Геокриологические условия территории Эвенкийского гидроузла

Геокриологические условия территории Эвенкийского гидроузла на реке Нижняя
Тунгуска. Прогнозная оценка влияний при строительстве водохранилища
В.В.Куницкий, С.О.Разумов, Г.П.Кузьмин, Р.В.Чжан
Институт мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН, город Якутск
На основе проведенного анализа изданных и фондовых материалов рассмотрена геокриологическая
обстановка в границах территории проектируемого Эвенкийского гидроузла. Определены основные
параметры сезоннопротаивающего и сезоннопромерзающего слоев четырех геокриологических зон.
Приведены данные о температуре слоя годовых теплооборотов и более глубоких толщ. Оценены мощности
многолетней криолитозоны. Затронут вопрос о типах таликов, а также вопрос о химическом составе и
минерализации подземных вод. Охарактеризованы региональные особенности распределения некоторых
разновидностей четвертичных отложений. Исследовано проявление ряда криогенных и других экзогенных
процессов. Дан прогноз теплового состояния грунта в бортах и ложе, а также прогноз переформирования
берегов проектируемого водохранилища на реке Нижняя Тунгуска.
Территория проектируемого на реке Нижняя Тунгуска Эвенкийского гидроузла
слабо изучена в отношении геокриологических условий. Начало их изучения связано с
именами Д.Г.Мессершмидта (1723 г.) и А.Ф.Миддендорфа (1843 г.). Позже мерзлотные
исследования здесь проводили И.А.Лопатин, С.Г.Пархоменко, Н.И.Быков, С.Л.Кушев,
М.В.Куликов и экспедиции ряда организаций. К ним, в частности, относятся экспедиции
Института мерзлотоведения им. В.А.Обручева АН СССР и Московского государственного
университета им. М.В.Ломоносова, а также Института мерзлотоведения СО АН СССР,
Института мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН и других организаций.
Как известно, инженерами рассматриваются три возможных варианта размещения
Эвенкийского гидроузла на реке Нижняя Тунгуска. Некоторые показатели каждого из
этих вариантов приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Показатели вариантов размещения Эвенкийского гидроузла
Вариант
Параметры проектируемого водохранилища
L,
B,
D,
d,
s,
км
км
м
м
кв.км
НПУ, м
(БС)
S,
кв.км
1
Расстояние от
створа ГЭС до
устья реки, км
59,5
110,00
1684
695,5
1–3
104,0
28,8
2
120,0
180,00
6114
1045,0
2–4
165,3
41,6
3
120,0
200,00
9406
1229,0
2–5
185,3
43,5
1214
A,
м
k,
раз/год
27
3,0
0,5
8680
0,3
Примечания:
S – площадь зеркала водохранилища при НПУ; L – длина; B – средняя ширина; D –
максимальная глубина; d – средняя глубина водохранилища; s – площадь затапливаемых
земель; A – амплитуда колебаний уровня водохранилища; k – коэффициент водообмена.
Следует также отметить, что Эвенкийское водохранилище при 180-метровом НПУ
будет иметь УМО в пределах 162–166 м, а при 200-метровом НПУ положение УМО этого
водохранилища будет находиться в интервале альтитуд 186–188 м.
Территория проектируемого Эвенкийского гидроузла располагается вблизи южной
границы области сплошного распространения многолетнемерзлых горных пород, на стыке
Западной и Средней Сибири. Это наглядно показывает обзорная схема, которая в 2006 г.
составлена С.М.Фотиевым для части сибирского региона и дает общее представление о
современных геокриологических условиях в бассейне реки Нижняя Тунгуска (рис. 1).
Рис. 1. Современные геокриологические условия: 0 – место проектирования плотины Эвенкийской
ГЭС (второй и третий варианты); 1 – северная граница субаэральной криогенной области в эпоху
климатического минимума неоплейстоцена;
2 – южная граница современной криогенной области;
3 – северная граница площади полной деградации плейстоценовой КТ;
4 – изотерма мерзлых пород (ºC);
5 – азональная температура пород в днищах долин (ºC);
6 – изолиния мощности плейстоценовой КТ (м);
7 – изолиния глубины залегания подошвы плейстоценовой КТ (м);
8 – изолиния мощности голоценовой КТ (м);
9 – граница Северной (а) и Южной (б) геокриологических зон (граница смыкания КТ голоценового
и плейстоценового возрастов);
10 – строение криогенной толщи: а – номер и местоположение разреза КТ; б, в, г, д – ярусы пород с
разной температурой: б – ярус мерзлых пород; в – ярус охлажденных пород с криопэгами (мокро-морозные
породы); г – ярус сухо-морозных пород; д – ярус пород с положительной температурой; КТ-1, КТ-2, КТ-3 –
индекс криогенной толщи;
11 – граница площади распространения разных по строению типов криогенной толщи: а – КТ-1; б –
КТ-2; в – КТ-3;
12 – зона сплошного распространения субаэральной криогенной толщи (КТ) преимущественно
доголоценового возраста;
13 – площадь распространения плейстоценовой КТ с глубоким залеганием кровли, зона
прерывистого и островного распространения голоценовой КТ;
14 – площадь полной деградации КТ плейстоценового и голоценового возраста;
15 – площадь распространения субмаринной КТ (по С.М. Фотиеву, 2006, с сокращением и
дополнением).
