Исследование причин и скорости образования плавучих островов зыбунов

Исследование причин и скорости образования плавучих островов (зыбунов) на Нарвском водохранилище и разработка научно обоснованных рекомендаций по предотвращению их негативного воздействия и стабилизации берегов водохранилища Государственный контракт от 29. 04. 11 № 01/11 -900 29. 04. 2011 - 29. 09. 2012

Исполнители: Отдел Региональной геоэкологии и морской геологии ВСЕГЕИ Проф. , д. г. м-. н, Спиридонов М. А. , к. г. -м. н. Рябчук Д. В. , канд. г. -м. н. Шахвердов В. А. , Нестерова Е. Н. , Кропачев Ю. П. , канд. г. -м. н. Жамойда В. А. , канд. г. -м. н. Григорьев А. Г. , Сергеев А. Ю. , Мануйлов С. Ф. , Шахвердова М. В. , Малышева Н. Б. , Степанов Б. В. Научно-исследовательский институт космоаэрометодов в геологии (НИИКАМ) Канд. г. -м. н. Сухачева Л. Л. , канд. г. -м. н. Кильдюшевский Е. И. , Бычкова И. А. , Попова Т. А. , Буркина Ю. Л. , Никонова О. Л. Российский государственный гидрометеорологический университет (РГГМУ) Канд. ф-м. н. Лукьянов С. В. , проф. д. ф. -м. н. Клеванный К. А. , проф. , д. ф. м. н. Царев В. А. , канд. г. н. Исаев Д. А. Санкт-Петербургский государственный Университет Канд. г. -м. н. Корвет Н. Г. (инженерная геология) Зоологический институт РАН Жакова Л. В. (геоботаника), Нацваладзе Н. Ю. (лабораторный анализ торфа)

Образовалось в 1955 г. после строительства Нарвской ГЭС Площадь акватории водохранилища (при НПУ 25, 0 м) 191 км 2, из которой в составе территории России находится 156 км 2 или 88%. Средняя глубина водоема 1, 8 м, максимальная - 15 м

Летом 2010 г. крупный остров размером 6 наблюдались сплавины, На протяжении истории водохранилища га, дрейфовавший со скоростью площадь до 50 - гакм достигающие в длину 1 600 м, а в имеющие около 3 5 и в час, ситуацию усложнял усилившийся ветер. Решение о пропуске острова через плотину ширину 650 м. В августе 1983 года торфяные острова диаметром было принято в оперативном порядке. Прохождение острова 90 -160 м дрейфовали в сторону Нарвской ГЭС во время шторма, причинилодиаметром 150 м полностью закрыла вход однако сплавина станции сравнительно небольшой ущерб, на пристань песчаный пляж эстонского города Нарва-Йыэсуусброшено около Кулгу. За 40 лет через водослив плотины было (в Нарвском заливе) был сплавин. 11 гектаров значительно загрязнен кусками почвы и деревьями.

IKONOS от 22 июля 2010 г. (Quick Look)

Максимально допустимый вклад питательных веществ (тонн) Поступление в 1997 – 2003 гг. Необходимые сокращения Фосфор Азот Ботнический залив 2580 51440 0 0 Ботническое море 2460 56790 0 0 Финский залив 4860 106680 6860 112680 2000 6000 Центральная Балтика 6750 233250 19250 327260 12500 94000 Рижский залив 1430 78400 2180 78400 750 0 Датские Проливы 1410 30890 1410 45890 0 15000 Каттегат 1573 44260 1570 64260 0 20000 Всего: 21060 601720 36310 736720 15250 135000

Согласно Декларации безопасности гидротехнических сооружений Нарвской ГЭС, утвержденной Управлением государственного энергетического надзора Ростехнадзора России от 15. 06. 2008 г. и действующим Правилам эксплуатации Нарвского водохранилища в случае появления вблизи водосливной плотины и водоприемника ГЭС плавающих торфяных островов, угрожающих безопасной работе ГЭС, совершается пропуск острова через плотину.

