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 1991 г. 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 1991 г. 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 98−05−64 415- 01−05−64 085- 0105−97 211), 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: седиментои 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.

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.