ЭКОЛОГО-ГИДРОМОРФОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ БЕРЕГОЗАЩИТНЫХ ЭКОСИСТЕМ НА КРУПНЫХ РАВНИННЫХ ВОДОХРАНИЛИЩАХ
Рассмотрены проблемы улучшения технического и экологического состояния крупных равнинных водохранилищ, важнейшей из которых является защита прибрежных территорий. С эколого-гидроморфологических позиций проанализированы процессы формирования берегов водохранилищ. Предлагаются приемы и методы защиты, позволяющие максимально использовать экосистемные гидроморфологические особенности берегов и проводить берегозащитные мероприятия для повышения их эффективности и сохранения биоразнообразия.
В связи с тем, что строительство крупных равнинных водохранилищ сопровождается поднятием уровней воды, а значит, и местных базисов эрозии, как сопутствующие явления возникают обширные зоны затопления и подтопления земель, формирования берегов и повышения эрозионной активности на склонах. Ареалы распространения этих явлений определяют зону влияния вновь образованного водохранилища на прилегающие к нему территории. С другой стороны, на этих территориях формируется зона влияния суши на водохранилище, в первую очередь, в виде органических и минеральных загрязнений, которые вместе с плоскостным и линейным поверхностным стоком, грунтовыми водами и, в меньшей мере, воздушным выносом поступают в акваторию и загрязняют ее. Прилегающая суша, которая активно влияет на экологическое состояние водного объекта и испытывает существенное влияние водных масс этого объекта, получила название «водоохранная зона» (дальше - ВЗ) [3-6].
Для ограничения и ликвидации вредного воздействия на водоемы в пределах ВЗ проводятся мероприятия по перехвату и ликвидации загрязненных вод, в первую очередь - это соответствующие агролесомелиоративные мероприятия и регламентация хозяйственной деятельности. В результате проведения таких мер ВЗ становится средством охраны вод и сохранения экосистемы водного объекта. Вместе с тем сама территория ВЗ испытает значительное влияние как водных масс водохранилища, так и аккумулированных здесь загрязнений и, таким образом, становится объектом охраны. Такой барьерный переходной и вместе с тем особый статус ВЗ позволяет отнести ее к экотону, т. е. переходной зоне между двумя соседними экосистемами суши и воды [27]. Особенности ВЗ как экотона рассмотрены в других наших роботах [9; 13; 14], здесь же отметим, что зона формирования берегов водохранилища также входит в этот экотоп.
Зона формирования новых берегов водохранилищ после их наполнения охватывает прилегающие к урезу воды склоны террас и коренные склоны затопленной долины реки [3]. Эта зона получила название «береговая зона» (дальше - БЗ). Ведущие факторы формирования БЗ объединяются под названием «береговые процессы», которые включают процессы разрушения существующего рельефа действием волн (абразия), стоковых течений (эрозия), поперек и вдоль береговых ветроволновых течений (размыв, транспорт и аккумуляция наносов). В связи с подрезкой склонов на них возникают водно-гравитационные разрушающие процессы - оползни, обвалы, оссовы, осыпи и т.п. Размытые и обваленные в зону уреза воды породы перемещаются течениями воды в зоны аккумуляции вдоль берега и в сторону ложа, а мелкие частицы пород взвешиваются водой и образовывают взвеси [21; 28].
Масштабы береговых процессов на водохранилищах бывшего СССР можно оценить по данным А.Б. Авакяна [2] и С.Л. Вендрова [1]. Так, в частности, протяжность абразионных берегов на крупных равнинных водохранилищах бывшего СССР (46 штук) достигала 15 тыс. км при общей протяжности береговой линии около 40 тыс.км. Ежегодные объемы разрушения этих берегов составляли по ориентировочным подсчетам 230-270 млн м3 [1].
Основные положения эколого-гидроморфологического анализа берегов водохранилищ
Многолетние исследования автора и анализ публикаций позволили сформулировать следующие основные подходы к эколого-гидроморфологическим исследованиям берегов водохранилищ.
Зона формирования берегов водохранилища (дальше - береговая зона) - это новое образование на урезе воды в водохранилище, которое состоит из надводного и подводного склонов, охваченных береговым процессом (рис.1). В вертикальной плоскости береговой процесс проявляется в обваливании, осыпании, сползании под влиянием водно-гравитационных процессов материалов, которыми сложены надводные склоны, к линии уреза воды, сортировке и следующем перемещении этого материала в сторону ложа по поверхности подводного берегового склона с помощью волновых поперечных течений воды. Основными факторами размыва подводных и надводных склонов берега выступают волны и вызванные их разрушением течения, стоковые течения, геологическое строение и рельеф береговой зоны. Сочетания этих факторов создают комбинации гидро-, reo-, морфо- и литодинамики, которые и определяют тип и направленность развития береговой зоны. Аккумуляция размытого материала частично происходит возле подножия склонов, частично на поверхности отмели и за ее внешним краем (рис.1). Береговая зона является составной частью экосистемы прибрежного экотона водохранилища (ВЗ) как элемент его биотопической структуры.
АВ - побережье; В - вершина берегового уступа; D il)¡) - подошва берегового уступа; BCDF (BCDjF) -надводный береговой склон (берег); CDD[ - обвал (осыпь); ¡)1<1;,1), - пляж (береговой бар или вал); FGHL -подводный береговой склон; FD - зона наката (заплеска) волн; FFfiH - береговая отмель; G - граница абразионной и аккумулятивной частей отмели; GF} - абразионная часть отмели (бенч); (¡ПК - аккумулятивная часть отмели; H - внешний край отмели; HKL - шлейф из прибрежных осадков; LM - дно; УВ - уровень воды; 1 - исходный профиль берега; 2 - потоки наносов; 3 - обвал (осыпь); 4 - пляж; 5 - отмель; 6 - шлейф из осадков;
7 - коренной склон
Вдоль берега (в плане) сразу после заполнения водохранилища начинается абразионное выравнивание береговой линии (линии уреза воды), которое проявляется в размыве волнами и течениями выступов берега (мысов), перемещении размытого материала поперечными течениями в сторону ложа водохранилища, а продольными течениями вдоль берега к бухтам, заливам, препятствиям, где скорость течений гасится, а материалы, которые они переносят, аккумулируются (рис.1). Через 5-10 лет формируются отмели, которые частично гасят энергию волн, при этом возрастает роль вдольбереговых течений воды и наносов. Вдоль линии уреза воды возникают устойчивые во времени места транспорта, размыва и аккумуляции наносов, формируются динамические системы берегов [22], которые состоят из зон: формирования наносов в результате размыва берега - зоны размыва (питания); преобладающего отложения наносов, где транспортирующая способность вдольберегового течения падает - зоны аккумуляции (разгрузки); транспорта наносов, где профиль берега устойчивый и близкий по форме к профилю динамического равновесия - зоны транспорта (рис.2). Динамические системы берегов и составляющие их зоны являются экосистемами более низких порядков в составе прибрежного экотона водохранилища.
Описанные гидро-, морфо- и литодинамика берега характерны для стадии абразионно-аккумулятивного выравнивания (рис.1) береговой линии [3; 21; 22] на берегах, сложенных преимущественно несвязными породами (пески, супески, галька).
1 - участки размыва; 2 - участки аккумуляции; 3 - потоки наносов, толщина стрелки характеризует интенсивность перемещения наносов; 4 - исходная береговая линия
Для берегов, уступы которых сложены связными породами (глинами, суглинками и др.), характерны значительные темпы переработки уступов берегов (10-15 м/год). При недостатке пляжеобразующего песчаного материала аккумулятивные образования проявляются лишь в зачаточном состоянии (углы заполнения, береговые валы, карманные пляжи и т.п.). На этих берегах и на сегодняшний день, несмотря на 50-летний период эксплуатации водохранилищ, преобладают абразионно-эрозионные процессы. Многочисленные попытки защитить эти берега от размыва с помощью каменно-набросных банкетов, которые являются аналогами галечных естественных берегов, успеха не приносят. Необходимо тщательно готовить переходные фракции от камня до глины или суглинка, что сложно осуществить на практике, а иначе каменные банкеты проседают под собственным весом. Кроме этого, такая берегозащита из камня является почти непреодолимым препятствием на пути к воде для людей и животных.