Более детальное районирование, проведенное авторами данного доклада, позволило
подразделить рассматриваемую территорию на Туруханскую, Ногинскую, Нидымскую и
Юктайскую геокриологические зоны. Их границы в бассейне реки Нижняя Тунгуска
(западнее 107 меридиана, по Гринвичу) заметно отклоняются от широтного положения.
Это вполне согласуется с показанным С.М.Фотиевым положением изолиний мощности
криогенной толщи (КТ) плейстоцена, а также изолиний мощности КТ голоцена и
положением изолиний глубины залегания подошвы плейстоценовой КТ.
Проведенное нами районирование дает возможность судить о заметном изменении
мерзлотной обстановки вдоль исследуемого отрезка р. Ниж. Тунгуски, что можно
продемонстрировать на примере Туруханской и Юктайской геокриологических зон.
Крайняя восточная часть исследуемой территории относится к площади Юктайской
геокриологической зоны (рис. 2).
Рис. 2. Схематическая карта Юктайской и части Нидымской геокриологических зон с ложем
проектируемого водохранилища: 1 – населенный пункт с численностью жителей менее 300 человек; 2 –
селение с метеостанцией; 3 – ложе проектируемого водохранилища; 4 – места проведения мерзлотных и
геотермических исследований: Кислоканская (40), Холокитская (41), Усть-Илимпейская (42), Илимпейская
(43) площади [по В.Т.Балобаеву и Б.В.Володько, 1989 г.]; 5 – буровая линия А–Б; 6 – граница
геокриологических зон. Римские цифры: Нидымская (III), Юктайская (IV) геокриологические зоны.
Западная окраина исследуемой территории находится в границах Туруханской
геокриологической зоны (рис. 3).
Рис. 3. Схема размещения объектов Эвенкийского гидроузла с границами геокриологических зон: 1
– населенный пункт с численностью жителей до 5 тыс. человек; 2 – высотная отметка (м); 3 – створ
проектируемой ГЭС (1 вариант); 4 – территория затопления; 5, 6 – геокриологические зоны: Туруханская
(5); Ногинская (6); 7 – граница геокриологических зон.
Некоторые показатели мерзлотно-грунтовых условий Туруханской и Юктайской
геокриологических зон представлены в таблице 2.
Таблица 2.
Мерзлотно-грунтовые показатели геокриологических зон
Показатели
Характеристики мерзлой толщи по
типу прерывистости
Площадь мерзлой толщи, % от
общей площади зоны
Наибольшая мощность мерзлой
толщи в типичных региональных
условиях (м)
Особенности распространения
мерзлых толщ
Максимум глубины сезонного
промерзания таликов в разрезе
скальных и полускальных пород (м)
То же в разрезах валунных грунтов
и галечников (м)
То же в разрезе песков (м)
То же в разрезах суглинков и
супесей (м)
Максимум глубины сезонного
промерзания таликов в разрезе
торфа (м)
Наибольшая мощность деятельного
слоя в разрезе торфа (м)
То же в разрезах супеси и суглинка
(м)
То же в разрезе песков (м)
Наибольшая мощность деятельного
(сезоннопротаивающего) слоя в
разрезе полускальных и скальных
грунтов (м)
Зональная температура таликов в
основании слоя годовых
теплооборотов (º C)
Региональная температура
многолетнемерзлых пород в
основании слоя годовых
теплооборотов (º C)
Типичные разновидности
четвертичных отложений
Преобладающие типы химического
состава верховодки
Минерализация верховодки (г/л)
Максимум минерализации
подмерзлотных вод (г/л)
Преобладающий состав
подмерзлотных вод (на верхнем
уровне их распространения)
Туруханская геокриологическая
зона
островная
10–25
<50
острова мерзлых толщ обычны
только на дне долин и впадин.
Мерзлые толщи встречаются
также на северных склонах и
местами на водоразделах.
5
Юктайская геокриологическая
зона
от непрерывной до слабо
прерывистой
60–80
от 100 до 200–300
мерзлые толщи распространены
на всех элементах рельефа.
