Характеристика склоновых процессов Рыбинского водохранилища в районе дер. Горохово Рыбинского района Ярославской области

Введение

В первой половине XX века на территории России было создано множество водохранилищ. Это привело к значительному преобразованию речных долин. Равнинные водохранилища характеризуются большими площадями водной поверхности, мелководностью, небольшими колебаниями уровня воды, относительно простым геологическим строением и зональностью развития процессов переработки берегов [7]. Одним из основных следствий создания водохранилищ стало развитие процессов переработки берегов.

Проблема рационального использования и защиты берегов водохранилищ является актуальной даже спустя десятилетия после введения в эксплуатацию большинства искусственных водоёмов.

В настоящей работе рассмотрены современные склоновые геологические процессы в верховьях Рыбинского водохранилища (рис 1.), активизировавшиеся в результате переработки берегов и особенности геологического строения, и его влияние на развитие процессов.

Изученность берегов Рыбинского водохранилища

В 50-70 годы XX века проводились масштабные исследования для оценки процессов переработки берегов. Первое время наблюдения за процессами переработки берегов носили несистематический характер, а наблюдательная сеть на большинстве водохранилищ продолжительное время была развита на весьма ограниченных участках [9].

Первые несколько лет после создания Рыбинского водохранилища не проводилось систематических наблюдений, положение наблюдательных створов несколько раз менялось. Это привело к недоучету ряда факторов, связанных как с формированием аккумулятивной части отмели, так и с активизацией геологических процессов. В частности, на Рыбинском водохранилище было выявлено значительное отклонение скорости переработки от прогнозной за счет валунного материала из морены, оказавшегося в волноприбойной зоне [6].

Рис. 1. Карта Рыбинского водохранилища: - местоположение участка исследований [10]

Несмотря на то, что на значительной части Рыбинского водохранилища берега относятся к относительно устойчивым и аккумулятивным, имеется ряд участков значительной протяженности, которые относят к абразионным с активными процессами переработки [5].

Склоновые процессы, развивающиеся на некоторых участках берегов водохранилища, охарактеризованы на значительных площадях лишь в общих чертах. В частности, для берегов Рыбинского водохранилища известно о развитии овражной эрозии, оползнях, локальных обвалах, однако данные о развитии этих процессов в настоящее время довольно скудны [1].

Отдельного внимания заслуживает и тот факт, что Рыбинское водохранилище является по своей сути озерно-проточным водоёмом, что осложняет прогнозирование переработки его берегов.

Геоморфологическая характеристика и геологическое строение

Объектом исследования являлся крутой склон на правом берегу р. Волга (рис. 2), на территории геологического памятника природы «Глебово» в районе впадения в Рыбинское водохранилище. Рассматриваемый участок находится в Рыбинском районе Ярославской области, в 19 км к западу от г. Рыбинска (рис. 1). Ближайшим населённым пунктом является дер. Горохово, находящаяся в 200 м к востоку от изучаемой площадки.

Исследуемый участок берега относится к абразионному типу [5]. Река Волга в районе проведения работ течет на северо-запад. Изучаемый cклон имеет соответствующую ориентировку. Рассматриваемая территория включает в себя следующие геоморфологические элементы: пойму р. Волга, приводораздельный склон, а также приводораздельную поверхность.

Пойма представляет собой галечно-песчаный пляж. Верхняя часть геологического разреза слагается песками коричневыми различной крупности: от мелких до гравелистых с частыми включениями гравия, гальки и большим количеством валунов. Ширина поймы на правом берегу незначительная - при нормальном подпорном уровне (101.8 м) составляет до 20-25 м; при высокой воде не превышает 1-2 м.

Склон, возвышающийся над поймой порядка 17 м, характеризуется трёхъярусным строением. Нижний ярус склона высотой около 6 м имеет крутизну до 80-85°. Слагается этот участок склона отложениями волжского яруса верхней юры (J_3v2), в разрезе которых выделяются (снизу - вверх):

Рис. 2. Общий вид склона в районе дер. Горохово в 2011 году (фото Т.М. Жуковой)

1. Основание склона - пески сероватые и бледно-желтые, средней крупности и крупные, слюдистыми в кровле со стяжениями железистых песчаников [4]. На значительной части рассматриваемой территории перекрыты осыпью.
2. Фосфоритовый конгломерат, синевато-чёрного цвета, с конкрециями, диаметром 0,1 м, пространство между конкрециями заполнено песком мелким, маловлажным, плотным, зеленовато-серого цвета, содержание песка в слое не превышает 25%. Видимая мощность 0,2 м.
3. Пески от жёлто-коричневый до оранжево-коричневого, мелкие, с железистым цементом, плотные, маловлажные, с железистыми конкрециями до 10 см. Мощность 0,5 м.
4. Фосфоритовый конгломерат, синевато-чёрного цвета, с диаметром конкреций 0,1м, заполнитель: песок зеленовато-серый, мелкий. Видимая мощность 0,1-0,2 м.
5. Песчаник темно-коричневого, желто-коричневого, красно-коричневого цвета мелкозернистый, местами до среднезернистого, слабосцементированный, цемент железистый. Содержит железистые конкреции, диаметром до 0,3 м. В верхней части слоя наблюдается чередование песчаников со слабосцементированными песками: прослои песков имеют мощность около 0,2 м. Мощность слоя - 4,3 м.

