Классификация методов расчета переработки берегов водохранилищ, особенности их применения в различной природной обстановке.

Формирование берегов водохранилищ после их наполнения принято называть переработкой, т. к. до их создания берега формировались под воздействием природных процессов в иных, естественных, условиях. После наполнения водохранилищ эти условия резко изменяются. Речные берега превращаются в берега искусственного моря. Формируется вновь созданная береговая линия, под влиянием, главным образом, подмыва и разрушения, в пределах которой с большой скоростью идет размыв берегов, нарушается устойчивость склонов, активизируются экзогенные геологические процессы (оползни, обвалы, карст), продукты разрушения пород аккумулируются в ложе водохранилищ, изменяются гидрогеологические условия. Под переработкой берегов понимается совокупность экзогенных геологических процессов (эрозия, абразия, аккумуляця, оползни, карст, суффозия и др.), обусловленных изменившимися в результате создания водохранилища природными условиями и приводящих к деформациям прибрежных территорий.

Методы прогноза переработки берегов водохранилищ подразделяются на 4 основные группы:

1. Энергетические методы: Е.Г. Качугина (1959), М.Е. Кондратьева и др. заключаются в сравнении суммарной энергии волнения с показателями прочности размываемых горных пород. Основой метода Е.Г. Качугина является эмпирическая формула:

Q = E·Kр·Кб·tb,

береговой абразия водохранилище волноотбойный

где Q - объем размытой породы в метрах кубических на 1 пог. м длины береговой линии за время t; Е - средняя многолетняя энергия волнения в тоннометрах (тс·м); Кр - коэффициент размываемости горных пород, численно равный объему в метрах кубических размытой породы в первый год размыва, который приходится на единицу работы волны в тоннаметрах; (0,00650 - 0,00050) (м3/тс·м); Кб - коэффициент, зависящий от высоты берега и характеризующий потерю энергии волн на отмели; при высоте берега 30м и более Кб = 1; (Кб = hб·с; с - коэффициент, зависящий размываемости пород и колеблющийся от 0,025 у легкоразмываемых глин до 0,12 у трудноразмываемых пород); t - время размыва, годы; b - показатель степени (меньше 1), зависящий от скорости затухания размыва и скопления у берега осадков; он характеризует отношение ширины абразионной части отмели к ширине всей отмели; колеблется от 0.95 при абразионной до 0.45 при широкой аккумулятивной отмели.

Энергия волнения определяется для каждого расчетного поперечника. Для этого используется специальный график, составленный с учетом высот волн, рассчитанных по методу А.П. Браславского, и данных о продолжительности действия ветра. Определение Кр - по таблице размываемости. Kб принимается как средневзвешенная величина с учетом мощности слоев, их зон или пачек.

По формуле Е.Г. Качугина рассчитывается только объем размытой породы за заданный промежуток времени. Ширина зоны размыва (S), т. е. тот показатель, что в первую очередь интересует инженеров-геологов, определяется с помощью графических построений. Для этого находят положение верхнего (ВПР) и нижнего (НПР) пределов размыва и строят профиль переработки берега с таким расчетом, чтобы объем смытых пород соответствовал значению Q, (Q5, Q25, и т.д.).

За верхний предел размыва принимается положение высокого уровня воды в водоеме 2-4 %-ной обеспеченности плюс 1/3 высоты рабочей волны. Нижний предел размыва -- положение низкого уровня 96-98 %-ной обеспеченности в период открытой воды, спиленное на 1/3 высоты рабочей волны.

Скорость переработки берегов водохранилищ при всех прочих равных условиях возрастает с уменьшением высоты берегового откоса и определяется устойчивостью пород откоса против размыва. При средней высоте откоса 2-4 м над бичевником скорость разрушения береговой полосы за один сезон бывает: для лессовых пород -- до 8 м и более; в различных песках -- 2 м; в глинистых породах -- до 1 м. Скорость волновой переработки берегов, сложенных коренными скальными породами, часто не имеет практического значения.

Эти методы наименее применимы при прогнозе абразионного развития берегов, сложенных дисперсными породами. Для высоких склонов, имеющих сложное геологическое строение, в котором участвуют скальные и полускальные грунты, расчеты абразии по этому методу менее надежны, ибо коэффициенты размываемости очень упрощенно учитывают процессы разуплотнения и выветривания массивов пород.

2. Методы аналогий:

- прямых аналогий;

- натурных моделей (Л.Б. Розовского);

- косвенных аналогий (Г.С. Золотарева, Е.К. Гречищева и др.).

