илимское Незагрязненный Слабая (малоопасная) Зона нормы. Удовлетворительное (благоприятное) состояние
Донные отложения водохранилищ Ангарского каскада загрязнены тяжелыми металлами в основном на уровне нулевого и редко - первого игео-классов, что позволяет отнести их к незагрязненным осадкам, имеющим слабую (малоопасную) техногенную нагрузку по металлам. В соответствии с классификацией В.Т. Трофимова и Д.Г. Зилинга [Трофимов, Зилинг, 2002] водные экосистемы водохранилищ Ангарского каскада находятся в зоне экологической нормы.
Малоопасную техногенную нагрузку создают на Иркутском водохранилище Ni-Mn, на Братском - Zn-Ni-Pb-Mn-V, на Усть-Илимском - Си-Ni-Mn-V. Как видим, в донных отложениях водохранилищ каскада неизменно присутствуют никель и марганец. В осадках Братского и Усть-Илимского водохранилищ к ним присоединяется ванадий. Специфическими же для Братского водохранилища становятся цинк и свинец, для Усть-Илимского -медь.
На общем фоне незагрязненных донных отложений водохранилищ несколько выделяются область переменного подпора и Верхнеангарский район Братского водохранилища где характерным является сочетание слабой и умеренной техногенной нагрузок, создаваемых тяжелыми металлами, т.е. Верхнеангарский район находится в зоне нормы, а область переменного подпора уже может быть отнесена к зоне риска (рис. 9).
В области переменного подпора до г. Свирск в ассоциацию элементов, формирующих слабую техногенную нагрузку, входят Hg, Pb, Со, Мо, Ni, V, Cu. Умеренную техногенную нагрузку на донные отложения создают Zn, Мп, Сг. По величине удержания тяжелые металлы условно можно разделить на 3 группы [Карнаухова, 2007].
В первую группу входят слабые водные мигранты - молибден, свинец и хром, а также железо, фосфор и органическое вещество. Для них характерны очень высокие значения потери при прохождении через фильтр. Распределение свинца в донных отложениях показано на рис. 10. Вторую группу составляют Mn, Си и Zn, являющиеся хорошими мигрантами. В третью группу входят слабые водные мигранты - Ni, V (табл. 16).
Таблица 16. Удержание элементов в маргинальном фильтре (МФ) р. Ангары
Группы элементов
1 2 3
Р Мо РЬ ОВ Сг Fe Мп Си Zn V Ni
Усолье-Сибирское-Свирск
21.6 48.9 18.8 62.0 72.7 16.7 4.1 47.5 12.0 35.0 18.0
Свирск-Середкино
78.4 51.1 74.2 28.2 14.5 66.6 65.2 8.3 42.6 16.4 5.0
Общие потери в МФ
100 100 93.0 90.2 87.2 83.3 69.3 55.8 54.6 34.4 23.0
Условные обозначения:
1 - слабая техногенная нагрузка;
2 - умеренная техногенная нагрузка по
1 элементу и слабая по 4-6 элементам;
3 — умеренная техногенная нагрузка по 2-3 элементам и слабая по 3-4-6 элементам
Условные обозначения: 1 - 10-20;
2-21-30;
3-31-40;
4-41-50
Рис. 9. Картосхема техногенных нагрузок тяжелых металлов на донные отложения области переменного подпора и Верхнеангарский район Братского водохранилища в масштабе 1:500 ООО
Рис. 10. Картосхема распределения свинца (мг/кг) в донных отложениях области переменного подпора и Верхнеангарского района в масштабе 1:500 ООО
Важным моментом в функционировании любой водной системы является присутствие в ней азота и фосфора. Эти биогенные элементы служат основной причиной эвтрофирования водоемов Биогенная нагрузка и процессы эвтрофирования связаны с количественными характеристиками потоков биогенных веществ (в первую очередь фосфора и азота), которые изменяются под влиянием хозяйственной деятельности. Основными составляющими приходной части баланса фосфора и азота в водохранилищах Ангарского каскада являются поступления от размыва пород береговой зоны, вынос с земель сельскохозяйственного назначения, поступление в составе речного стока и из вышерасположенного водоема, с промышленными и хозяйственно-бытовыми стоками, сбрасываемыми непосредственно в водохранилища, с атмосферными осадками, выпадающими на зеркало водохранилищ.
В Иркутское водохранилище основная масса фосфора поступает из озера Байкал. Главными источниками поступления элемента в Братское водохранилище служат размыв пород береговой зоны (49%) и вынос с земель сельскохозяйственного назначения и дачных участков (41.7%). Основное питание фосфором Усть-Илимского водохранилища происходит в результате поступления из Братского водохранилища. Наибольший вклад в поступление азота в Иркутское водохранилище дают вынос с земель сельскохозяйственного назначения и дачных участков (64.9%) и поступление из Байкала (20.9%). Лидирующим источников поставки азота в Братское водохранилище служат абразионные берега (87.5%). Основное поступление азота в Усть-Илимское водохранилище происходит в составе абразионного материала, выноса с земель сельскохозяйственного назначения и сброса из Братского водохранилища (примерно в равных соотношениях).
Оценка запаса биогенных элементов и скоростей их накопления в водохранилищах Ангарского каскада нами была оценена по результатам прямых неоднократных измерений. Дополнительно проводились расчеты по формулам Диллона-Риглера [Dillon, Rigler, 1974], Диллона [Dillon, 1975] и Фолленвайдера [Vollenweider, 1975]. Расчетные данные дают вполне удовлетворительную сходимость с прямыми натурными наблюдениями. В зависимости от количества азота и фосфора, поступающих и удерживаемых водохранилищами, находится их трофический уровень. По величине фосфорной нагрузки Фолленвайдер [Vollenweider, 1975; Dillon, 1975] выделяют трофический уровень водоема.
Большая часть удерживаемого фосфора в Иркутском водохранилище находится в воде, в Братском и Усть-Илимском водохранилищах -накапливается в донных отложениях. В настоящее время в Европе приняты концентрации биогенов, которые создают благоприятные условия для «цветения» водоемов, составляющие для NoSll, и Робщ 0,3 и 0,01 мг/л соответственно [Хендерсон-Селлерс, Маркленд, 1990]. Для сохранения олиготрофного статуса водоема содержание общего фосфора в воде не должно превышать 0,01 мг/л, а мезотрофного статуса-0,02 мг/л [Vollenweider, 1975].