Средняя часть склона высотой порядка 3,5 м является более пологой с крутизной 30-32°. Эта часть склона слагается отложениями верхнего подъяруса валанжинского яруса нижнего мела (K_1v3) (рис. 5). Меловые отложениями представлены:

1. Фосфоритовый конгломерат коричнево-серый, с песчаным заполнителем; мощность порядка 0,3 м.
2. Пески зеленовато-серые, пылеватые, слоистые, слюдистые, глауконитовые. Видимая мощность около 0,2 м.
3. Пески светло-серые, мелкие, плотные, слюдистые, глауконитовые, маловлажные, слоистые. Видимая мощность 1 м. Исходя из морфологии склона можно предположить, что общая мощность песков составляет порядка 3 м, что согласуется с более ранними данными о мощности валанжинских песков в районе дер. Горохово [3].

Верхняя часть склона высотой от 6,5 до 9 м характеризуется крутизной от 40-50° на уровне подошвы моренных отложений до 80-90° в верхней части. Рассматриваемая часть склона слагается средненеоплейстоценовыми образованиями московского горизонта, представленными отложениями ледникового (gQIIms) и озерно-водно-ледникового (f,lgQIIms)  генезиса:

1. Суглинки и супеси коричневые, местами красновато-коричневые с галькой, щебнем, дресвой и валунами. Характеризуются неровной подошвой, а на ряде участков - и кровлей. Мощность составляет от 3.5 до 6 м.
2. Супеси коричневые, песчанистые с линзами песков мелких. Мощность составляет от 1 до 4 м, как правило, не превышает 3 м.

Осыпные образования (dsQ_IV) представлены песками светло-серыми и желто-коричневыми, мелкими, маловлажными. Осыпные образования плащеобразно покрывают среднюю часть склона, а также образуют конусы осыпи в основании склона. В основании склона развиты, преимущественно, на участках с относительно более широкой поймой и менее активной боковой эрозией. Мощность на средней части склона не превышает 0,5 м, а в основании склона - 1.5-2.0 м.

Соотношение разновозрастных образований показано на схематическом геологическом разрезе (рис. 4).

Рис. 3. Карта четвертичных образований района исследований. Составлена на основе листов Государственных геологических карт четвертичных образований (лист О-37, О-38-XV) с дополнениями

Современные геологические процессы

В пределах исследуемого участка развит широкий спектр экзогенных геологических процессов - обвальные, осыпные, обвально-оползневые, оползневые, суффозионные, эрозионные. Процессы имеют приуроченность к соответствующим элементам склона. Соотношение проявлений основных склоновых процессов представлено на схематической карте (рис. 5). Закартированые проявления склоновых процессов на исследуемом участке в период проведения работ характеризовались активной фазой развития. При сравнении с данными 2011 года становится очевидным, что все описанные в ходе исследований обвальные и обвально-оползневые тела имеют возраст не более 10 лет (рис. 2, 7).

К нижней части склона приурочены, главным образом, обвальные и обвально-оползневые процессы.

1) Обвально-оползневые процессы. Формирование обвально-оползневых тел начинается со смещения блока по поверхности скольжения, заканчивающееся свободным падением блока. На исследуемом участке обвально-оползневые тела представляют собой блоки, шириной до 3,3 м, длиной до 4,5 м, объемом до 16 м³. Как правило, в силу высоты и морфологии склона блоки оказываются прислонёнными к склону (рис. 6). Развиты на участках с почти отвесными стенками волжских песчаников, в частности, в местах, где высота нижней части склона над осыпью не превышает 4-5 м.

2) Обвальные процессы. Проявление обвальных процессов обусловлено двумя факторами – развитием бокового отпора и эрозионным подмывом склона.

Образование обвальных блоков связано с формированием трещин бокового отпора, по которым происходит отрыв блоков от склона. Блоки имеют размеры до 1,3 м в ширину и 4,5 м в длину. Объем отдельных блоков не превышает 7 м³. Стенки отрыва блоков, как правило, не превышающие 2-3 м² (рис. 7, 8).