ЗАДАЧИ НИР • установление деталей геологического строения, рельефа, а также особенностей лито- и морфодинамики береговой зоны, как основы для предотвращения или снижения негативного эффекта опасной трансформации берегов; • выявление основных природных и техногенных факторов, определяющих места зарождения, интенсивность, размеры, частоту образования, скорость передвижения, строение и прочность (состав) плавающих островов (сплавин-зыбунов). • составление заключения об условиях формирования сплавин-зыбунов на Нарвском водохранилище, • разработка рекомендаций по снижению негативного воздействия сплавин-зыбунов на режим эксплуатации гидротехнических сооружений ГЭС, экологическое состояние территории в нижнем бьефе плотины и способах утилизации плавучих островов; • определение условий и выработка рекомендаций для стабилизации берегов водохранилища; • создание ГИС Нарвского водохранилища отвечающей целям и задачам НИР.

Плавучие торфяные острова образуются: -при сплавинном нарастании (зарастании) водоемов (от берегов) с последующим отрывом их отдельных частей; (Volkova, 2010) Образование сплавины: 1 – сапропель; 2 - торфяной ил (мутта); 3 – торф (Денисенков, 2004).

- при всплывании торфа со дна водоемов Схема всплывания торфа. 1 – начало всплывания – подводная вспучина; 2 – надводная вспучина, образовавшаяся из подводной; 3 – надводная вспучина, частично оторвавшаяся от торфяника; 4 – свободная сплавина (Богдановская. Гиенэф, 1959)

На водохранилищах, созданных при затоплении болотных массивов, плавучие острова (сплавины) могут представлять серьезные проблемы. Всплывший торф создает помехи судоходству, рыболовству, иногда лесосплаву, и особенно нормальной эксплуатации ГЭС. - промерзание (снижает плотность на 10 -15%); - накопление в торфе газов, происходящее в Горьковское, Рыбинское, Верхнесвирское, результате жизнедеятельности анаэробных Богучанское, Хантайское, Иваньковское микроорганизмов, в обводненных частях торфяников водохранилища, зоны затопления Валазиминской, со слабой степенью разложения торфа (не Иовской, Каменской, Верхнее-Туломской, Кумской, более 25% у низинных Березовской, Сургутской, Рефтинской, Понойской, торфов и не выше 20% у верховых) Курганской ГЭС

Важными факторами, контролирующими процессы всплывания торфа являются: - батиметрическое положение затопленных торфяных отложений (наиболее активно торф всплывает на глубинах менее 2. 5 -3. 0 м); - рельеф дна водохранилища; - ботанический состав торфа; - свойства торфа (плотность, степень разложения, зольность, влажность, кислотность, теплота сгорания), прочность на разрыв, сила сцепления с нижележащими слоями или минеральным грунтом и др. ) и характер их изменения после затопления водохранилища; - геологическое строение дна водохранилища (мощность и характер залегания торфа, геологическое строение минерального субстрата); - характер осадочного покрова, формирующегося на дне водохранилища после его затопления; - пнистость ложа водохранилища, наличие затопленных деревьев и т. д. ;

Переход плавучих определяется: островов в дрейф -свойствами сплавин (размер, вес, «парусность» за счет растущих на них деревьев, степень «заякоренности» за счет связи с соседними участками или с дном с помощью корневой системы деревьев); - гидрометеорологическими, гидрологическими гидродинамическими факторами; - уровенным режимом водохранилища. и

Исследование болот водохранилища Нарвской ГЭС до их затопления было произведено Ленгидропроектом в 1950 г.

1955 -1956 Карта четвертичных отложений окрестностей Нарвского водохранилища (Геологическая карта…, 1962; Валуев и др. , 1951 ф).

1955 -1956 Общая площадь болот, попавших под затопление на Нарвском водохранилище составляет 75 км 2. Из них площадь участков, обладающих активной способностью торфа к всплыванию, составляла 55 -60 км 2.

По данным исследований 1962 -1964 гг. , значительная К 16 всплывшего торфа, за исключением двух сплавин частьиюня 1958 г. торф всплыл на га и 1. 5 -2. 0 площадью 6 площади околога не имела возможности 20 км 2, за период 1958 -1963 свободно перемещаться (дрейфовать) по 2 гг. еще на площади как она либо была прочно соединена водохранилищу, так 10 -15 км с. частью торфяника, выходившей за пределы водохранилища, либо с не всплывшей частью торфяной залежи.