Классическое представление о динамическом равновесии берегов водоемов для всего периметра водохранилищ, созданных на равнинных реках, нам представляется неприемлемым, поскольку здесь, в отличие от озер и внутренних морей, существуют однонаправленные стоковые течения в сторону плотин. Такие течения в комбинации с вдольбереговыми ветро-волновыми течениями приводят к перемещению динамических систем берегов. Равнодействующий вектор таких течений направлен вдоль берега водохранилища, чаще всего - к плотине, поскольку и стоковые течения и ветро-волновые потоки воды и наносов моделируют речные долины и русла материнских рек. Такие явления наблюдаются на Волжско-Камском и Днепровском каскадах, где динамические системы берегов движутся к плотинам ГЭС, формируя косы и пересыпи.
Мониторинговые исследования береговой зоны на участках и створах, которые были начаты после заполнения каждого из водохранилищ, дали возможность проследить историю развития береговой зоны днепровских водохранилищ и уточнить прогнозы формирования берегов на перспективу. Участки и створы мониторинговых наблюдений, как и сами наблюдения за формированием берегов днепровских водохранилищ, были начаты на сети, заложенной еще на стадии проектирования каждого из них. Тогда же в составе проектов были выполнены прогнозы формирования берегов водохранилищ на участках побережья, где находились населенные пункты и важные народнохозяйственные объекты.
Для наблюдений за динамикой берегов и подтоплением земель на волжских водохранилищах была создана Гидрорежимная экспедиция Мингео России, а на днепровских водохранилищах -Гидрогеологическая экспедиция Минводхоза Украины. Наблюдения за берегами днепровских водохранилищ выполнялись на основе утвержденной методики [24] на инженерно-геологической сети сначала в количестве около 1000 створов. Один раз в пять лет уточнялись или разрабатывались новые прогнозы переформирования берегов днепровских водохранилищ по методикам, разработанным Всесоюзным НИИ гидротехники (ВНИИГ) имени Б.Е. Веденеева [23] и Украинским филиалом Центрального НИИ комплексного использования водных ресурсов (ЦНИИКИВР) [25].
На берегах, сложенных связными грунтами, которые формируются под влиянием волн и течений (размокание и размыв грунтов) при дефиците пляжеобразующего песчаного материала, стадии расчленения и выравнивания четко не отделяются одна от другой, а стадия абразионно-аккумулятивного выравнивания наступает лишь тогда, когда в береговую зону начинает поступать достаточное количество пляжеобразующего материала. На остальных типах берегов (эрозионных, нейтральных, аккумулятивных) таких стадий развития не существует вообще. На эрозионных берегах ведущим фактором является деятельность стоковых течений, результатом проявления которых выступают плесы и перекаты. Поскольку эти берега расположены, в основном, в рекообразной области водохранилища [13], где происходит трансформация попусков ГЭС и спрямляются участки русла, то они (берега) находятся на начальной стадии эрозионного размыва.
Группа нейтральных берегов расположена преимущественно в мелководной зоне, где стоковые течения недостаточны для размыва, а ветро-волновые процессы ограничены малыми глубинами, островами и растительностью. Отступание берега и образование береговых уступов здесь носит спорадичный и временный характер, вызванный субтеральными и, в меньшей степени, субаквальными причинами.
По данным наших наблюдений, ширина отмели на песчаных берегах днепровских водохранилищ составляет 50-100 м, максимальные высоты волн на внешнем крае отмели - 2,0-2,5 м, скорости вдольбереговых течений воды достигают 1-2 м/с, а мощность вдольбереговых потоков наносов не превышает 10-15 тыс.м3/год. Протяженность динамических систем берегов на днепровских водохранилищах составляет 1-3 км и зависит как от гидродинамических условий, так и от наличия (процентного содержания) пляжеобразующего материала в составе береговых уступов.
Проведение аналогии с естественными динамическими системами берегов других водных объектов показывает, что гидроморфологические параметры этих систем на крупных равнинных водохранилищах в 2-3 раза меньше таких же показателей на береговых отмелях (литоралях) причерноморских лиманов и на порядок меньше показателей динамических систем берегов Черного и Азовского морей. Тем не менее на побережьях морей и лиманов, несмотря на значительно более продолжительный период формирования береговых экосистем, чем на водохранилищах, в областях размыва (питания) динамических систем продолжается интенсивное разрушение береговых уступов на незащищенных участках.
Протяженность естественных динамических систем берегов разных видов (косы северного побережья Азовского моря, бары Арабатской стрелки и западного побережья Черного моря, Джарилгач-Каркинитская система) составляет десятки километров. Они активно развиваются, гася волны за счет отмелей и перемещая вдольбереговые потоки наносов, которые поддерживают аккумулятивные формы.
По нашему мнению, управление состоянием береговых экосистем на крупных равнинных водохранилищах (прежде всего, их берегозащиту) следует выстраивать с учетом существующих динамических систем берегов и их развития по аналогии с естественными динамическими системами берегов в озерах, на морях и лиманах.
Общей закономерностью динамики берегов днепровских водохранилищ за весь период их эксплуатации является уменьшение периметра за счет абразионного и абразионно-аккумулятивного выравнивания береговой линии. По нашим подсчетам это уменьшение составляет около 30 % (1500 км) от первоначального периметра. За период эксплуатации водохранилищ в 2,0-2,5 раза уменьшилась протяженность размываемых абразионных и эрозионных берегов за счет превращения их в нейтральные, стабилизированные (на участках выхода в зону размыва кристаллических пород) и аккумулятивные берега, а также в связи со строительством берегоукрепительных сооружений.
На стадии абразионно-аккумулятивного выравнивания береговой линии, которая за небольшими исключениями продолжается и по настоящее время, береговые процессы дифференцируются, что приводит к закономерному чередованию участков значительного и незначительного размыва берегов. Средняя интенсивность переработки берегов за последние 10 лет составляет от 0,4 м/год на Днепровском до 1,3 м/год на Кременчугском водохранилище, т.е. темпы переработки уменьшились в 10 раз. Однако в отдельные годы переработка берегов достигает значительных размеров: от 3,1 м/год на Днепровском, до 15,6 м/год на Каховском водохранилище.
Ширина зоны переработки берегов за период эксплуатации водохранилищ составляет в среднем (в зависимости от типа берега) от 25-45 м на Каневском, до 45-105 м на Кременчугском водохранилище, а максимальные величины достигают от 52,8 м на Каневском до 306,9 м на Каховском водохранилище. Наиболее активно размываются берега, сложенные связными породами (глинами, суглинками), которые даже на Каховском и Кременчугском водохранилищах не вышли из стадии абразионного выравнивания.
Эколого-гидроморфологический подход к обоснованию берегозащитных сооружений. По нашему мнению, защитные сооружения водохранилищ должны моделировать естественные берега. Из всего многообразия берегов водоемов в качестве аналогов экосистемам берегозащиты водохранилищ могут служить: береговые клифы из стойких к размыву пород (аналоги для подпорных стенок, банкетов и других сооружений, которые не меняют свою конфигурацию со временем); песчаные и галечные пляжи (для искусственных пляжей из тех же материалов); бухтовые и шхерные берега, пересыпи, стрелки, бары, переймы и т.п. (для активных сооружений, которые могут приспосабливаться к гидроморфологическим особенностям береговой зоны и тем самым управлять береговым процессом).
Характерная особенность изложенного подхода - это представление о системах берегозащиты на водохранилищах как о сложных, но целостных техногенных экосистемах в составе экосистемы береговой зоны водохранилища. Функционально эти техногенные экосистемы должны быть максимально приближенными к естественным береговым экосистемам берегов-аналогов. Предложенное нами понятие «техногенная береговая экосистема» [8; 11] необходимо для моделирования и оптимизации береговых экосистем, способных одновременно выполнять функции защиты берегов, водоохранные и социальные функции.