Талики обычны под крупными
реками, озерами или около
источников подземных вод.
Отдельные острова таликов на
водоразделах имеются в разрезах
песков, галечников и
закарстованных пород.
5
2,5–4,5
2,5–4,5
1,3–3,5
1,1–1,4
1,5–3,5
1,1–1,4
0,5
0,5
0,4–0,7
0,4–0,7
0,8–1,2
1,1–1,4
1,1–3,0
4,5
1,5–3,5
4,5
1,7 ÷ 0,1
Данные отсутствуют
-0,1 ÷ -1,8 (местами до -3)
-1,5 ÷ -3 (местами до -5)
ледниковые, водно-ледниковые
осадки, аллювий и коллювий
гидрокарбонатный кальциевый
состав и гидрокарбонатный со
смешанным составом катионов
0,1–0,3
от 3 до 189
хлоридный натриевокальциевый и хлоридный
натриевый состав
склоновые и аллювиальные
образования внеледниковой
области
гидрокарбонатный кальциевый
состав и гидрокарбонатный со
смешанным составом катионов
0,1–0,3
от 0,3–0,5 до >23
хлоридный натриево-кальциевый
и хлоридный натриевый состав
Приведенные показатели и другие данные были положены нами в основу прогноза
температуры пород в бортах и ложе проектируемого водохранилища, а также прогноза
процессов переформирования его берегов.
По оценкам ОАО «Ленгидропроект», береговая линия Эвенкийского водохранилища
при НПУ 200 м (третий вариант) протянется на 5630 км.
По нашим определениям, длина термоабразионных берегов составит 5 %,
абразионно-денудационных берегов – 75 %, а стабильных берегов – 20 % периметра
проектируемого бассейна.
Прогноз развития береговых процессов на территории проектируемого Эвенкийского
водохранилища нами выполнен по методике Е.Г.Качугина [2, 3] с учетом рекомендаций
ОАО «Ленгидропроект». Не останавливаясь здесь на методических особенностях этой
работы, приведем лишь некоторые ее результаты. В частности, отметим, что наименьшая
продолжительность переформирования термоабразионных берегов Эвенкийского
водохранилища (около 30 лет от начала его эксплуатации) ожидается на участках берегов
северных экспозиций в Нидымской и Юктайской геокриологических зонах, а также на
участках берегов восточной экспозиции в Ногинской геокриологической зоне при
наиболее активном воздействии волн.
По нашим расчетам, максимальная длительность периода переформирования
термоабразионных берегов прогнозируется для Ногинской геокриологической зоны при
относительно небольшой энергии волн. Этот период здесь будет достигать 60–90 лет в
зависимости от состава размываемых пород и начального уклона поверхности. В течение
первых 10 лет от начала эксплуатации урез НПУ переместится в сторону суши на 15–20 м
при размыве грунтов, содержащих крупный обломочный материал, и на 20–30 м при
размыве дисперсного грунта. Сформируется береговая отмель с подводной и надводной
частями. Подножие берегов отступит, соответственно, на 20–30 и 30–40 м со средней (за
10 лет) скоростью термоабразии 2–4 м/год. Высота береговых уступов над НПУ в конце
первого десятилетия составит от 3 м при уклоне бортов 5 до 5–7 м при уклоне бортов 10–
15.
Конечная стадия переформирования термоабразионных берегов характеризуется
прогнозируемыми параметрами. Так, в мерзлой толще рыхлых отложений, содержащих
крупнообломочный материал, величина смещения уреза НПУ составит 50–80 м.
Подножие береговых уступов сместится на 70–100 м при средней многолетней скорости
термоабразии 1,5–2 м/год. В мелкодисперсных мерзлых породах величина смещения уреза
достигнет 80–150 м, величина отступания подножий берегов – 100–200 м при средней
многолетней скорости термоабразии 2,2–3,6 м/год. Конечная высота термоабразионных
берегов от НПУ составит 17–18 м.
Средний удельный объем размыва пород, включая материал подводной отмели,
составит примерно 75 м3 на 1 п.м. береговой линии за 10 лет с начала эксплуатации и
около 1000 м3/п.м. – на конечную стадию переформирования термоабразионных берегов.
Удельная масса выносимого в акваторию обломочного материала при размыве таких
берегов за 10 лет эксплуатации водохранилища составит 92 т/п.м., а на конечную стадию
переформирования его термоабразионных берегов – 1200 тонн/п.м.