Содержания N„„„ и Рмин в воде водохранилищ Ангарского каскада составляют примерно половину концентраций No6lJJ и Робщ [Карнаухова, 1998,
2008]. Самые низкие значения биогенов в воде характерны для Иркутского водохранилища и соответствуют статусу олиготрофного водоема. Низкая как фосфорная, так и в целом биогенная нагрузка на Иркутское водохранилище также указывает на его олиготрофный уровень (табл. 17). Анализ рекомендуемых величин допустимой биогенной нагрузки на водоемы [Оуэне, 1977; Мартынова, 1984] позволяет нам считать, что Иркутское водохранилище имеет допустимую нагрузку и находится вне зоны сильного антропогенного влияния.
Таблица 17. Коэффициенты удержания и биогенная нагрузка (г/м2/год) на водохранилища Ангарского каскада
Водохранилище Фосфор Азот
КУ БН КУ БН
Иркутское 0.32 0.0061 0.23 0,019
Братское 0.64 7.973 0.97 216.67
Усть-Илимское 0.58 2.647 0.52 41,94
Примечание: КУ - коэффициент удержания; БН - биогенная нагрузка
Содержание в водной толще как минеральных форм, так и общего азота и фосфора в Братском водохранилище, а также опасный уровень биогенной нагрузки указывают на высокую степень антропогенного воздействия на данный водоем и его эвтрофный статус. По концентрации в воде биогенов, коэффициенту удержания и биогенной нагрузке Усть-Илимское водохранилище также может быть отнесено к водоемам, испытывающим значительное антропогенное влияние, имеющему эвтрофный статус.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные исследования представляют собой решение крупной научной проблемы осадкообразования в одном из крупнейших в мире каскадов искусственных водоемов. Анализ и обобщение результатов многолетних региональных исследований позволили автору впервые определить структуру питающих источников, дать теоретическое обоснование и количественное описание причинно-следственных связей между всеми компонентами системы и основными факторами, их определяющими в каждом из водохранилищ Ангарского каскада. С новых позиций дано теоретическое обоснование седиментационных особенностей донных отложений на стадии их формирования в водохранилищах с прерванной каскадностью. На этой основе выработаны принципиально новые представления о закономерностях формирования вещественного состава донных отложений и условиях его трансформации при антропогенном воздействии.
Наши исследования позволяют сформулировать ряд выводов:
1. Основными факторами, определяющими интенсивность поступления осадкообразующего материала в водохранилища Ангарского
каскада, являются геологическое строение береговой зоны водохранилищ и новый гидрологический режим водохранилищ, их значимость обусловлена особыми физико-географическими условиями региона. Ведущим источником питания водохранилищ осадкообразующим материалом являются абразионные берега (98% от суммы поступления), значительно превосходящим питание материалом речного происхождения.
2. Интенсивное протекание процессов абразии с выработкой абразионных уступов и поступление значительных объемов размытого материала на дно водохранилищ свидетельствуют о нахождении водохранилищ Ангарского каскада в стадии становления их береговой зоны и подводного рельефа.
3. Река Ангара, вытекая из озера Байкал, определяет одну из особенностей питания осадочным материалом головного в каскаде -Иркутского водохранилища, а именно незначительное поступление взвешенных наносов из озера Байкал, что связано с геологическим строением и литологическим составом пород водосборного бассейна озера, рассеянием и осаждением осадочного материала в озере.
4. По способу механического перемещения осадкообразующего материала и условиям его осаждения в водохранилищах каскада донные отложения представлены следующими литодинамическими (генетическими) типами: отложения придонных гидродинамических потоков, гравитационные отложения, отложения вертикальных седиментационных потоков. Каждый литодинамический тип приурочен к определенной морфодинамической зоне, основными из которых являются: прибрежная отмель, подводный склон отмели, затопленные террасы и затопленное русло реки.
5. Осадконакопление в водохранилищах Ангарского каскада имеет принципиальное отличие от осадконакопления в других крупных каскадах. В исследуемых нами водохранилищах отсутствует характерный для водохранилищ на р. Днепр «эффект каскадности» - седиментация большей части осадочного материала в головном водохранилище, и отсутствует широтная зональность в осадконакоплении как в водохранилищах на р. Волге -увеличение осадконакопления от головного к замыкающему водохранилищу.
6. В каждом из водохранилищ Ангарского каскада происходит снижение мощности слоя осадков по направлению к плотинам. Седиментационные и вещественные характеристики донных отложений указывают на пространственную неоднородность темпов осадконакопления внутри каждого водохранилища и формирование донных отложений терригенного класса. Одновременно с типичными для водоемов скоростями осадконакопления имеют место и участки со сверхбыстрым осадконакоплением. Терригенный класс донных осадков представлен двумя структурными типами - обломочные осадки и глинистые осадки. Наибольшее распространение в водохранилищах имеют терригенные обломочные осадки -псаммиты и алевриты.
7. Физико-географические условия (обстановки осадконакопления) определили литолого-геохимическую дифференциацию донных отложений,
проявившуюся в поглубинной вертикальной поясности осадочного материала в исследуемых водохранилищах. Разнос и дифференциация материала, поступающего в водохранилища в результате абразии, а также образование новых типов донных отложений протекают синхронно, при этом вещественная структура осадков не утратила связь с исходным материалом. Смена литодинамических обстановок в водохранилищах Ангарского каскада и направленность литолого-геохимической дифференциации донных отложений развиваются по тем же законам, что и в природных водоемах.
8. Донные отложения водохранилищ являются активными накопителями загрязняющих веществ, в том числе и таких, как тяжелые металлы и биогенные вещества. В донных отложениях заключена полная информация обо всех временных изменениях геоэкологического состояния водохранилищ. При геоэкологической оценке состояния водохранилищ Ангарского каскада были использованы, как наиболее приемлемые, такие показатели: концентрации тяжелых металлов в донных отложениях для выявления уровня техногенной нагрузки, содержание общего фосфора и азота и биогенная нагрузка для определения стадии эвтрофирования водоемов.
9. По уровню загрязнения тяжелыми металлами донные отложения водохранилищ Ангарского каскада являются незагрязненными, техногенная нагрузка металлов на водохранилища остается пока мапоопасной. На общем фоне несколько выделяются область переменного подпора и Верхнеангарский район Братского водохранилища сочетанием слабой и умеренной техногенной нагрузок, создаваемых тяжелыми металлами, что соответствует зоне риска. Иркутское водохранилище - первое в каскаде Ангарских водохранилищ, имеет допустимую биогенную нагрузку и находится вне зоны сильного антропогенного влияния. Высокая внешняя биогенная нагрузка указывает на высокую степень антропогенного эвтрофирования Братского и Усть-Илимского водохранилищ.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Монографии в соавторстве
1. Овчинников Г.И., Карнаухова Г.А. Прибрежные наносы и донные отложения Братского водохранилища. - Новосибирск: Наука. - 1985. - 68 с.