Эти работы показали, что воспроизведение утраченной вследствие урбанизации водной экосистемы естественным путем практически невозможно. Единственный реальный путь - это моделирование новых водных экосистем, которые были бы максимально приближенными к естественным экосистемам и в то же время удовлетворяли бы урбанизационные нужды. На основе этих предложений обосновано представление об инженерной защите берегов и прибрежных территорий как составной части берегозащитных экосистем, которые входят в прибрежный экотон водохранилища - его ВЗ [8]. Одновременно эти экосистемы играют буферную, водоохранную роль в системе инженерного и биотехнического благоустройства прибрежных территорий.
Таким образом, берегозащитные экосистемы - это не только средство борьбы с вредным действием вод (охрана берегов) и с загрязнением водных объектов (водоохрана), но и основа архитектурно-планировочных решений на прибрежных территориях, направленных, кроме всего прочего, на сохранение и приумножение биоразнообразия.
Разные системы берегозащиты (их экологические особенности, вопросы оптимизации и моделирования этих экосистем с целью сохранения биоразнообразия и управления береговыми процессами и т.п.) были рассмотрены раньше в ряде других наших работ [8; 11 и др.].
Эколого-гидроморфологический анализ берегозащитных работ, выполненных в 1988-2012 гг. На представлениях о динамических системах берегов днепровских водохранилищ, о целесообразности строительства берегозащитных сооружений на стадии абразионно-аккумулятивного выравнивания береговой линии и о формировании берегозащитных сооружений в виде аналогов естественных берегов были разработаны подходы к обоснованию берегозащитных сооружений на ряде объектов днепровских водохранилищ. Эти работы были выполнены на основе мониторинговых исследований их берегов.
Предлагаемое внедрение в научную практику понятия «техногенная береговая экосистема» означает переход от систем защиты берегов (сооружения и мероприятия) к моделированию береговых экосистем, способных одновременно выполнять функции защиты берегов, водоохранные и социальные функции.
Создание техногенных систем берегозащиты в виде берегов-аналогов позволяет превращать неустойчивые естественные берега в статически или динамично устойчивые с заданными наперед с помощью аналогии свойствами. Сооружения-аналоги обеспечивают состояние равновесия в прилегающей к ним части береговой зоны, поскольку минимизируют нарушение естественного развития берега и обеспечивают управление береговым процессом и развитием береговой зоны. Берегозащитные сооружения при этом не только гасят волны или течения воды, которые размывают берег,но и направляют их энергию на формирование устойчивых берегов.
На днепровских водохранилищах используются [7; 29] такие традиционные, хорошо разработанные в научно-техническом плане виды берегоукреплений, как искусственные пляжи (примывы), подпорные бетонные стенки и укосы, каменно-набросные банкеты, буны и различные комбинированные и нетрадиционные методы.
Около 55 % протяженности защиты берегов выполнены каменно-набросными банкетами и их модификациями. Эти же банкеты часто являются основной составляющей частью комбинированных защит и наиболее распространены там, где нет песчаных грунтов (Каховское водохранилище), или же там, где есть выходы кристаллических пород в береговой зоне (Днепровское и Днепродзержинское водохранилища). На остальных водохранилищах больше распространены искусственные пляжи (примывы), поскольку здесь есть залежи песка. Буны, бетонные стенки и укосы встречаются сравнительно редко, в основном в населенных пунктах и на хозяйственных объектах. Большинство берегоукреплений разрушается из-за проектных просчетов и недостатков строительства и эксплуатации.
Как показывает опыт, наиболее экологически значимыми, т. е. близкими к естественным берегам-аналогам, оказались искусственные пляжи и примывы, которые естественно вписываются в окружающую среду и могут использоваться для рекреационных целей [8; 11]. В населенных пунктах искусственные пляжи в комбинации с бунами, подпорными стенками имеют большие перспективы, особенно при условии дополнения этих сооружений водоохранным инженерным и биотехническим благоустройством и обеспечением социальных функций.
Каменные банкеты и наброски ограничивают доступ населения и животных к воде, вызывают застойные явления и накопление мусора в приурезовой зоне, т. е. приобретают негативное социальное и экологическое значение. Они сложны и дороги в строительстве и эксплуатации и потому их использование на водохранилищах требует надлежащего обоснования и оптимизации, в первую очередь, с точки зрения повышения их экологической безопасности и улучшения социальных функций.
Если сооружение искусственного пляжа невозможно в связи с отсутствием песка, целесообразно заменить каменно-набросной банкет на буны, шпоры, прерывистое крепление или другое сооружение, которое обеспечивает свободный доступ к воде. Межбунное пространство целесообразно заполнять привозным или намытым песчаным грунтом. Для закрепления откосов берега между бунами или блокирующими элементами (при прерывистом креплении) хорошо зарекомендовали себя биологические методы (посадки вербы, лозы, камыша, тростника и пр.). В условиях, когда основным движущим фактором гидродинамики берега являются течения, буны выступают вообще как наиболее эффективные, в том числе и с экологической точки зрения, берегоукрепительные сооружения.
Предложения по эколого-гидроморфологическому обоснованию берегозащитных сооружений на водохранилищах. Учитывая вышеизложенное, при участии автора статьи была пересмотрена и уточнена программа мероприятий по закреплению берегов днепровских водохранилищ [29]: уменьшена до 100 км протяжность рекомендованных к защите берегов; сделан существенный упор на защиту окружающей среды (лесов, плодородных земель, памятников природы, исторических и естественных заповедников), населенных пунктов и хозяйственных объектов. Эти предложения были использованы при подготовке Общегосударственной программы развития водного хозяйства Украины (2002 г.) и последующих ее уточнениях.
Как показывает изучение экологического состояния прибрежных земель и акваторий рек Десна, Днепр и днепровских водохранилищ, необходимо дополнительно включить в защитные мероприятия участки берегов, на которых значительно загрязнены почвы и прибрежные воды. Вследствие защиты лесов и ценных земель сохранятся не только ресурсы, но и важные экологические элементы. Все эти меры также будут содействовать охране вод от загрязнения и засорения. Особую роль при этом играют песчаные пляжи (примывы), поскольку они очищают путем фильтрации через песок загрязненную воду, которая поступает из берегов или из акватории на пляжные песчаные откосы. Фильтрационные свойства песка улучшают очистку воды по сравнению с ее самоочисткой в 5-10 раз [21; 28], что подтверждает значительную санитарно-гигиеническую роль песчаных пляжей.
По результатам стационарного мониторинга состояния и динамики береговой зоны в районе потенциальных участков защиты берегов были определены или рассчитаны гидроморфологические показатели береговых процессов и их ключевых факторов: волн, течений, нагонов, уровней воды, береговых уступов, отмелей, наносов. На их основе были построены модели береговой системы для каждого участка и определены необходимые объемы песчаного материала, достаточного для функционирования береговой системы в состоянии динамического равновесия. При этом учитывалась возможность вынесения песка за пределы участки защиты.
Берегозащитные сооружения и водоохранные меры планировалось проводить на всю динамическую систему берега, которая и была объектом защиты. Но на первом этапе в тело пляжа закладывался песчаный материал в объеме, достаточном для 12-летней безаварийной работы. Дополнительный песчаный материал планировалось разместить на втором этапе строительства лишь в зонах размыва и в случае обоснованной необходимости. В отдельных случаях для регулирования потоков наносов были запроектированы буны.
Биологическое крепление посадками специальных видов растительности: наземной - возле береговых уступов и воздушно-водной - на отмели превращало динамическую систему берега в береговую экосистему со специфическими надводными и подводными биотопами и биоценозами.
В естественных условиях нарушенная экосистема, в данном случае береговая экосистема на водохранилище, проходит определенные стадии (фазы, этапы) развития к достижению состояния уравновешенной, саморегулируемой системы. Такие же параметры расчетным путем мы задаем модели береговой экосистемы - участку защиты берега, которая на стадии динамического равновесия должна стать саморегулируемой системой. Достигается это колебаниями наклона береговой отмели соответственно волновым нагрузкам, а также знакопеременными миграциями вдоль и поперек берега течений воды и потоков наносов.