К 1977 г. всплывание торфа было зафиксировано на общей площади 42 км 2 - Организовать наблюдения за сплавинами; -Провести аэрофотосъемку; -Проанализировать зарубежный опыт борьбы с дрейфующими островами.

Полевые работы 2011 -2012 гг. Вдольбереговые маршруты

Строение сплавины. Полевой рисунок М. А. Спиридонова

Опробование донных осадков штанговым пробоотборником Пробоотбор с использованием малой драги

Бурение донных отложений с использованием торфяного бура

Геохимическая схема Нарвского водохранилища

Подводная фото- и видеосъемка

Подводная фотосъемка сплавины (левая колонка) стационарного торфяного острова (правая колонка). 1 – вид острова под поверхностью воды; 2 – притопленные «свисающие» края острова; 3 – торфяная «основа» острова; 4 – нижняя часть острова (слева – граница со слоем воды; справа – граница с подводным береговым склоном); 5 – дно около острова (слева – под островом).

Профили 1964 -1977 гг.

Схема профилей ГЛБО и эхолотирования Схема профилей георадиолокации

Ледниково-озерные глины торф морена зона всплывшего торфа флювиогляциальные отложения

Пример записи ГЛБО с изображением затопленного русла реки

Скважина пробурена до глубины 5, 0 м: 0 -0, 4 м -почвенный слой, 0, 4 -0, 55 м торф сильно обводненный, 0, 55 -1, 4 м торф обводненный, в интервале 1, 4 -3, 6 м -ВОДА, в интервале 3, 6 -4, 5 м - органогенные илы, в интервале 4, 5 -4, 7 м торф табачного цвета, интервал 4, 7 -5, 0 м сложен ленточными глинами светло-голубого цвета.

Батиметрическая карта Нарвского водохранилища (с использованием результатов эхолотирования 2011 года)

1 – контур берега по карте, изд. 1978 г. , 2 – контур берега по КС LANDSAT-5 на 04. 08. 2011 г.

Тепловой ИК-диапазон, Landsat-5/ТМ от 05. 2001 г. Шкала относительная – диапазон яркости изображения разбит на 16 градаций

Заказ спутниковых изображений сверхвысокого разрешения Съемка заказанного полигона успешно выполнена 4 августа 2011 г. , при полном отсутствии облачности в районе водохранилища КС World View-2, Multispectral – 1. 8 м (4 из 7 каналов) PAN – 0. 5 м

GPS-съемка 2011 г. Фрагмент космического снимка World View-2 за 04. 08. 2011 с

GPS-съемка мая 2012 г. 360 м

2009 2006 2011

Синтезированное изображение Нарвского водохранилища. КС Landsat-7/ETM+ за 22. 10. 2002 г. (спектральные каналы 321)

1955 -1958 – 10 -15 км 2 1958 -1964 – 30 -35 км 2 1964 -1977 – около 42 км 2 На 2011 год – 38 км 2 наиболее опасны - 8 км 2

Скорости на поверхности в модели Нарвского водохранилища при западном ветре 10 м/с и среднегодовом расходе рек Нарва и Плюсса

Скорости у дна в модели Нарвского водохранилища при западном ветре 10 м/с и среднегодовом расходе рек Нарва и Плюсса

1) Площадь водохранилища и контуры его условной береговой линии являются относительными и подвержены существенным изменениям во времени и пространстве. Берега водохранилища представляют собой специфические «сплавинные» массивы, представляющие собой находящиеся на плаву (глубины под сплавинными берегами 0, 5 -2, 5 м) торфяные слои (мощность 0, 5 -1, 5 м), покрытые почвенным слоем и пронизанные корнями травянистой, кустарниковой и древесной растительности. Общая площадь сплавинных берегов водохранилища составляет в настоящий момент 38 км 2.

2) Наиболее активные процессы всплывания торфяников, занимавших значительные площади дна будущего водохранилища наблюдались с 1955 по 1964 г. Общая площадь всплывшего торфа достигла 30 -35 км 2. Всплыванию торфа на Нарвском водохранилище способствовали незначительные глубины (2 -3 м), высокая температура придонных вод в летний период, свойства торфяных залежей (слабая степень разложения, ботанический состав), и характер контакта с подстилающими ледниково-озерными отложениями. Дополнительным фактором, способствующим всплыванию торфа являлось тепловое загрязнение со стороны Эстонской и Балтийской ЭС. На начальных этапах существования водохранилища всплыванию торфяников препятствовала закоряженность его дна и наличие большого количества затопленных стволов деревьев. В последующие годы процесс замедлился, однако в ограниченном масштабе наблюдается до настоящего времени.