2. Государственный доклад «О состоянии окружающей природной среды Иркутской области в 2000 году». - Иркутск: Изд-во ОАО НПО «Облмашинформ». -2001. - 383 с. (Карнаухова Г.А. Тяжелые металлы в Братском водохранилище. С.193-197; Карнаухова Г.А. Эвтрофирование Братского водохранилища. С.199-202).
Статьи в журналах из списка ВАК
1. Карнаухова Г.А. Лещиков Ф.Н. Аккумулирующая способность Братского водохранилища // География и природные ресурсы. - 1984. - № 2. - С.152-153.
2. Карнаухова Г.А. Объем терригенного материала, поступающего в Братское водохранилище // География и природные ресурсы. - 1985. - № 2. - С.68-71.
3. Карнаухова Г.А. Донные отложения Братского водохранилища // География и природные ресурсы. - 1987. -№ 1. - С. 180-182.
4. Карнаухова Г.А., Лещиков Ф.Н., Ломоносов И.С., Гапон Л.Е. Микроэлементы в донных отложениях Братского водохранилища // География и природные ресурсы. - 1988. -№ 2. - С.178-183.
5. Карнаухова Г.А. Гидродинамический режим как один из факторов формирования донных отложений Братского водохранилища // География и природные ресурсы. - 1990. -№ 1. - С. 114-120.
6. Карнаухова Г.А. Изменение донных отложений и водной среды в зоне выклинивания подпора Братского водохранилища при техногенном воздействии // География и природные ресурсы. - 1992. - № 1. - С.44-49.
7. Карнаухова Г.А. Связь гранулометрического состава донных отложений Братского водохранилища с уровенным режимом водоема // География и природные ресурсы. - 1993. -№ 2. - С.175-177.
8. Карнаухова Г.А., Александрова Н.Ю., Ломоносов И.С., Арсентьева А.Г. Микроэлементы в воде Братского водохранилища // География и природные ресурсы, - 1996,-№ 1.-С.50-55.
9. Карнаухова Г.А. Влияние природно-техногенных факторов на состав вод Братского водохранилища // Геоэкология. Инженерная геология. - 1996. - № 4. -С.41-49.
10.Карнаухова Г.А. Эколого-гидрохимическое состояние воды Братского водохранилища // География и природные ресурсы. - 1997. - № 3. - С.66-74.
11 .Карнаухова Г.А. Литолого-геохимический состав донных отложений как показатель экологического состояния Братского водохранилища // География и природные ресурсы. - 1997 - № 4. - С. 177-179.
12.Карнаухова Г.А. Поступление химических элементов в Иркутское, Братское и Усть-Илимское водохранилища с атмосферными выпадениями // Метеорология и гидрология. - 1997. -№ 3. - С. 109-114.
13. Карнаухова Г.А. Миграция осадочного материала в Братском водохранилище // Метеорология и гидрология. - 1998 -№ 7. - С. 98-104.
М.Карнаухова Г.А. Геохимический состав воды и донных отложений Братского водохранилища // Геохимия. - 1999. - № 1. - С. 51 -56.
15.Карнаухова Г.А. Оценка выноса химических элементов, поступающих в Братское водохранилище // Водные ресурсы. - 1999. - Т.26. - № 3. - С.335-339.
\6.Карнаухова Г.А. Терригенная седиментация в областях переменного подпора Братского водохранилища // Метеорология и гидрология. - 2000. - № 11.-С.86-94.
М.Карнаухова Г.А. Условия формирования донных отложений в Братском водохранилище // Литология и полезные ископаемые. - 2001. -№ 1. - С.87-95.
18.Карнаухова Г.А. Геохимические условия осадконакопления в Братском водохранилище Н Геохимия. - 2002. - № 8. -С.903-908.
Ю.Карнаухова ГА. Гидродинамический механизм седиментогенеза в ангарских водохранилищах // Метеорология и гидрология. - 2003. - № 9. - С. 82-93.
Ю.Карнаухова Г.А. Седиментационная система реки Ангары после зарегулирования стока // ДАН. - 2007. - Т. 413. - № 4. - С.507-509.
21 .Карнаухова ГЛ. Литолого-геохимическая дифференциация донных отложений водохранилищ Ангарского каскада // Геохимия. - 2007. - № 4. - С.439-449.
И.Карнаухова Г.А. Литолого-геохимическая барьерная зона реки Ангары // ДАН. - 2007. - Т.415. - № 2. - С. 223-224.
23. Карнаухова Г.А. Минералогические особенности седиментогенеза в Ангарских водохранилищах // ДАН. - 2007. - Т. 417 - № 6. - С.828-829.
24.Карнаухова Г.А. Гидрохимия Ангары и водохранилищ Ангарского каскада // Водные ресурсы. - 2008. - Т.35. - № 1. - С.72-80.
Статьи в журналах, сборниках, материалах конференции
1. Пуляевский Г.М., Лещиков Ф.Н., Овчинников Г.И., Карнаухова Г.А. О формировании наносов в Братском водохранилище при его наполнении // Труды координационных совещаний по гидротехнике. - Л.: Энергия. - 1974. - № 96. -С.105-117.
2. Карнаухова Г.А. Гидроэкология: фосфорная нагрузка и эвтрофирование Братского водохранилища // Инженерная экология. - 1998 - № 6. - С. 25-32.
3. Карнаухова Г.А. Гидроэкология: степень загрязнения Братского водохранилища тяжелыми металлами // Инженерная экология. - 2001 - № 4. -С. 15-24.
4. Карнаухова Г.А. Влияние некоторых факторов на изменение объемного веса донных отложений Братского водохранилища // Круговорот вещества и энергии в водоемах. - Иркутск. - 1981. - Вып. IV. - С.153-154.
5. Карнаухова Г.А., Лещиков Ф.Н. К прогнозу заиления Братского водохранилища при низком уровне // Изменения геологической среды и их прогноз. - Новосибирск: Наука. - 1985. - С.103-108.