Такие же типы береговых экосистем в виде берегов-аналогов на стадии динамического равновесия, но с каменно-гравийных и других местных грунтов в те же годы были смоделированы на отдельных участках Кременчугского и Днепродзержинского водохранилищ (города Градижск и Днепродзержинск, села Максимовка, Нед огарки, Пронозовка и др.). Эти сооружения, как правило, выполнены «пионерным» способом, когда с помощью каменно-набросного банкета отсекается часть акватории, которая засыпается местным грунтом с последующим биологическим закреплением надводной и подводной частей сооружения.
В Научно-производственном центре Днепровского БУВР был разработан и внедрен метод защиты берега водохранилища на территории населенных пунктов в тех местах, где берег сложен суглинисто-супесчаными грунтами и имеется вдольбереговой поток наносов [7]. В этом случае пляж создается как зона рекреации за счет порционной подсыпки песчаного материала на участках питания потока наносов. Такое строительство рекомендуется выполнять средствами «малой гидротехники», когда строительный материал малыми порциями подается в береговую зону на протяжении продолжительного времени. Постоянное поддержание такого рекреационного пляжа в состоянии динамического равновесия дополняется биологическим закреплением надводной и подводной частей. Искусственно созданные рекреационные пляжи успешно функционируют в городах Канев, Черкассы, Днепродзержинск и других и используются под городскую застройку, а в прибрежной части - под рекреацию.
Применение для защиты берегов водохранилищ местных грунтов (песка, камня, гальки) в комбинации с биологическим закреплением (деревья, кусты, травы) наиболее полно отвечает требованиям воспроизводства и сохранения экосистем естественных берегов и не нарушает эстетичной ценности береговых ландшафтов. В таких условиях системы берегозащиты не только выступают как абиотические факторы водных и прилегающих к ним береговых экосистем, но и сами формируются в виде биотического фактора - берегового биоценоза. Берегозащитные функции растительности проявляются в гашении энергии волн, течений и потоков наносов, закреплении поверхностного грунта от размыва и развевания. Водная растительность способствует расселению на подводных склонах представителей зообентоса, которые выполняют роль естественного мощения и тем самым защищают отмели от размыва. Посадки растительности на отмелях в качестве биофильтров улучшают качество воды, грунтов и воздуха, а посадка растений на берегах кроме берегозащитной и водоохранной функций создаёт прекрасные рекреационные условия и могут удовлетворять нужды лесного и охотничьего хозяйств.
Выполненные в последнее время исследования гидробиоценозов на берегоукреплениях днепровских водохранилищ показали [17-19], что эти сооружения находятся на этапе «натурализации», т. е. вторичного восстановления структуры естественных ландшафтов. Они все больше осваиваются биотой и становятся неотъемлемой частью функционирующих водных экосистем, содействуют увеличению разнообразия прибрежных ландшафтных комплексов и мелководных биотопов. Конечно, процессы «натурализации» происходят быстрее тогда, когда сооружения уже являются аналогами береговых систем и объединяют инженерные и биологические решения. Это содействует более быстрому прохождению естественных сукцессий, заселению сооружений биотой и, как результат, увеличению эффективности сооружения и закреплению берега.
За последние 10-15 лет в связи с массовым освоением прибрежных территорий на реках Днепр и Десна и на Киевском и Каневском водохранилищах в г. Киеве и Киевской области возникла проблема защиты берегов от затопления, подтопления и размыва. Она породила целый ряд юридических, экологических, градостроительных и технических проблем [14].
Объекты, которые расположены в береговой зоне или близ нее, испытали значительную антропогенную нагрузку, чрезмерно урбанизированы, создают техногенную и экологическую опасность для населения и биоразнообразия. Было установлено [14], что для оздоровления их водных и береговых экосистем, водных, земельных, биологических, селитебных и рекреационных ресурсов необходимо осуществить неотложные радикальные мероприятия: расчистить и утилизировать загрязненные и засоренные донные и береговые грунты, обеспечить надлежащий водообмен и проточность, воссоздать утраченное биоразнообразие. По существу, речь идет о создании новой местной водной экосистемы. Воспроизведение утраченной экосистемы естественным путем практически невозможно. То же нужно сказать и относительно восстановления первоначального (на момент заполнения водохранилища) состояния этих водоемов и островов. Единый, по нашему мнению, реальный путь улучшения их экологического состояния - это моделирование новых водных экосистем, которые были бы максимально приближены к естественным условиям и вместе с тем удовлетворяли бы урбанизационные потребности.
Смоделированные экосистемы отдельных водоемов выступают как биотические факторы и структурные элементы экосистем водохранилищ вообще. Наряду с биологическим креплением и устройством инженерных сооружений - аналогов естественных береговых систем их необходимо учитывать при планировании использования прибрежных территорий в городах. Такие методические приемы оздоровления и ландшафтно-экологического воспроизведения естественных условий с одновременным решением градостроительных задач были применены на озере Выдубицком и Княжьем затоне р. Днепр в г. Киеве [10; 16].
1. Результаты изучения берегов днепровских водохранилищ показали, что процесс их формирования с течением времени существенно не затухает, а проблема защиты берегов остается актуальной. Более того, именно на этапе абразионно-аккумулятивного выравнивания береговой линии процесс стабилизируется и защита берегов может быть строго обоснована как с экологической, так и с экономической точек зрения.
2. Вследствие создания водохранилищ на равнинных реках возникли природно-техногенные экосистемы, которые состоят из собственно водных экосистем и переходных между ними и прилегающей сушей экосистем типа экотонов. Последним территориально соответствуют водоохранные зоны водохранилищ, в пределах которых выделяются береговые (прибрежные) полосы (зоны отвода) - по существу, контактные зоны между сушей и водой, где взаимовлияние последних наиболее заметно. Именно здесь организовываются мероприятия по защите береговых территорий от размыва и затопления, а водных акваторий - от загрязнения и засорения. Системы этих мероприятий называют «инженерной защитой территорий». Из этого следует, что системы берегозащиты вместе с полосами их отвода являются границами (барьерами) между водными экосистемами и береговым экотоном. В статье дана оценка выполненных берегозащит, а также изложены предложения по их усовершенствованию.
3. Береговая зона играет в структуре водных экосистем водохранилищ роль экотона между акваторией и сушей, поэтому управление состоянием берегов играет существенную роль в управлении экологическим состоянием водохранилищ в целом. Наиболее важное значение при этом имеют управление загрязнением водоемов и защита прибрежных территорий.
4. Автохтонное загрязнение вследствие деструкции и накопления органического вещества, размыва островов и ложа, взмучивания донных грунтов и отложений саморегулируется процессами внутриводоемной динамики путем перемещения и трансформации загрязнений. Реальное уменьшение загрязнения воды в экосистеме в целом возможно лишь при ограничении аллохтонного поступления загрязнений, в основном из прилегающих территорий, а для этого опять же необходимы инженерная защита и водоохранное зонирование прибрежных территорий водохранилищ.
5. В связи со сравнительно незначительными глубинами на больших равнинных водохранилищах морфология затопленной речной долины (глубины, уклоны склонов, размеры и строение элементов ложа и берегов) сказывается на гидрологических явлениях и процессах и их параметрах, а соответствующие гидрологические зависимости в условиях водохранилища превращаются в гидролого-морфологические. К ведущим (ключевым) абиотическим факторам, которые влияют на экосистему водохранилища, следует отнести эколого-гидроморфологические факторы: гидродинамику, морфологию берегов и ложа водохранилища и их геологическое строение, геодинамику берегов и ложа. Эти факторы и условия в совокупности с гидрологическими и гидрохимическими факторами определяют состояние среды, в которой функционирует биота водохранилища, и ее структурно-функциональное строение как водной экосистемы.
6. Предложено, обосновано и внедрено на отдельных участках днепровских водохранилищ представление о системах берегозащиты как о сложных целостных техногенных экосистемах в составе береговой зоны водохранилищ. Функционально они должны быть максимально приближенными к естественным береговым экосистемам - берегам-аналогам. Введение в научное употребление понятия «береговая техногенная экосистема» означает переход к моделированию береговых экосистем, способных одновременно выполнять функции защиты берегов, водоохранные и социальные функции. Такие подходы позволяют превратить берега водохранилищ, которые формируются стихийно, в «окультуренные» берега, которые сохраняют стабильность своих элементов, их способность к самозащите и самообновлению в условиях урбанизации и хозяйственного освоения. Устойчивость искусственных береговых экосистем определяется их биоразнообразием и пригодностью к оптимальному управлению.