Отдельно следует выделить обвальные процессы, непосредственно связанные с эрозионным размывом берега, сопровождающиеся формированием эрозионных ниш в основании склона. Подобная форма приурочена к участку с неразвитой осыпью, где обнажаются пески, залегающие ниже фосфоритового конгломерата. Образование карнизов связано со значительно большей размываемостью песков нежели вышележащие песчаников. При достижении определённых размеров ниш в песках растягивающие напряжения превышают прочность песчаников на растяжение, это приводит к фронтальным обвалам, что сопровождается образованием карнизных форм. В ходе исследований была описана подобная форма размерами 9,5х2,3х1,8 м. Обвальные глыбы при этом имеют слабо вытянутую, почти изометричную форму, размерами 0,2-1,4 м в поперечнике (рис. 9, 10).

В основании склона также имеют место локальные обвальные процессы. Они характеризуются площадью до 2-3 м² и значительно меньшим объемом, чем обвалы кровли волжских песчаников. Подобные обвальные формы приурочены к участкам без значительных осыпных отложений. Их образование связано с подмыванием берега. Образования карнизов не происходит вследствие того, что легкоразмываемые пески волжского яруса на этих участках выходят на поверхность не более, чем на 0,2-0,3 м. (рис. 11).

3) Оползневые процессы. Приурочены к верхней части склона. Согласно классификации Е.П.Емельяновой, их следует относить к суффозионным оползням второго типа [2]) (рис. 12). Они выражены в виде блюдцеобразных понижений на водораздельной поверхности вблизи бровки склона, размерами до 12х6 м и глубиной до 4,0 м. В некоторых таких понижениях имеют место обособленные оползневые уступы высотой около 40 см, примыкающие к бортам западин. Их образование связано с наличием спорадически развитого водоносного горизонта в отложениях четвертичной системы. Так, в 1,5 м ниже одной из западин грунты имеют значительно увлажнены, что говорит о сезонной разгрузке подземных вод на склон.

Рис. 4. Схематический геологический разрез склона на правом берегу р. Волга в районе дер. Горохово

Условные обозначения: Голоценовые образования: 1 – осыпные; 2 – обвальные; 3-4 – оползневые образования по верхне- и средненеоплейстоценовым образованиям соответственно; 5 – суффозионно-осыпные; 6 – аллювиальные; Средненеоплейстоценовые образования: 7 – флювио-лимногляциальные образования московского горизонта; 8 – морена московского горизонта; Дочетвертичные образования: 9 – пески верхнего подъяруса валанжинского яруса нижнего мела; 10-11 – песчаники и пески среднего подъяруса волжского яруса верхней юры соответственно; Прочие обозначения: 12 – фосфоритовые горизонты; 13 – геологические границы; 14 – уровень подземных вод; 15 – зона скольжения оползня; 16 – профиль склона без развитых склоновых процессов; 17 – трещины отрыва; 18 – поверхностные воды; 19 – валуны; 20 – сезонные источники разгрузки подземных вод

Разгружаясь, подземные воды выносят дисперсные частицы из супесей и суглинков, отлагая их в средней части склона. В отдельных случаях ниже источника разгрузки подземных вод располагается слабовыпуклое удлинённое тело песчаного и супесчаного состава, с размерами 5х2 м. Предположительно, представляет собой продукты суффозионного выноса дисперсного материала. Несмотря на то, что для суффозионных оползней не характерно развитие в моренных отложениях - по данным Дж.Хатчинсона подобный случай также были зафиксирован в Англии [8].

Рис.5. Схематическая карта проявлений склоновых процессов. Условные обозначения: Голоценовые образования: 1 – осыпные; 2 – обвальные; 3 – суффозионно-осыпные; 4 – аллювиальные; Средненеоплейстоценовые образования: 5 – флювио-лимногляциальные образования московского горизонта; 6 – моренные образования московского горизонта; Дочетвертичныеморские образования: 7 – верхнего подъяруса валанжинского яруса нижнего мела; 8 –среднего подъяруса волжского яруса верхней юры соответственно; Прочие обозначения: 9 – суффозионная западина; 10 – геологические границы; 11 – бровка склона; 12 – тыловой шов оползневого тела; 13 –  бровка оползневого склона; 14 – предполагаемая граница фронтальной части оползня; 15 – линия схематического разреза; 16 – поверхностные воды; 17 – валуны; 18 – сезонные источники разгрузки подземных вод

4). Осыпные процессы. Процессам осыпания наиболее подвержены четвертичные образования верхней части склона и меловые средней части склона. Первичная осыпь формируется на средней части склона. В момент, когда угол откоса осыпных образований превышает угол естественного откоса – происходит перемещение части осыпи вниз по склону и формирование конусов осыпи в основании склона.