6. Карнаухова Г.А. Роль течений в образовании донных отложений // Техногенные изменения геологической среды. - Иркутск: ИЗК СО АН СССР. -1988. - С.21-24.
7. Карнаухова Г.А. Геохимическая составляющая материала, поступающего в Братское водохранилище // Современные проблемы экологии, природопользования и ресурсосбережения Прибайкалья. - Иркутск: «На Чехова». - 1998. - С.36-37.
8. Карнаухова Г.А. Динамика гидрохимического состава Братского водохранилища // Водные ресурсы Байкальского региона: проблемы формирования и использования на рубеже тысячелетий. - Иркутск: ИГ СО РАН. -Т. 1. - 1998. - С.206-208.
9. Карнаухова Г.А. Мониторинг загрязнения Братского водохранилища тяжелыми металлами // Водные ресурсы Байкальского региона: проблемы формирования и использования на рубеже тысячелетий. - Иркутск: ИГ СО РАН. -Т. 1.- 1998.-С.208-210.
Ю.Карнаухова Г.А., Дрюккер В.В., Коваль П.В. Загрязнение основных компонентов природной среды водохранилищ Ангарского каскада ГЭС // Проблемы комплексного использования водных ресурсов ангарских водохранилищ. - М.: Московский обществ.-научн.фонд. - 2000. - С.94-105.
11. Карнаухова Г.А., Кашик С.А. Изменение некоторых показателей химического состава воды ангарских водохранилищ за период их эксплуатации // Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетия. - Томск: Изд-во НТЛ. - 2000. - С.123-126.
М.Карнаухова Г.А. Геохимический состав донных отложений Братского водохранилища // Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетия. - Томск: Изд-во НТЛ. - 2000. - С.119-122.
13 .Карнаухова Г.А. Некоторые геоэкологические проблемы Братского водохранилища II Сергеевские чтения / Мат-лы годичной сессии Научного Совета РАН по проблемам геоэкологиии, инженерной геологии и гидрогеологии 23-24 марта 2000 г. - М. :ГЕОС. - 2000. - С. 147-151.
\А.Карнаухова Г.А. Региональные изменения содержания тяжелых металлов в Братском водохранилище // Сергеевские чтения / Мат-лы годичной сессии Научного Совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии 21-22 марта 2002 г. - М.: ГЕОС - 2002. - Вып. 4. - С.298-301.
\5.Карнаухова Г.А. Роль гидродинамики в процессах осадконакопления в ангарских водохранилищах // Геология, геохимия и геофизика на рубеже XX и XXI веков. - Иркутск: ИЗК СО РАН. - 2002. - С.53-55.
ХЬ.Карнаухова Г.А. Влияние гидродинамических условий на характер накопления химических элементов в водохранилищах ангарского каскада // Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы. - М.: Изд-во МГУ. - 2002. - С.219-220.
11 .Карнаухова Г.А Основные источники поступления терригенного материала в Братское водохранилище // Терригенные осадочные последовательности Урала и сопредельных территорий: седименто- и литогенез, минерагения. - Екатеринбург: Ин-т геологии и геохимии УрО РАН. - 2002. - С. 86-88.
\%.Карнаухова Г.А. Антропогенное воздействие на состав воды и донных отложений Братского водохранилища // Теоретические и прикладные проблемы современной лимнологии. - Минск: Издательский центр БГУ. - 2003. - С.342-344.
19.Карнаухова Г.А. Литогеохимические условия формирования состава водных масс Ангарских водохранилищ // Фундаментальные проблемы гидрогеохимии. -Томск: НТЛ. - 2004. - С. 156-160.
Ю.Карнаухова Г.А. Гидродинамика и седиментогенез в Ангарских водохранилищах // Закономерности строения и эволюции геосфер. - Хабаровск: ДВО РАН. - 2004. - С.322-330.
21 .Карнаухова Г.А. Региональные факторы формирования качества воды Ангарских водохранилищ // Мат-лы XII совещ. географов Сибири и Дальнего Востока. - Владивосток: ТОИГ ДВО РАН. - 2004. - С. 183-185.
И.Карнаухова Г.А. Баланс тяжелых металлов в водохранилищах Ангарского каскада // Фундаментальные проблемы изучения и использования воды и водных ресурсов. - Иркутск: Изд-во ИГ СО РАН. - 2005. - С.89-91.
23.Карнаухова Г.А. Влияние областей переменного подпора на состав воды водохранилищ // Фундаментальные проблемы изучения и использования воды и водных ресурсов. - Иркутск: Изд-во ИГ СО РАН. - 2005. - С.89-91.
24.Карнаухова Г.А. Седиментосистема реки Ангары после зарегулирования стока // Литологические аспекты геологии слоистых сред. - Екатеринбург: ИГГ УрО РАН.-2006.-С.111-113.
25 .Карнаухова Г.А. Процессы осадконакопления в водохранилищах Ангарского каскада // Осадочные процессы: седиментогенез, литогенез, рудогенез - М.: ГЕОС. - 2006. - Т.1.-С. 93-95.
26.Карнаухова Г.А. Роль состава абрадируемых пород в литогеохимической дифференциации донных отложений водохранилищ Ангарского каскада // Осадочные процессы: седиментогенез, литогенез, рудогенез. - М.: ГЕОС. - 2006. -Т. 1.-С.ЗЗ 1-333.
27.Карнаухова Г.А. Степень техногенной нагрузки на донные отложения водохранилищ Ангарского каскада как показатель их геоэкологического состояния // Проблемы геохимии эндогенных процессов и окружающей среды / Материалы конф. - Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН. -2007. - Т. 1. - С.171-174.