Длительность переформирования абразионно-денудационных берегов оценивается
периодом от 20 до 90 лет с начала эксплуатации, в зависимости от энергии волн и от
исходного наклона бортов водохранилища. Линия уреза НПУ в течение первых 10 лет
эксплуатации водохранилища сместится в процессе переформирования берегов на 11–16
м, подножие береговых уступов (по уровню ВПР) – на 14–21 м. При этом высота берегов
составит от 3 до 9 м, скорость абразии – от 1,4 до 2 м/год. Такая скорость будет
достигнута за счет размыва мерзлой толщи склоновых образований. Они будут полностью
размыты в течение 7–32 лет при наклоне бортов 30–10 и энергии волн 330–230 мДж,
соответственно.
В конечной стадии переформирования берегов данного типа урез НПУ отступит на
16–44 м от его положения в начале эксплуатации водохранилища, а подножие берегов
отступит на 20–60 м. Средняя многолетняя скорость абразии не превысит 0,6-1 м/год;
высота береговых уступов достигнет 10–11 м.
В течение 10 лет от начала эксплуатации водохранилища средний удельный объем
размыва пород по абразионно-денудационным берегам составит 43, а на конечную стадию
переформирования таких берегов – около 130 м3/п.м.
За первые 10 лет эксплуатации размыв абразионно-денудационных клифов поставит
в акваторию водохранилища массу обломочного материала в количестве 75 тонн/п.м. За
все время переформирования этих берегов данный показатель составит до 240 тонн/п.м.
Расчеты показывают, что имеющий мощность 15–18 м мерзлый покров дисперсных
пород протает в зоне постоянного затопления на участке Б. Порог – Тутончаны за 50
лет. В то же время толщина оттаявшего покрова подобных пород на участке Тутончаны–
Кислокан составит 13–16 м, а на участке Кислокан–Юкта – 12–15 м. Средняя скорость
оттаивания мерзлых толщ дисперсных пород составит от 24–30 см/год в Юктайской и до
30–36 см/год в Ногинской геокриологической зоне. В течение первых 10 лет оттаивание
дна водохранилища будет проходить активнее, со средней скоростью 55–80 см/год.
Мерзлые дисперсные грунты и подстилающие их скальные породы общей мощностью
40–50 м с температурой -1…-3 C будут оттаивать под проектируемым водохранилищем в
течение приблизительно 500 лет. В зоне периодического затопления глубина оттаивания
грунта будет ограниченной (сквозной талик не сформируется), а за пределами НПУ
произойдет незначительное изменение температурного режима многолетнемерзлых пород
при условии относительно малоактивной и ограниченной их переработки (термокарст,
термоабразионное, термоэрозионное и абразионно-денудационное разрушение пород) по
берегам водохранилища.
По ориентировочным оценкам, оттаивание ложа в верхнем бьефе проектируемого
водохранилища (в соответствии с геологическими и геокриологическими условиями)
охватит за 50 лет мерзлую толщу грунта, мощностью не более 20 м.
За время, значительно превышающее амортизационный период, тепловое воздействие
водохранилища выразится в формировании под ним сквозного талика с почти отвесным
падением его контактов в сторону акватории.
В заключение отметим, что при значительной техногенной нагрузке и прогнозируемом
повышении средней летней температуры воздуха на 1,2 в 2011–2030 гг. и на 2 C в 2041–
2060 гг. [4] темп локального разрушения льдистых толщ дисперсного грунта может
достигать катастрофических масштабов на рассматриваемой территории. Эффективность
воздействия техногенной составляющей на активность экзогенных криогенных процессов
(риск природопользования) при потеплении климата может возрасти здесь в 1,5–2 раза по
сравнению с климатической «нормой». Поэтому при строительстве Эвенкийской ГЭС
следует особое внимание уделять основаниям, представленным мерзлыми толщами
дисперсного грунта с наличием масс подземного льда. Под воздействием техногенных
факторов возможна резкая активизации локальных проявлений деструктивных процессов
в подобном грунте с последствиями, негативными как для инженерных сооружений, так и
для эколого-геокриологической обстановки.
Литература
1. Фотиев С.М. Современные представления об эволюции криогенной области
Западной и Восточной Сибири в плейстоцене и голоцене (Сообщение 2) //
Криосфера Земли, 2006, т. X, № 2, с. 3–26.
2. Качугин Е.Г. Инженерно-геологические исследования и прогнозы переработки
берегов водохранилищ // Рекомендации по изучению переработки берегов
водохранилищ. М.: Госгеолтехиздат, 1959. С. 3-89.
3. Качугин Е.Г. Геологическое изучение динамики берегов водохранилищ. М.: Наука,
1975. – 147 с.
4. Meleshko V.P., Kattsov V.M., Shkolnik I.M., et al. Change and variability of climate in
northern Eurasia at 21st century: evaluation based on AOGCM ensemble Voeikov Main
Geophysical Observatory, Roshydromet, St. Petersburg, Russia. 2006.