Защитные свойства насаждений тростника обыкновенного на берегах водоемов
В связи с тем, что строительство крупных равнинных водохранилищ сопровождается поднятием уровней воды, а значит, и местных базисов эрозии, как сопутствующие явления возникают обширные зоны затопления и подтопления земель, формирования берегов и повышения эрозионной активности на склонах. Ареалы распространения этих явлений определяют зону влияния вновь образованного водохранилища на прилегающие к нему территории. С другой стороны, на этих территориях формируется зона влияния суши на водохранилище, в первую очередь, в виде органических и минеральных загрязнений, которые вместе с плоскостным и линейным поверхностным стоком, грунтовыми водами и, в меньшей мере, воздушным выносом поступают в акваторию и загрязняют ее. Прилегающая суша, которая активно влияет на экологическое состояние водного объекта и испытывает существенное влияние водных масс этого объекта, получила название «водоохранная зона» (дальше - ВЗ) [3-6].
Для ограничения и ликвидации вредного воздействия на водоемы в пределах ВЗ проводятся мероприятия по перехвату и ликвидации загрязненных вод, в первую очередь - это соответствующие агролесомелиоративные мероприятия и регламентация хозяйственной деятельности. В результате проведения таких мер ВЗ становится средством охраны вод и сохранения экосистемы водного объекта. Вместе с тем сама территория ВЗ испытает значительное влияние как водных масс водохранилища, так и аккумулированных здесь загрязнений и, таким образом, становится объектом охраны. Такой барьерный переходной и вместе с тем особый статус ВЗ позволяет отнести ее к экотону, т. е. переходной зоне между двумя соседними экосистемами суши и воды [27]. Особенности ВЗ как экотона рассмотрены в других наших роботах [9; 13; 14], здесь же отметим, что зона формирования берегов водохранилища также входит в этот экотоп.
Зона формирования новых берегов водохранилищ после их наполнения охватывает прилегающие к урезу воды склоны террас и коренные склоны затопленной долины реки [3]. Эта зона получила название «береговая зона» (дальше - БЗ). Ведущие факторы формирования БЗ объединяются под названием «береговые процессы», которые включают процессы разрушения существующего рельефа действием волн (абразия), стоковых течений (эрозия), поперек и вдоль береговых ветроволновых течений (размыв, транспорт и аккумуляция наносов). В связи с подрезкой склонов на них возникают водно-гравитационные разрушающие процессы - оползни, обвалы, оссовы, осыпи и т.п. Размытые и обваленные в зону уреза воды породы перемещаются течениями воды в зоны аккумуляции вдоль берега и в сторону ложа, а мелкие частицы пород взвешиваются водой и образовывают взвеси [21; 28].
Масштабы береговых процессов на водохранилищах бывшего СССР можно оценить по данным А.Б. Авакяна [2] и С.Л. Вендрова [1]. Так, в частности, протяжность абразионных берегов на крупных равнинных водохранилищах бывшего СССР (46 штук) достигала 15 тыс. км при общей протяжности береговой линии около 40 тыс.км. Ежегодные объемы разрушения этих берегов составляли по ориентировочным подсчетам 230-270 млн м3 [1].
Основные положения эколого-гидроморфологического анализа берегов водохранилищ
Многолетние исследования автора и анализ публикаций позволили сформулировать следующие основные подходы к эколого-гидроморфологическим исследованиям берегов водохранилищ.
Зона формирования берегов водохранилища (дальше - береговая зона) - это новое образование на урезе воды в водохранилище, которое состоит из надводного и подводного склонов, охваченных береговым процессом (рис.1). В вертикальной плоскости береговой процесс проявляется в обваливании, осыпании, сползании под влиянием водно-гравитационных процессов материалов, которыми сложены надводные склоны, к линии уреза воды, сортировке и следующем перемещении этого материала в сторону ложа по поверхности подводного берегового склона с помощью волновых поперечных течений воды. Основными факторами размыва подводных и надводных склонов берега выступают волны и вызванные их разрушением течения, стоковые течения, геологическое строение и рельеф береговой зоны. Сочетания этих факторов создают комбинации гидро-, reo-, морфо- и литодинамики, которые и определяют тип и направленность развития береговой зоны. Аккумуляция размытого материала частично происходит возле подножия склонов, частично на поверхности отмели и за ее внешним краем (рис.1). Береговая зона является составной частью экосистемы прибрежного экотона водохранилища (ВЗ) как элемент его биотопической структуры.
АВ - побережье; В - вершина берегового уступа; D il)¡) - подошва берегового уступа; BCDF (BCDjF) -надводный береговой склон (берег); CDD[ - обвал (осыпь); ¡)1<1;,1), - пляж (береговой бар или вал); FGHL -подводный береговой склон; FD - зона наката (заплеска) волн; FFfiH - береговая отмель; G - граница абразионной и аккумулятивной частей отмели; GF} - абразионная часть отмели (бенч); (¡ПК - аккумулятивная часть отмели; H - внешний край отмели; HKL - шлейф из прибрежных осадков; LM - дно; УВ - уровень воды; 1 - исходный профиль берега; 2 - потоки наносов; 3 - обвал (осыпь); 4 - пляж; 5 - отмель; 6 - шлейф из осадков;
7 - коренной склон
Вдоль берега (в плане) сразу после заполнения водохранилища начинается абразионное выравнивание береговой линии (линии уреза воды), которое проявляется в размыве волнами и течениями выступов берега (мысов), перемещении размытого материала поперечными течениями в сторону ложа водохранилища, а продольными течениями вдоль берега к бухтам, заливам, препятствиям, где скорость течений гасится, а материалы, которые они переносят, аккумулируются (рис.1). Через 5-10 лет формируются отмели, которые частично гасят энергию волн, при этом возрастает роль вдольбереговых течений воды и наносов. Вдоль линии уреза воды возникают устойчивые во времени места транспорта, размыва и аккумуляции наносов, формируются динамические системы берегов [22], которые состоят из зон: формирования наносов в результате размыва берега - зоны размыва (питания); преобладающего отложения наносов, где транспортирующая способность вдольберегового течения падает - зоны аккумуляции (разгрузки); транспорта наносов, где профиль берега устойчивый и близкий по форме к профилю динамического равновесия - зоны транспорта (рис.2). Динамические системы берегов и составляющие их зоны являются экосистемами более низких порядков в составе прибрежного экотона водохранилища.
Описанные гидро-, морфо- и литодинамика берега характерны для стадии абразионно-аккумулятивного выравнивания (рис.1) береговой линии [3; 21; 22] на берегах, сложенных преимущественно несвязными породами (пески, супески, галька).
1 - участки размыва; 2 - участки аккумуляции; 3 - потоки наносов, толщина стрелки характеризует интенсивность перемещения наносов; 4 - исходная береговая линия
Для берегов, уступы которых сложены связными породами (глинами, суглинками и др.), характерны значительные темпы переработки уступов берегов (10-15 м/год). При недостатке пляжеобразующего песчаного материала аккумулятивные образования проявляются лишь в зачаточном состоянии (углы заполнения, береговые валы, карманные пляжи и т.п.). На этих берегах и на сегодняшний день, несмотря на 50-летний период эксплуатации водохранилищ, преобладают абразионно-эрозионные процессы. Многочисленные попытки защитить эти берега от размыва с помощью каменно-набросных банкетов, которые являются аналогами галечных естественных берегов, успеха не приносят. Необходимо тщательно готовить переходные фракции от камня до глины или суглинка, что сложно осуществить на практике, а иначе каменные банкеты проседают под собственным весом. Кроме этого, такая берегозащита из камня является почти непреодолимым препятствием на пути к воде для людей и животных.