2%.Карнаухова Г.А. Минералогическая специфика седиментогенеза в водохранилищах Ангарского каскада // Типы седиментогенеза и литогенеза и их эволюция в истории Земли / Материалы 5-го Всеросс. литолог. совещ. Т. 1. -Екатеринбург: ИГГ УрО РАН. - 2008. С.280-282.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
ОГЛАВЛЕНИЕ СПИСОК РИСУНКОВ СПИСОК ТАБЛИЦ ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ И СПОСОБЫ ЕЕ РЕШЕНИЯ
1.1. Фундаментальные работы, являющиеся базой для понимания процессов осадконакопления в водоемах
1.2. Основные направления и результаты исследования формирования донных отложений в искусственных водоемах
1.3. Региональная изученность водохранилищ
1.4. Выводы по главе
Глава 2. ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Исследования процессов осадкообразования в водохранилищах
2.1.1. Методы экспедиционных исследований
2.1.2. Методы лабораторных исследований
2.1.3. Способы обработки и представления результатов
2.2. Выводы по главе
Глава 3. УСЛОВИЯ И ФАКТОРЫ ОСАДКООБРАЗОВАНИЯ В ВОДОХРАНИЛИЩАХ АНГАРСКОГО КАСКАДА
3.1. Местоположение и морфометрические характеристики водохранилищ Ангарского каскада
3.2. Климатические условия
3.3. Водный сток и водообмен водохранилищ Ангарского каскада
3.4. Влияние уровенного режима
3.5. Деятельность волн и течений
3.5.1. Стоковые течения
3.5.2. Волновой режим и ветровые течения
3.6. Режим эксплуатации водохранилищ Ангарского каскада
3.7. Выводы по главе
Глава 4. ИСТОЧНИКИ ПИТАННЯ ВОДОХРАНИЛИЩ АНГАРСКОГО
КАСКАДА ОСАДОЧНЫМ МАТЕРИАЛОМ
4.1. Поступление осадочного материна из озера Байкал
4.2. Поступление осадочного материала в составе речного стока
4.3. Абразионные берега водохранилищ как источник осадочного материала
4.3.1. Абразионные процессы в береговой зоне водохранилищ
4.3.2. Состав пород, слагающих абразионные береговые уступы
4.3.3. Поступление химических элементов в водохранилища в результате абразии пород береговой зоны
4.4. Интенсивность питания водохранилищ осадочным материалом
4.5. Выводы по главе
Глава 5. СОСТАВ ВОДЫ В ВОДОХРАНИЛИЩАХ АНГАРСКОГО КАСКАДА
5.1. Распределение взвешенных веществ в воде водохранилищ
5.2. Химический состав воды водохранилищ
5.3. Химический состав воды в области переменного подпора п Верхнеангарском районе Братского водохранилища
5.4. Выводы по главе
Глава 6. ОСАДКООБРАЗОВАНИЕ И ТИПЫ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В ВОДОХРАНИЛИЩАХ АНГАРСКОГО КАСКАДА
6.1. Перенос и седиментация осадочного материала
6.2. Темпы осадконакопления и мощность осадков в водохранилищах
6.3. Литологические типы донных отложений
6.4. Область переменного подпора и Верхиеапгарский район Братского водохранилища как часть седиментосистемы реки Ангары
6.5. Выводы по главе
Глава 7. СОСТАВ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В ВОДОХРАНИЛИЩАХ АНГАРСКОГО КАСКАДА
7.1. Гранулометрический состав донных отложений
7.2. Минералогия донных отложений
7.3. Геохимический состав донных отложений
7.4. Литолого-геохимическая дифференциации осадочного материала в водохранилищах
7.5. Выводы по главе
Глава 8. ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДОХРАНИЛИЩ АНГАРСКОГО КАСКАДА
8.1. Уровень загрязнения донных отложений тяжелыми металлами
8.2. Биогенная нагрузка и эвтрофирование водохранилищ
8.3. Выводы по главе ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Подписано к печати 20.03.2009 г. Формат 60*84/16. Объем 2,0 п.л. Тираж 150 экз. Заказ № 434. Издательство Института географии им. В.Б Сочавы СО РАН 664033 г. Иркутск, ул. Улан-Баторская, 1
Содержание диссертации, доктора географических наук, Карнаухова, Галина Александровна
СПИСОК РИСУНКОВ.
СПИСОК ТАБЛИЦ.
ВВЕДЕНИЕ.
Глава 1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ И СПОСОБЫ ЕЕ РЕШЕНИЯ.
1.1. Фундаментальные работы, являющиеся базой для понимания процессов осадконакопления в водоемах.
1.2. Основные направления и результаты исследования формирования донных отложений в искусственных водоемах.
1.3. Региональная изученность водохранилищ.
1.4. Выводы по главе.
Глава 2. ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ.
2.1. Исследования процессов осадкообразования в водохранилищах.
2.1.1. Методы экспедиционных исследований.
2.1.2. Методы лабораторных исследований.
2.1.3. Способы обработки и представления результатов.
2.2. Выводы по главе.
Глава 3. УСЛОВИЯ И ФАКТОРЫ ОСАДКООБРАЗОВАНИЯ В ВОДОХРАНИЛИЩАХ АНГАРСКОГО КАСКАДА.
3.1. Местоположение и морфометрические характеристики водохранилищ Ангарского каскада.
3.2. Климатические условия.
3.3. Водный сток и водообмен водохранилищ Ангарского каскада.
3.4. Влияние уровенного режима.
3.5. Деятельность волн и течений.
3.5.1. Стоковые течения.
3.5.2. Волновой режим и ветровые течения.
3.6. Режим эксплуатации водохранилищ Ангарского каскада.
3.7. Выводы по главе.
Глава 4. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ВОДОХРАНИЛИЩ АНГАРСКОГО КАСКАДА ОСАДОЧНЫМ МАТЕРИАЛОМ.
4.1. Поступление осадочного материала из озера Байкал.
4.2. Поступление осадочного материала в составе речного стока.
4.3. Абразионные берега водохранилищ как источник осадочного материала.
4.3.1. Абразионные процессы в береговой зоне водохранилищ.
4.3.2. Состав пород, слагающих абразионные береговые уступы.
4.3.3. Поступление химических элементов в водохранилища в результате абразии пород береговой зоны.
4.4. Интенсивность питания водохранилищ осадочным материалом.
4.5. Выводы по главе.
Глава 5. СОСТАВ ВОДЫ В ВОДОХРАНИЛИЩАХ АНГАРСКОГО
КАСКАДА.
5.1. Распределение взвешенных веществ в воде водохранилищ.
5.2. Химический состав воды водохранилищ.
5.3. Химический состав воды в области переменного подпора и Верхнеангарском районе Братского водохранилища.
5.4. Выводы по главе.
Глава 6. ОСАДКООБРАЗОВАНИЕ И ТИПЫ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В
ВОДОХРАНИЛИЩАХ АНГАРСКОГО КАСКАДА.
6.1. Перенос и седиментация осадочного материала.
6.2. Темпы осадконакопления и мощность осадков в водохранилищах.
6.3. Цитологические типы донных отложений.
6.4. Область переменного подпора и Верхнеангарский район Братского водохранилища как часть седиментосистемы реки Ангары.
6.5. Выводы по главе.