5) Линейная эрозия. Единичные случаи линейной эрозии имеют место в отложениях четвертичной и меловой систем. Имеются как древние заросшие промоины, которые за последние 10 лет не претерпели значительных изменений, так и относительно молодые, развивающиеся в настоящее время (рис. 13,14). Глубина заросших оврагов до 9 м, при ширине до 20; молодых промоин – до 4 и 3 м соответственно.

Для характеристики динамики склоновых процессов на исследуемом участке важен тот факт, что крутой подмываемый склон в районе дер. Горохово имел место ещё до строительства водохранилища [3]. Судя по архивным фотоснимкам, профиль был заметно положе, пойма значительно шире, а подмывание берегов происходило лишь во время паводков и половодий. Склон не имел выраженного трехчастного строения, а преобладавшим процессом, судя по всему, был плоскостной смыв. Таким образом, до строительства водохранилища склон характеризовался как устойчивый, медленно отступающий.

Рис. 6. Обвально-оползневой блок, прислонённый к склону

Рис. 7 Общий вид обвального участка склона

Рис. 8. Стенка отрыва обвальной глыбы с характерными трещинами отрыва

Рис 9. Карнизная форма в основании склона

Рис. 10. Вывалы вблизи обвального участка склона

Рис. 11. Стенка отрыва в основании склона

Рис. 12. Блюдцеобразное понижение суффозионного оползня вблизи бровки склона

Заключение

Таким образом, склон на исследуемом участке имеет трёхъярусное строение, которое обусловлено особенностями геологического строения. В результате проведенных работ было показано, что в настоящее время на исследуемом участке развивается широкий спектр геологических процессов. Развитие таких процессов как обвальные, обвально-оползневые, оползневые, осыпные, линейная эрозия оказывают существенное влияние на разрушение и изменение морфологии склона.

Несмотря на то, что процессы переработки значительно замедлились, очевидно, что склон все ещё далек от выработки от равновесного профиля, существовавшего до строительства водохранилища. В то же время, проблематично применение понятия «конечный профиль переработки» для характеристики переработки берегов, поскольку берег будет подмываться и в дальнейшем, даже после затухания основных процессов переработки. Прогнозирование дальнейшей динамики склона осложняется колебаниями уровня воды в водохранилище и его озёрно-проточным режимом.

Рис. 13. Заросший овраг, прорезающий отложения четвертичной и меловой систем

Рис. 14. «Молодая» промоина водно-ледниковых супесях московского горизонта

Список литературы

1. Виноградова Н. Н., Назаров Н. Н., Никонорова И. В. Современные проблемы крупных водохранилищ Волжско-Камского каскада (эколого-геоморфологический аспект) //Эрозионные и русловые процессы. 2010. №5. С. 147-165.
2. Емельянова Е. П. О суффозионных оползнях //Вопросы изучения оползней и факторов, их вызывающих. 1968. С. 4-20.
3. Иванов А. П. Геологическое описание фосфоритоносных отложений по р. Нее, Желвати, Мере и Волге в Костромской губернии и по р. Волге в пределах Тверской и Ярославской губ //Тр. Комиссии Моск. с.-х. ин-та по исслед. фосфоритов. 1910. №. 2. С. 15-79.
4. Киселёв Д.Н., Баранов В.Н., Муравин Е.С., Новиков И.В., Сенников А.Г. Атлас геологических памятников природы Ярославской области. - Изд-во ЯГПУ им К.Д. Ушинского. 2003.
5. Митрофанов Д. Н. Современные абразионные процессы в береговой зоне Рыбинского водохранилища //Геология, география и глобальная энергия. 2011. №. 3. С. 210-214.
6. Золотарев Г. С., Соколов Д. С., Чаповский Е. Г. (ред.). Опыт и методика изучения гидрогеологических и инженерно-геологических условий крупных водохранилищ. – Изд-во Моск. ун-та, 1959.
7. Рекомендации по инженерным изысканиям для прогноза переработки берегов водохранилищ / ПНИИИС – М.: Стройиздат, 1986.
8. Хатчинсон Дж. Склоновые процессы, вызванные суффозией в песках // Оползни и сели. Сборник докладов международного семинара в Алма-Ате, октябрь 1981 г. М: Центр международных проектов, ГКНТ. 1982. С. 243-261.
9. Чуринов М.В., Акимов И.К., Олехова Л.И., Тарасова Г.И. Состояние берегов водохранилищ Волжского каскада и задачи их дальнейшего изучения / Труды Всесоюзного научно-исследовательского института гидрогеологии и инженерной геологии. Выпуск 47. М.: Министерство геологии СССР. 1972. С. 5-18.
10. Интерактивная карта сервиса Яндекс карты https://yandex.ru/maps/  (дата обращения 20.03.2022 г.)