Классическое представление о динамическом равновесии берегов водоемов для всего периметра водохранилищ, созданных на равнинных реках, нам представляется неприемлемым, поскольку здесь, в отличие от озер и внутренних морей, существуют однонаправленные стоковые течения в сторону плотин. Такие течения в комбинации с вдольбереговыми ветро-волновыми течениями приводят к перемещению динамических систем берегов. Равнодействующий вектор таких течений направлен вдоль берега водохранилища, чаще всего - к плотине, поскольку и стоковые течения и ветро-волновые потоки воды и наносов моделируют речные долины и русла материнских рек. Такие явления наблюдаются на Волжско-Камском и Днепровском каскадах, где динамические системы берегов движутся к плотинам ГЭС, формируя косы и пересыпи.
Мониторинговые исследования береговой зоны на участках и створах, которые были начаты после заполнения каждого из водохранилищ, дали возможность проследить историю развития береговой зоны днепровских водохранилищ и уточнить прогнозы формирования берегов на перспективу. Участки и створы мониторинговых наблюдений, как и сами наблюдения за формированием берегов днепровских водохранилищ, были начаты на сети, заложенной еще на стадии проектирования каждого из них. Тогда же в составе проектов были выполнены прогнозы формирования берегов водохранилищ на участках побережья, где находились населенные пункты и важные народнохозяйственные объекты.
Для наблюдений за динамикой берегов и подтоплением земель на волжских водохранилищах была создана Гидрорежимная экспедиция Мингео России, а на днепровских водохранилищах -Гидрогеологическая экспедиция Минводхоза Украины. Наблюдения за берегами днепровских водохранилищ выполнялись на основе утвержденной методики [24] на инженерно-геологической сети сначала в количестве около 1000 створов. Один раз в пять лет уточнялись или разрабатывались новые прогнозы переформирования берегов днепровских водохранилищ по методикам, разработанным Всесоюзным НИИ гидротехники (ВНИИГ) имени Б.Е. Веденеева [23] и Украинским филиалом Центрального НИИ комплексного использования водных ресурсов (ЦНИИКИВР) [25].
На берегах, сложенных связными грунтами, которые формируются под влиянием волн и течений (размокание и размыв грунтов) при дефиците пляжеобразующего песчаного материала, стадии расчленения и выравнивания четко не отделяются одна от другой, а стадия абразионно-аккумулятивного выравнивания наступает лишь тогда, когда в береговую зону начинает поступать достаточное количество пляжеобразующего материала. На остальных типах берегов (эрозионных, нейтральных, аккумулятивных) таких стадий развития не существует вообще. На эрозионных берегах ведущим фактором является деятельность стоковых течений, результатом проявления которых выступают плесы и перекаты. Поскольку эти берега расположены, в основном, в рекообразной области водохранилища [13], где происходит трансформация попусков ГЭС и спрямляются участки русла, то они (берега) находятся на начальной стадии эрозионного размыва.
Группа нейтральных берегов расположена преимущественно в мелководной зоне, где стоковые течения недостаточны для размыва, а ветро-волновые процессы ограничены малыми глубинами, островами и растительностью. Отступание берега и образование береговых уступов здесь носит спорадичный и временный характер, вызванный субтеральными и, в меньшей степени, субаквальными причинами.
По данным наших наблюдений, ширина отмели на песчаных берегах днепровских водохранилищ составляет 50-100 м, максимальные высоты волн на внешнем крае отмели - 2,0-2,5 м, скорости вдольбереговых течений воды достигают 1-2 м/с, а мощность вдольбереговых потоков наносов не превышает 10-15 тыс.м3/год. Протяженность динамических систем берегов на днепровских водохранилищах составляет 1-3 км и зависит как от гидродинамических условий, так и от наличия (процентного содержания) пляжеобразующего материала в составе береговых уступов.
Проведение аналогии с естественными динамическими системами берегов других водных объектов показывает, что гидроморфологические параметры этих систем на крупных равнинных водохранилищах в 2-3 раза меньше таких же показателей на береговых отмелях (литоралях) причерноморских лиманов и на порядок меньше показателей динамических систем берегов Черного и Азовского морей. Тем не менее на побережьях морей и лиманов, несмотря на значительно более продолжительный период формирования береговых экосистем, чем на водохранилищах, в областях размыва (питания) динамических систем продолжается интенсивное разрушение береговых уступов на незащищенных участках.
Протяженность естественных динамических систем берегов разных видов (косы северного побережья Азовского моря, бары Арабатской стрелки и западного побережья Черного моря, Джарилгач-Каркинитская система) составляет десятки километров. Они активно развиваются, гася волны за счет отмелей и перемещая вдольбереговые потоки наносов, которые поддерживают аккумулятивные формы.
По нашему мнению, управление состоянием береговых экосистем на крупных равнинных водохранилищах (прежде всего, их берегозащиту) следует выстраивать с учетом существующих динамических систем берегов и их развития по аналогии с естественными динамическими системами берегов в озерах, на морях и лиманах.
Общей закономерностью динамики берегов днепровских водохранилищ за весь период их эксплуатации является уменьшение периметра за счет абразионного и абразионно-аккумулятивного выравнивания береговой линии. По нашим подсчетам это уменьшение составляет около 30 % (1500 км) от первоначального периметра. За период эксплуатации водохранилищ в 2,0-2,5 раза уменьшилась протяженность размываемых абразионных и эрозионных берегов за счет превращения их в нейтральные, стабилизированные (на участках выхода в зону размыва кристаллических пород) и аккумулятивные берега, а также в связи со строительством берегоукрепительных сооружений.
На стадии абразионно-аккумулятивного выравнивания береговой линии, которая за небольшими исключениями продолжается и по настоящее время, береговые процессы дифференцируются, что приводит к закономерному чередованию участков значительного и незначительного размыва берегов. Средняя интенсивность переработки берегов за последние 10 лет составляет от 0,4 м/год на Днепровском до 1,3 м/год на Кременчугском водохранилище, т.е. темпы переработки уменьшились в 10 раз. Однако в отдельные годы переработка берегов достигает значительных размеров: от 3,1 м/год на Днепровском, до 15,6 м/год на Каховском водохранилище.
Ширина зоны переработки берегов за период эксплуатации водохранилищ составляет в среднем (в зависимости от типа берега) от 25-45 м на Каневском, до 45-105 м на Кременчугском водохранилище, а максимальные величины достигают от 52,8 м на Каневском до 306,9 м на Каховском водохранилище. Наиболее активно размываются берега, сложенные связными породами (глинами, суглинками), которые даже на Каховском и Кременчугском водохранилищах не вышли из стадии абразионного выравнивания.
Эколого-гидроморфологический подход к обоснованию берегозащитных сооружений. По нашему мнению, защитные сооружения водохранилищ должны моделировать естественные берега. Из всего многообразия берегов водоемов в качестве аналогов экосистемам берегозащиты водохранилищ могут служить: береговые клифы из стойких к размыву пород (аналоги для подпорных стенок, банкетов и других сооружений, которые не меняют свою конфигурацию со временем); песчаные и галечные пляжи (для искусственных пляжей из тех же материалов); бухтовые и шхерные берега, пересыпи, стрелки, бары, переймы и т.п. (для активных сооружений, которые могут приспосабливаться к гидроморфологическим особенностям береговой зоны и тем самым управлять береговым процессом).
Характерная особенность изложенного подхода - это представление о системах берегозащиты на водохранилищах как о сложных, но целостных техногенных экосистемах в составе экосистемы береговой зоны водохранилища. Функционально эти техногенные экосистемы должны быть максимально приближенными к естественным береговым экосистемам берегов-аналогов. Предложенное нами понятие «техногенная береговая экосистема» [8; 11] необходимо для моделирования и оптимизации береговых экосистем, способных одновременно выполнять функции защиты берегов, водоохранные и социальные функции.
Эти работы показали, что воспроизведение утраченной вследствие урбанизации водной экосистемы естественным путем практически невозможно. Единственный реальный путь - это моделирование новых водных экосистем, которые были бы максимально приближенными к естественным экосистемам и в то же время удовлетворяли бы урбанизационные нужды. На основе этих предложений обосновано представление об инженерной защите берегов и прибрежных территорий как составной части берегозащитных экосистем, которые входят в прибрежный экотон водохранилища - его ВЗ [8]. Одновременно эти экосистемы играют буферную, водоохранную роль в системе инженерного и биотехнического благоустройства прибрежных территорий.