Глава 7. СОСТАВ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В ВОДОХРАНИЛИЩАХ АНГАРСКОГО КАСКАДА.
7.1. Гранулометрический состав донных отложений.
7.2. Минералогия донных отложений.
7.3. Геохимический состав донных отложений.
7.4. Литолого-геохимическая дифференциации осадочного материала в водохранилищах.
7.5. Выводы по главе.
Глава 8. ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДОХРАНИЛИЩ АНГАРСКОГО КАСКАДА.:.
8.1. Уровень загрязнения донных отложений тяжелыми металлами.
8.2. Биогенная нагрузка и эвтрофирование водохранилищ.
8.3. Выводы по главе.
Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Процессы осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада"
Актуальность работы. Создание искусственных водохранилищ в последние десятилетия ХХ-го века явилось одним из важнейших факторов преобразования природной среды, хозяйства и условий жизни населения на планете в относительно короткий промежуток времени. В этом отношении особенно показателен пример Восточной Сибири, где создана самая крупная на Земле искусственная водная система - Байкало-Ангаро-Енисейская гидроэнергосистема, ключевую роль в ней играют водохранилища Ангарского каскада.Водохранилища Ангарского каскада, в которых заключены огромные массы пресной воды, одного из важнейших источников жизни на Земле, включенные в сферу интенсивного хозяйственного использования, испытывают активное влияние антропогенного фактора. На водосборной площади и в прибрежной зоне водохранилищ расположены основные промышленные и сельскохозяйственные предприятия, проживает большая часть населения Иркутской области. Значительная часть продуктов антропогенеза, в том числе и опасных загрязняющих веществ (тяжелые металлы, биогенные вещества), попадает в водохранилища, где основная масса их накапливается в донных отложениях. В результате физические, химические и биологические процессы, происходящие как на водосборе, так и в самих водохранилищах, накладывают отпечаток на ход процессов осадкообразования, состав и свойства донных отложений, определяют геоэкологическое состояние водохранилищ Донные отложения, являясь активными накопителями загрязняющих веществ, заключают в себе полную информацию обо всех временных изменениях геоэкологического состояния водохранилищ. Необходимость оценки геоэкологического состояния и прогноза их дальнейшего функционирования в условиях антропогенного воздействия инициируют исследование процессов осадкообразования в искусственных водоемах.Изучение вопросов миграции и седиментации загрязняющих веществ в водоемах позволяет считать, что донные отложения накапливают всю информацию об антропогенном воздействии на водоем за весь период его существования, поэтому их можно рассматривать как банк информации о состоянии окружающей среды [Forstner, Witmann. 1981; Hakanson, 1984, Усенков и др., 1997]. Данные положения дают основание считать изучение процессов осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада, одном из крупнейших в мире каскадов, исключительно актуальным как в теоретическом, так и прикладном плане.Объектом исследований являются водохранилища Ангарского каскада.Предметом исследований являются процессы осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада на стадии седиментогенеза.Цель исследований. Цель работы заключается в изучении закономерностей осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада, выявлении особенностей формирования донных отложений и их вещественных характеристик.В ходе исследования для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи: 1. Изучить условия и основные факторы осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада. Установить основные источники поступления осадочного материала. Выявить черты сходства и различия в условиях подготовки осадкообразующсго материала, его переноса и осаждения в водохранилищах.2. Провести типизацию донных отложений в водохранилищах Ангарского каскада на основе результатов изучения гидродинамики, состава донных отложений и пространственной изменчивости этих показателей.3. Исследовать особенности формирования вещественного состава донных отложений в водохранилищах Ангарского каскада.4. Дать оценку геоэкологического состояния водохранилищ Ангарского каскада по уровню биогенной нагрузки и нагрузки тяжелыми металлами на донные отложения.Фактический материал и методы исследований. Методологическую основу исследований особенностей процессов осадкообразования в искусственных водоемах подготовили фундаментальные работы Н.М.Страхова, Б.Рухина, Л.В.Пустовалова, А.П.Лисицына, Н.В.Логвиненко, И.Романовского, И.О. Мурдмаа, В.Н.Холодова, включающие исследование условий седиментации, зависимостей между структурой и составом осадков. Данный подход успешно был применен и реализован автором диссертации на водохранилищах Ангарского каскада. В диссертации с единых позиций проанализирована ц обобщена имеющаяся информация о донных отложениях водохранилищ Ангарского каскада.Методы проведения исследований включали экспедиционные и лабораторноаналитические работы. Экспедиционные исследования были комплексными и представляли ежегодный мониторинг в период открытой воды по 33 опорным поперечным профилям на р. Ангаре и Братском водохранилище, эпизодические наблюдения - по 4 профилям на Иркутском и по 6 профилям на Усть-Илимском водохранилищах. Для детализации пространственной неоднородности полей концентрации осадочного материала дополнительно к профильному отбору проводился отбор по системе компартментов. Исследования включали отбор проб воды и образцов донных отложений по опорным профилям, промерно-инструментальные наблюдения за процессами абразии в береговой зоне водохранилищ с отбором образцов пород береговых уступов, измерения скорости и направления течений, высоты и периода волн. Дополнительно летом 1991г. производился сбор проб атмосферных выпадений.Отобрано более 3000 проб воды, около 60 проб дождевых и пылевых выпадений.Опробовано более 5000 точек на дне и отобрано более 2700 образцов донных отложений, более 500 образцов с прибрежных отмелей. Взято около 600 образцов пород, слагающих береговые уступы.Лабораторно-аналитические работы включали определение гранулометрического, минералогического и химического состава образцов донных отложений, пород береговых уступов и проб воды. Гранулометрический состав выполнялся ситовым, пипеточным, комбинированным методами и методом Сабанина.Просмотр под микроскопом частиц алевритовой размерности давал минералогический состав. Глинистые минералы определялись количественным рентгенофазовым анализом на дифрактометре ДРОН-3.0. Определение химического состава включало методы традиционного полного химического анализа, рентгенофлуоресцентный, эмиссионный спектральный, атомно-абсорбционный методы и метод индуктивно связанной плазмы.Защищаемые положения; 1. Интенсивность питания водохранилищ Ангарского каскада абразионным материалом значительно превосходит питание материалом речного происхождения, что обусловлено комплексом особых физико-географических условий региона.2. Незавершенность процесса становления береговой зоны и подводного рельефа водохранилищ Ангарского каскада проявляется в пространственной неоднородности темпов осадконакопления и типах донных отложений.3. Гидрологические процессы и состав осадкообразующего материала питающих источников отражаются в новых, закономерно построенных комплексах донных отложений водохранилищ Ангарского каскада, вещественные характеристики которых не утратили связь с исходным материалом 4. Геоэкологическое состояние водохранилищ Ангарского каскада отражают донные отложения, которые являются наиболее стабильным и представительным показателем антропогенного воздействия. концентрации осадочного материала дополнительно к профильному отбору проводился отбор по системе компартментов. Исследования включали отбор проб воды и образцов донных отложений по опорным профилям, промерно-инструментальные наблюдения за процессами абразии в береговой зоне водохранилищ с отбором образцов пород береговых уступов, измерения скорости и направления течений, высоты и периода волн. Дополнительно летом 1991г. производился сбор проб атмосферных выпадений.