3) В связи с отсутствием у сплавинных «берегов» подводного берегового склона сплавинные берега даже при незначительном волнении подвергаются волновой нагрузке. Вследствие постепенного освобождения ложа водохранилища от затопленных деревьев наблюдается усиление волновой деятельности, что должно приводить к постоянному образованию новых сплавинных островов. 4) Предотвратить образование плавающих островов в обозримом будущем не удастся, поскольку сплавинные берега на Нарвском водохранилище имеют значительное распространение. Площадь наиболее опасных с точки зрения отрыва сплавин участков берегов в настоящее время составляет 8 км 2. Проведенные исследования позволили выявить зоны наиболее интенсивного отрыва сплавин, локализованные преимущественно в восточной (устьевой) части Пятницкого залива (южный берег, и, в меньшей степени, северный берег), а также междуречье Плюссы и Нарвы.

5) Проведенное моделирование позволило выявить механизм отрыва участков сплавинного берега. При штормовых ветрах западных направлений (скорость более 10 м/с) в поверхностном слое воды генерируются течения со скоростями до 30 см/с, также направленные на запад. Одновременно при этой гидрометеорологической ситуации в придонном слое воды возникают течения противоположного направления со скоростью до 2 см/с, что способствует отрыву корневой системы деревьев от дна. Вследствие противоположно направленных течений, а также воздействия западного ветра на надводную часть сплавинного берега ( «парусность» отдельных участков которого весьма велика за счет древесной растительности) происходит отрыв участков сплавин.

6) После отрыва плавучего острова от массива, их дрейф определяется ветром и течениями. Для оценки этих процессов была построена математическая модель течений Нарвского водохранилища. С учетом мелководности водоема можно сказать, что вся толща воды находится в перекрывающихся пограничных слоях - придонном и приповерхностном. Поэтому поворот течений с глубиной существенным образом зависит от морфометрии дна. Карты распределений течений показали, что их характер полностью определяется тремя основными факторами: расходами рек Нарва и Плюсса, скоростью и направлением ветра, морфометрией дна водоема.

7) Для предотвращения негативных последствий образования торфяных островов для Нарвской ГЭС и нижнего бьефа плотины рекомендуется: - продолжение строгого соблюдения режима работы Нарвской ГЭС с недопущением резкого изменения уровня водохранилища; - своевременное обнаружение плавучих островов и их буксировка в кутовую (восточную) часть Пятницкого залива как природный отстойник;

GPS-съемка мая 2012 г. 360 м

- создание в западной части Пятницкого путем локального (прерывистого) обвалования (отвала) блокирующей подводной преграды с применением предложений, разработанных и запатентованных авторами данной НИР для перехвата плавучих островов.

9) Наиболее вероятный метод утилизации плавучих островов заключается в перехвате дрейфующих всплывших и полузатопленных сплавин и отводе их в естественные заливы-отстойники с последующей переработкой утилизированного торфа в гранулу (пеллету), биодизель, сорбенты, торфяной воск и др. Следует отметить, однако, что в конкретных условиях Нарвского водохранилища вопрос о рентабельности и экономической целесообразности утилизации островов требует дополнительной проработки с организацией и проведением экспериментальных работ по буксировке, стабилизации и дезинтеграции плавучих островов.

10) Наиболее эффективным способом получения необходимой информации для принятия своевременных эффективных мер по оптимизации существующей природной (природно-техногенной) обстановки является организация и проведение мониторинга состояния природной среды за достаточно представительский отрезок времени (не менее трех-пяти лет). В состав мониторинга должен входить методический комплекс полевых (геологогеоморфологических и гидрологических) исследований и анализ актуальных космических снимков в выявленных районах основной генерации островов-сплавин. 12) Учитывая трансграничный характер как самой проблемы, так и причин ее возникновения, целесообразна организация специальных двусторонних российскоэстонских исследований Нарвского водохранилища.

Спасибо за внимание!