Таким образом, берегозащитные экосистемы - это не только средство борьбы с вредным действием вод (охрана берегов) и с загрязнением водных объектов (водоохрана), но и основа архитектурно-планировочных решений на прибрежных территориях, направленных, кроме всего прочего, на сохранение и приумножение биоразнообразия.
Разные системы берегозащиты (их экологические особенности, вопросы оптимизации и моделирования этих экосистем с целью сохранения биоразнообразия и управления береговыми процессами и т.п.) были рассмотрены раньше в ряде других наших работ [8; 11 и др.].
Эколого-гидроморфологический анализ берегозащитных работ, выполненных в 1988-2012 гг. На представлениях о динамических системах берегов днепровских водохранилищ, о целесообразности строительства берегозащитных сооружений на стадии абразионно-аккумулятивного выравнивания береговой линии и о формировании берегозащитных сооружений в виде аналогов естественных берегов были разработаны подходы к обоснованию берегозащитных сооружений на ряде объектов днепровских водохранилищ. Эти работы были выполнены на основе мониторинговых исследований их берегов.
Предлагаемое внедрение в научную практику понятия «техногенная береговая экосистема» означает переход от систем защиты берегов (сооружения и мероприятия) к моделированию береговых экосистем, способных одновременно выполнять функции защиты берегов, водоохранные и социальные функции.
Создание техногенных систем берегозащиты в виде берегов-аналогов позволяет превращать неустойчивые естественные берега в статически или динамично устойчивые с заданными наперед с помощью аналогии свойствами. Сооружения-аналоги обеспечивают состояние равновесия в прилегающей к ним части береговой зоны, поскольку минимизируют нарушение естественного развития берега и обеспечивают управление береговым процессом и развитием береговой зоны. Берегозащитные сооружения при этом не только гасят волны или течения воды, которые размывают берег,но и направляют их энергию на формирование устойчивых берегов.
На днепровских водохранилищах используются [7; 29] такие традиционные, хорошо разработанные в научно-техническом плане виды берегоукреплений, как искусственные пляжи (примывы), подпорные бетонные стенки и укосы, каменно-набросные банкеты, буны и различные комбинированные и нетрадиционные методы.
Около 55 % протяженности защиты берегов выполнены каменно-набросными банкетами и их модификациями. Эти же банкеты часто являются основной составляющей частью комбинированных защит и наиболее распространены там, где нет песчаных грунтов (Каховское водохранилище), или же там, где есть выходы кристаллических пород в береговой зоне (Днепровское и Днепродзержинское водохранилища). На остальных водохранилищах больше распространены искусственные пляжи (примывы), поскольку здесь есть залежи песка. Буны, бетонные стенки и укосы встречаются сравнительно редко, в основном в населенных пунктах и на хозяйственных объектах. Большинство берегоукреплений разрушается из-за проектных просчетов и недостатков строительства и эксплуатации.
Как показывает опыт, наиболее экологически значимыми, т. е. близкими к естественным берегам-аналогам, оказались искусственные пляжи и примывы, которые естественно вписываются в окружающую среду и могут использоваться для рекреационных целей [8; 11]. В населенных пунктах искусственные пляжи в комбинации с бунами, подпорными стенками имеют большие перспективы, особенно при условии дополнения этих сооружений водоохранным инженерным и биотехническим благоустройством и обеспечением социальных функций.
Каменные банкеты и наброски ограничивают доступ населения и животных к воде, вызывают застойные явления и накопление мусора в приурезовой зоне, т. е. приобретают негативное социальное и экологическое значение. Они сложны и дороги в строительстве и эксплуатации и потому их использование на водохранилищах требует надлежащего обоснования и оптимизации, в первую очередь, с точки зрения повышения их экологической безопасности и улучшения социальных функций.
Если сооружение искусственного пляжа невозможно в связи с отсутствием песка, целесообразно заменить каменно-набросной банкет на буны, шпоры, прерывистое крепление или другое сооружение, которое обеспечивает свободный доступ к воде. Межбунное пространство целесообразно заполнять привозным или намытым песчаным грунтом. Для закрепления откосов берега между бунами или блокирующими элементами (при прерывистом креплении) хорошо зарекомендовали себя биологические методы (посадки вербы, лозы, камыша, тростника и пр.). В условиях, когда основным движущим фактором гидродинамики берега являются течения, буны выступают вообще как наиболее эффективные, в том числе и с экологической точки зрения, берегоукрепительные сооружения.
Предложения по эколого-гидроморфологическому обоснованию берегозащитных сооружений на водохранилищах. Учитывая вышеизложенное, при участии автора статьи была пересмотрена и уточнена программа мероприятий по закреплению берегов днепровских водохранилищ [29]: уменьшена до 100 км протяжность рекомендованных к защите берегов; сделан существенный упор на защиту окружающей среды (лесов, плодородных земель, памятников природы, исторических и естественных заповедников), населенных пунктов и хозяйственных объектов. Эти предложения были использованы при подготовке Общегосударственной программы развития водного хозяйства Украины (2002 г.) и последующих ее уточнениях.
Как показывает изучение экологического состояния прибрежных земель и акваторий рек Десна, Днепр и днепровских водохранилищ, необходимо дополнительно включить в защитные мероприятия участки берегов, на которых значительно загрязнены почвы и прибрежные воды. Вследствие защиты лесов и ценных земель сохранятся не только ресурсы, но и важные экологические элементы. Все эти меры также будут содействовать охране вод от загрязнения и засорения. Особую роль при этом играют песчаные пляжи (примывы), поскольку они очищают путем фильтрации через песок загрязненную воду, которая поступает из берегов или из акватории на пляжные песчаные откосы. Фильтрационные свойства песка улучшают очистку воды по сравнению с ее самоочисткой в 5-10 раз [21; 28], что подтверждает значительную санитарно-гигиеническую роль песчаных пляжей.
По результатам стационарного мониторинга состояния и динамики береговой зоны в районе потенциальных участков защиты берегов были определены или рассчитаны гидроморфологические показатели береговых процессов и их ключевых факторов: волн, течений, нагонов, уровней воды, береговых уступов, отмелей, наносов. На их основе были построены модели береговой системы для каждого участка и определены необходимые объемы песчаного материала, достаточного для функционирования береговой системы в состоянии динамического равновесия. При этом учитывалась возможность вынесения песка за пределы участки защиты.
Берегозащитные сооружения и водоохранные меры планировалось проводить на всю динамическую систему берега, которая и была объектом защиты. Но на первом этапе в тело пляжа закладывался песчаный материал в объеме, достаточном для 12-летней безаварийной работы. Дополнительный песчаный материал планировалось разместить на втором этапе строительства лишь в зонах размыва и в случае обоснованной необходимости. В отдельных случаях для регулирования потоков наносов были запроектированы буны.
Биологическое крепление посадками специальных видов растительности: наземной - возле береговых уступов и воздушно-водной - на отмели превращало динамическую систему берега в береговую экосистему со специфическими надводными и подводными биотопами и биоценозами.
В естественных условиях нарушенная экосистема, в данном случае береговая экосистема на водохранилище, проходит определенные стадии (фазы, этапы) развития к достижению состояния уравновешенной, саморегулируемой системы. Такие же параметры расчетным путем мы задаем модели береговой экосистемы - участку защиты берега, которая на стадии динамического равновесия должна стать саморегулируемой системой. Достигается это колебаниями наклона береговой отмели соответственно волновым нагрузкам, а также знакопеременными миграциями вдоль и поперек берега течений воды и потоков наносов.
Такие же типы береговых экосистем в виде берегов-аналогов на стадии динамического равновесия, но с каменно-гравийных и других местных грунтов в те же годы были смоделированы на отдельных участках Кременчугского и Днепродзержинского водохранилищ (города Градижск и Днепродзержинск, села Максимовка, Нед огарки, Пронозовка и др.). Эти сооружения, как правило, выполнены «пионерным» способом, когда с помощью каменно-набросного банкета отсекается часть акватории, которая засыпается местным грунтом с последующим биологическим закреплением надводной и подводной частей сооружения.