Группа методов геологического подобия (или сравнительно-геологических) основана на качественном, описательном, экспертном или количественном сопоставлении «эталонного» и оцениваемого объектов. Анализ критериев подобия (геологического, морфометрического, гидрологического, динамического, временною) позволяет сделать вывод о сходстве сравнительных объектов и перейти к прогнозу изменений на оцениваемом участке в будущем. Это метод аналогий, разработанный Л.Б. Розовским для водохранилищ Украины, графоаналитический метод Г.С. Золотарева для берегов сложного строения при нестационарных уровнях, метод развития закарстованных берегов И.А. Печеркина и др.

Метод Г.С. Золотарева (1969) позволяет прогнозировать переработку берегов на 10-летний и конечный сроки формирования берега. Он основан на учете геологических, геоморфологических, гидрогеологических данных. Применим для равнинных и горных водохранилищ.

Для построения профиля прогноза переработки необходимо иметь:

- параметры волн: высоту и длину при разной обеспеченности и силе ветра, с учетом рельефа и дна водохранилища;

уровенный режим водоема для периодов разной водообеспеченности;

- инженерно-геологические разрезы берега в масштабах 1 : 1000 и 1 : 200 с характеристикой микрорельефа и состава грунтов, слагающих берег;

- гидрогеологические данные, характеризующие водоносные горизонты, их уровни и динамику; данные, оценивающие степень влияния подземных вод на прочность горных пород;

- данные о морфологии и морфометрии устойчивых откосов и склонов разных генетических типов, характерных для различных пород и т. п.

Построение профиля прогноза начинается с определения глубины расположения бровки уступа береговой отмели -- точки А, находящейся ниже линии НПГ, на глубине максимального размыва, равной hp.

Метод природных аналогов Л.Б. Розовского разработан для прогноза развития берегов, сложенных преимущественно лёссовидными и рыхлыми отложениями на примере Днепровского каскада ГЭС.

Оценка абразионной устойчивости склонов водохранилищ производится с помощью альбомов природных аналогов, которые представляют собой участки побережий исследованного водохранилища. На картах показывается положение отдельных элементов рельефа или водохранилища (бровка берегового откоса, Горизонта НПГ и т. п.) до наполнения, через 2 года и через 5 лет после наполнения. Применение в качестве аналогов отдельных участков позволяет учитывать развитие процесса в пространстве. Прогноз выполняется в процессе интерпретации данных выбранного в альбоме аналога на оцениваемый объект берега.

Вначале качественно оценивается однообразие аналога и объекта, при этом учитывается: геолого-геоморфологическое строение; гидрологический режим; механизм переработки берегов; динамические типы берегов и т. д.

Потом вычисляются критерии геологического подобия (КГП), которые представляют собой безразмерные числа, отражающие существенные стороны явлений и их взаимодействий. Общими (уникальными) и определяющими для всех альбомов будут три критерия:

-- критерий геодинамического подобия, представляющий отношение энергии факторов, способствующих разрушению бере-ювых уступов к потенциальной энергии факторов, противодействующих этому разрушению;

-- критерий литологического подобия;

-- критерий геометрической формы, который может быть выражен любой морфологической характеристикой.

Достаточное совпадение этих критериев на аналоге и объекте позволяет оценить процесс абразии на интересующем участке.

По различным критериям все виды прогнозов переработки берегов водохранилищ могут быть объединены в три разных класса.

Временные прогнозы подразделяются на краткосрочные (предупредительные) с периодами прогнозирования от 1 до 10 лет и долгосрочные (перспективные), включающие прогнозы на 10 и более лет, в том числе на конечную стадию развития берега. Пространственные прогнозы объединяют в себе локальные, характеризующие переработку по отдельным профилям (профильный прогноз) или участкам (площадной прогноз) и выполняемые в масштабах 1 : 1000 - 1 : 10000; и региональные, характеризующие переработку по периметру всего водохранилища или его отдельной части и производимые в масштабах 1 : 25 000 - 1 : 200000.

3. Методы обобщенных переменных (В.М. Воскобойников, О.Г. Лиходедова).

Методы натурных моделей и обобщенных переменных разработаны в Одесском университете (Л.Б.Розовский, В.М.Воскобойников и др.).

4. Математические методы: статистические, детерминированные и смешанные. Прогноз выполняется на основании уравнений теории вероятностей и математической статистики, математической физики, эмпирическим формулам.

Вероятностно-статистические методы, предполагающие закономерно-затухающее развитие процессов, основаны на анализе фактических данных переработки берегов во времени и пространстве с учетом влияния волновых факторов, ее определяющих. Эти методы применимы только для уже существующих эксплуатируемых водохранилищ, на которых накоплены значительные ряды наблюдений за переформированием берегов.