Отобрано более 3000 проб воды, около 60 проб дождевых и пылевых выпадений.Опробовано более 5000 точек на дне и отобрано более 2700 образцов донных отложений, более 500 образцов с прибрежных отмелей. Взято около 600 образцов пород, слагающих береговые уступы.Лабораторно-аналитические работы включали определение гранулометрического, минералогического и химического состава образцов донных отложений, пород береговых уступов и проб воды. Гранулометрический состав выполнялся ситовым, пипеточным, комбинированным методами и методом Сабанина.Просмотр под микроскопом частиц алевритовой размерности давал минералогический состав. Глинистые минералы определялись количественным рентгенофазовым анализом на дифрактометре ДРОН-3.0. Определение химического состава включало методы традиционного полного химического анализа, рентгепофлуоресцентный, эмиссионный спектральный, атомно-абсорбционный методы и метод индуктивно связанной плазмы.Защищаемые положения: 1. Интенсивность питания водохранилищ Ангарского каскада абразионным материалом значительно превосходит питание материалом речного происхождения, что обусловлено комплексом особых ., • > физико-географических условий региона.2. Незавершенность процесса становления береговой зоны и подводного рельефа водохранилищ Ангарского каскада проявляется в пространственной неоднородности темпов осадконакопления и типах донных отложении.3. Гидрологические процессы и состав осадкообразующего материала питающих источников отражаются в новых, закономерно построенных комплексах донных отложений водохранилищ Ангарского каскада, вещественные характеристики которых не утратили связь с исходным материалом 4. Геоэкологическое состояние водохранилищ Ангарского каскада отражают донные отложения, которые являются наиболее стабильным и представительным показателем антропогенного воздействия.Научная новизна работы заключается в следующем: 1. На основе собственных и литературных данных определена роль физикогеографических условий региона в формировании источников поступления осадкообразующего материала в водохранилища. Установлено, что основное поступление осадкообразующего материала происходит за счет абразии пород береговых уступов водохранилищ.2. Исследованы особенности процессов осадкообразования и формирования типов донных отложений в водохранилищах Ангарского каскада, связанные как с физико-географическими, так и с техногенными условиями среды осадконакопления.3. Установлена высокая пространственная неоднородность темпов осадконакопления в водохранилищах Ангарского каскада, где присутствуют участки со сверхбыстрыми скоростями осадконакопления.4. Определен характер взаимодействия минерального и элементного составов формирующихся донных отложений со структурно-вещественным составом материала питающего источника и гидродинамикой среды осадконакопления. Установлена литолого-геохимическая дифференциации донных отложении водохранилищ Ангарского каскада.5. Впервые дана оценка геоэкологического состояния водохранилищ Ангарского каскада и интенсивности их загрязнения на основе содержания тяжелых металлов и биогенных веществ в донных отложениях водохранилищ.Теоретическая и практическая значимость полученных результатов.Теоретическое значение выполненного исследования заключается в исследовании водохранилищ как современных седиментационных бассейнов, является новым этапом в развитии теории гидрологии. Такие исследования включают изучение физико-географических условии формирования и структуры донных отложений водохранилищ, исследование процессов как на водосборном бассейне, питающем их осадочным материалом, так и процессов в самих котловинах водохранилищ, т.е. изучается как сам гидрологический объект, так и объекты, окружающие его.Выполненные исследования вносят вклад в понимание закономерностей осадкообразования и формирования структурно-вещественных характеристик донных отложений искусственных водоемов суши.С практической точки зрения, проведенные исследования позволяют наиболее рационально подойти к оценке геоэкологического состояния водохранилищ Ангарского каскада для выявления масштабов загрязнения и возможных путей снижения антропогенных нагрузок. Материалы диссертанта использованы в Государственных докладах «О состоянии окружающей природной среды Иркутской области в 2000 году», «О состоянии окружающей природной среды Иркутской области в 2001 году».Личный вклад автора. Диссертационная работа является самостоятельным научным трудом, основанным на результатах как личных полевых и лабораторных исследований, так и опубликованных данных других авторов, фондовых материалов ИЗК СО РАН и ИМТУГМС. Фактический материал собран лично автором или при его непосредственном участии во время полевых работ в составе экспедиций и отрядов Института земной коры СО РАН в 1972-2003 годах.Данная работа выполнялась в соответствии с планами НИР Института земной коры СО РАН, по Российско-канадскому проекту «Управление водными ресурсами в бассейне реки Ангары» (1998-2000гг.), по научному проекту «Сравнительная геохронология, магматизм и литогенез мезо-кайнозоя Внутренней и Восточной Азии» программы 26.2 СО РАН (2004-2006гг.), по научному проекту «Эволюция седиментогенеза, биоценозов, магматизма и рудообразования в мезозое и кайнозое Внутренней и Восточной Азии». Исследования проводились также в рамках инициативных проектов, поддержанных РФФИ (гранты 98-05-64415; 01-05-64085; 0105-97211), в которых автор являлся руководителем.Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались автором на 13 региональных, 12 всесоюзных и 8 международных конференциях, совещаниях и симпозиумах. В их числе: 4-е Всесоюзное совещание по изучению берегов сибирских водохранилищ (Якутск, 1976); V совещание по изучению берегов сибирских водохранилищ (Иркутск, 1980); «Круговорот вещества и энергии в водоемах» (Иркутск, 1982); «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды» (Томск, 1995); «Закономерности эволюции земной коры» (Санкт-Петербург, 1996); «Геохимия ландшафтов, палеоэкология человека и этногенез» (Улан-Удэ, 1999); «Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетия» (Томск, 2000); «Сергеевские чтения» (Москва, 2000, 2002); Enviromis-2002: «Измерения, моделирование и информационные системы как средства снижения загрязнений на городском и региональном уровнях» (Томск, 2002); «Терригенные осадочные последовательности Урала и сопредельных территорий: седименто- и литогенез, минерагения» (Екатеринбург, 2002); «Теоретические и прикладные проблемы современной лимнологии» (Минск, 2003); «Закономерности строения и эволюции геосфер» (Хабаровск, 2003); «Фундаментальные проблемы гидрогеохимии» (Томск, 2004); «Фундаментальные проблемы изучения и использования воды и водных ресурсов» (Иркутск, 2005); «Осадочные процессы: седиментогенез, литогенез, рудогенез» (Москва, 2006); 7-е Уральское литологическое совещание (Екатеринбург, 2006); «Проблемы геохимии эндогенных процессов и окружающей среды» (Иркутск, 2007); «Типы седиментогенеза и литогенеза и их эволюция в истории Земли» (Екатеринбург, 2008); Проблемы экологической геохимии в XXI веке» (Минск, 2008).Публикации. По теме данного исследования автором опубликовано 74 работы, в том числе 24 статьи (из них 13 статей, рекомендованных для докторских диссертаций) - в журналах из списка ВАК, 2 монографии в соавторстве.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав и заключения. Общий объем 319 страниц, в состав которого входят 66 рисунков, 99 таблиц. Список литературы включает 364 наименования.Благодарности. За творческую поддержку автор благодарен научному консультанту член-корреспонденту РАН, профессору Е.В.Склярову, академикам РАН А.П.Лисицыну, Г.Г.Матишову, Ф.А.Летникову. На разных этапах исследований автор пользовался консультациями своих коллег А. Кашика, Б.П.Агафонова, A.PL Мельникова, Т.М.Сковитиной, И.Г.Бараша, И.Б.Шенькман. Всем им моя искренняя благодарность и признательность.
Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Карнаухова, Галина Александровна
3.7. Выводы по главе
Анализ природных условий позволяет сделать заключение, что особенности этих условий оказывают большое влияние на предмет наших исследований - процессы осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада на стадии седиментогенеза. Во-первых, бассейн водохранилищ расположен в южной части Средне-Сибирского плоскогорья и включает также значительную часть северных склонов Восточного Саяна, что определяет геологическое строение водосборного бассейна и береговой зоны водохранилищ, а также характер затопленного рельефа и рельефа прилегающей к водохранилищам территории.
Во-вторых, климат региона с холодным периодом с ноября по апрель, с преобладанием резких колебаний температуры воздуха как между холодным и теплым периодами, так и внутри суточными перепадами, при годом количестве осадков от 320 до 560 мм, способствуют, в условиях периодического подтопления, изменению прочностных свойств пород, слагающих берега водохранилищ. Преобладающее направление ветра северо-западное и западное. Среднемесячные скорости ветра незначительны, составляя 1,7-2,7 м/сек. Ветры со скоростью 10 м/сек и более наблюдаются очень редко. В навигационный период наиболее штормовыми (скорость ветра 8 м/с и более) являются сентябрь-октябрь. Климатические условия рассматриваемого региона способствуют загрязнению атмосферы с последующим выведением загрязняющих веществ в составе атмосферных выпадений на поверхность водохранилищ.
В-третьих, Иркутское водохранилище, осуществляя суточное и недельное и отчасти сезонное регулирование стока, является транзитным для воды озера Байкал. Водообмен в водохранилище происходит 24-28 раз в год. Братское водохранилище, будучи водоемом многолетнего регулирования, осуществляет водообмен один раз в два года, что приводит к интенсивной внутриводоемной трансформации поступающего осадочного материала. Усть-Илимское водохранилище является водоемом сезонного регулирования, имеет небольшой полезный объем, который срабатывается и восстанавливается ежегодно, что способствует самой большей, среди исследуемых водохранилищ, величине взвешенного материала, сбрасываемого в нижний бьеф. Эта величина превышает поступление материала из Братского водохранилища.
С созданием водохранилищ система постоянных течений ослабла, из комплекса гидродинамических движении ведущими стали волнения, большую роль начинают играть временные, ветровые течения. Роль гидродинамических факторов в водохранилищах Ангарского каскада проявляется в контроле за абразионными и седиментационными процессами. Однако, на Иркутском водохранилище волновые процессы имеют слабую и умеренную активность. Основным элементом гидродинамики, обеспечивающим миграцию осадочного материала в водохранилище, являются стоковые течения. Наибольшее проявление волновых процессов характерно для Братского и Усть-Илимского водохранилищ. На водохранилищах существуют резкие различия в характере течений прибрежной и глубоководной зон. В зоне прибоя, занимающей при слабом и умеренном волнении часть прибрежной отмели или при максимальном волнении - всю отмель, характер течений определяется волнением. Для глубоководной зоны водохранилищ характерны ветро-волновые и стоковые течения.
В периоды ветроволновой активности в водной толще Ангарских водохранилищ возникает механическая стратификация течений и формирование слоев, отвечающих определенным динамическим состояниям частиц осадочного материала, - слой взмучивания и переноса, слой переноса, слой седиментации. Слой взмучивания и переноса соответствует глубине проникновения волн (волновой базе), перемещение взвешенного материала в большей части слоя происходит по направлению действия волн. В слое переноса осадкообразующпй материал перемещается по направлению к плотине, а в слое седиментации происходит его осаждение из вертикальных седиментационных потоков.
Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора географических наук, Карнаухова, Галина Александровна, Иркутск
1. Поступление осадочного материала из озера Байкал
2. II 1П IV V VI УП VIII IX X XI ХПмесяц
3. Рис. 7. Водный сток Гидрометеорологический., 1980. и сток взвешенных наносов из озера Байкал в Иркутское водохранилище в средний по водообмену год
4. Рис. 8. Водный сток Гидрометеорологический., 1980. и сток взвешенных наносов (тыс.т) из Иркутского водохранилища в средний по водообмену год
-
Карнаухова, Галина Александровна
-
доктора географических наук
-
Иркутск, 2009
-
ВАК 25.00.27
- Условия формирования и долговременные изменения экстремальной водности в бассейне реки Селенги
- Геоморфологические особенности формирования берегов водохранилищ Даугавского каскада
- Осадкообразование в водохранилищах Волжского каскада
- Антропогенная трансформация геосистем Приангарья
- Фитопланктон водоемов Ангары