В Научно-производственном центре Днепровского БУВР был разработан и внедрен метод защиты берега водохранилища на территории населенных пунктов в тех местах, где берег сложен суглинисто-супесчаными грунтами и имеется вдольбереговой поток наносов [7]. В этом случае пляж создается как зона рекреации за счет порционной подсыпки песчаного материала на участках питания потока наносов. Такое строительство рекомендуется выполнять средствами «малой гидротехники», когда строительный материал малыми порциями подается в береговую зону на протяжении продолжительного времени. Постоянное поддержание такого рекреационного пляжа в состоянии динамического равновесия дополняется биологическим закреплением надводной и подводной частей. Искусственно созданные рекреационные пляжи успешно функционируют в городах Канев, Черкассы, Днепродзержинск и других и используются под городскую застройку, а в прибрежной части - под рекреацию.
Применение для защиты берегов водохранилищ местных грунтов (песка, камня, гальки) в комбинации с биологическим закреплением (деревья, кусты, травы) наиболее полно отвечает требованиям воспроизводства и сохранения экосистем естественных берегов и не нарушает эстетичной ценности береговых ландшафтов. В таких условиях системы берегозащиты не только выступают как абиотические факторы водных и прилегающих к ним береговых экосистем, но и сами формируются в виде биотического фактора - берегового биоценоза. Берегозащитные функции растительности проявляются в гашении энергии волн, течений и потоков наносов, закреплении поверхностного грунта от размыва и развевания. Водная растительность способствует расселению на подводных склонах представителей зообентоса, которые выполняют роль естественного мощения и тем самым защищают отмели от размыва. Посадки растительности на отмелях в качестве биофильтров улучшают качество воды, грунтов и воздуха, а посадка растений на берегах кроме берегозащитной и водоохранной функций создаёт прекрасные рекреационные условия и могут удовлетворять нужды лесного и охотничьего хозяйств.
Выполненные в последнее время исследования гидробиоценозов на берегоукреплениях днепровских водохранилищ показали [17-19], что эти сооружения находятся на этапе «натурализации», т. е. вторичного восстановления структуры естественных ландшафтов. Они все больше осваиваются биотой и становятся неотъемлемой частью функционирующих водных экосистем, содействуют увеличению разнообразия прибрежных ландшафтных комплексов и мелководных биотопов. Конечно, процессы «натурализации» происходят быстрее тогда, когда сооружения уже являются аналогами береговых систем и объединяют инженерные и биологические решения. Это содействует более быстрому прохождению естественных сукцессий, заселению сооружений биотой и, как результат, увеличению эффективности сооружения и закреплению берега.
За последние 10-15 лет в связи с массовым освоением прибрежных территорий на реках Днепр и Десна и на Киевском и Каневском водохранилищах в г. Киеве и Киевской области возникла проблема защиты берегов от затопления, подтопления и размыва. Она породила целый ряд юридических, экологических, градостроительных и технических проблем [14].
Объекты, которые расположены в береговой зоне или близ нее, испытали значительную антропогенную нагрузку, чрезмерно урбанизированы, создают техногенную и экологическую опасность для населения и биоразнообразия. Было установлено [14], что для оздоровления их водных и береговых экосистем, водных, земельных, биологических, селитебных и рекреационных ресурсов необходимо осуществить неотложные радикальные мероприятия: расчистить и утилизировать загрязненные и засоренные донные и береговые грунты, обеспечить надлежащий водообмен и проточность, воссоздать утраченное биоразнообразие. По существу, речь идет о создании новой местной водной экосистемы. Воспроизведение утраченной экосистемы естественным путем практически невозможно. То же нужно сказать и относительно восстановления первоначального (на момент заполнения водохранилища) состояния этих водоемов и островов. Единый, по нашему мнению, реальный путь улучшения их экологического состояния - это моделирование новых водных экосистем, которые были бы максимально приближены к естественным условиям и вместе с тем удовлетворяли бы урбанизационные потребности.
Смоделированные экосистемы отдельных водоемов выступают как биотические факторы и структурные элементы экосистем водохранилищ вообще. Наряду с биологическим креплением и устройством инженерных сооружений - аналогов естественных береговых систем их необходимо учитывать при планировании использования прибрежных территорий в городах. Такие методические приемы оздоровления и ландшафтно-экологического воспроизведения естественных условий с одновременным решением градостроительных задач были применены на озере Выдубицком и Княжьем затоне р. Днепр в г. Киеве [10; 16].
1. Результаты изучения берегов днепровских водохранилищ показали, что процесс их формирования с течением времени существенно не затухает, а проблема защиты берегов остается актуальной. Более того, именно на этапе абразионно-аккумулятивного выравнивания береговой линии процесс стабилизируется и защита берегов может быть строго обоснована как с экологической, так и с экономической точек зрения.
2. Вследствие создания водохранилищ на равнинных реках возникли природно-техногенные экосистемы, которые состоят из собственно водных экосистем и переходных между ними и прилегающей сушей экосистем типа экотонов. Последним территориально соответствуют водоохранные зоны водохранилищ, в пределах которых выделяются береговые (прибрежные) полосы (зоны отвода) - по существу, контактные зоны между сушей и водой, где взаимовлияние последних наиболее заметно. Именно здесь организовываются мероприятия по защите береговых территорий от размыва и затопления, а водных акваторий - от загрязнения и засорения. Системы этих мероприятий называют «инженерной защитой территорий». Из этого следует, что системы берегозащиты вместе с полосами их отвода являются границами (барьерами) между водными экосистемами и береговым экотоном. В статье дана оценка выполненных берегозащит, а также изложены предложения по их усовершенствованию.
3. Береговая зона играет в структуре водных экосистем водохранилищ роль экотона между акваторией и сушей, поэтому управление состоянием берегов играет существенную роль в управлении экологическим состоянием водохранилищ в целом. Наиболее важное значение при этом имеют управление загрязнением водоемов и защита прибрежных территорий.
4. Автохтонное загрязнение вследствие деструкции и накопления органического вещества, размыва островов и ложа, взмучивания донных грунтов и отложений саморегулируется процессами внутриводоемной динамики путем перемещения и трансформации загрязнений. Реальное уменьшение загрязнения воды в экосистеме в целом возможно лишь при ограничении аллохтонного поступления загрязнений, в основном из прилегающих территорий, а для этого опять же необходимы инженерная защита и водоохранное зонирование прибрежных территорий водохранилищ.
5. В связи со сравнительно незначительными глубинами на больших равнинных водохранилищах морфология затопленной речной долины (глубины, уклоны склонов, размеры и строение элементов ложа и берегов) сказывается на гидрологических явлениях и процессах и их параметрах, а соответствующие гидрологические зависимости в условиях водохранилища превращаются в гидролого-морфологические. К ведущим (ключевым) абиотическим факторам, которые влияют на экосистему водохранилища, следует отнести эколого-гидроморфологические факторы: гидродинамику, морфологию берегов и ложа водохранилища и их геологическое строение, геодинамику берегов и ложа. Эти факторы и условия в совокупности с гидрологическими и гидрохимическими факторами определяют состояние среды, в которой функционирует биота водохранилища, и ее структурно-функциональное строение как водной экосистемы.
6. Предложено, обосновано и внедрено на отдельных участках днепровских водохранилищ представление о системах берегозащиты как о сложных целостных техногенных экосистемах в составе береговой зоны водохранилищ. Функционально они должны быть максимально приближенными к естественным береговым экосистемам - берегам-аналогам. Введение в научное употребление понятия «береговая техногенная экосистема» означает переход к моделированию береговых экосистем, способных одновременно выполнять функции защиты берегов, водоохранные и социальные функции. Такие подходы позволяют превратить берега водохранилищ, которые формируются стихийно, в «окультуренные» берега, которые сохраняют стабильность своих элементов, их способность к самозащите и самообновлению в условиях урбанизации и хозяйственного освоения. Устойчивость искусственных береговых экосистем определяется их биоразнообразием и пригодностью к оптимальному управлению.
Комментариев нет:
Отправить комментарий