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

Заказчик: Невско-Ладожское Бассейновое водное управление Федерального агентства по водным ресурсам
Научный руководитель: Спиридонов М.А., Зав.отделом Региональной геоэкологии и морской геологии, д.г.-м.н.
Ответственный исполнитель: Рябчук Д.В., вед.н.сотр., канд. г.-м.н.
Исполнители: Спиридонов М.А., Зав.отделом Региональной геоэкологии и морской геологии, д.г.-м.н.; Жамойда В.А., вед.науч.сотр., канд. г.-м.н.; Нестерова Е.Н., ст.науч.сотр.; Кропачев Ю.П., вед.инж.; Сергеев А.Ю., науч.сотр.; Шахвердов В.А., вед.науч.сотр., канд. г.-м.н.; Григорьев А.Г., ст.н.сотр., канд. г.-м.н.; Мануйлов С.Ф., зам.зав.отделом; Дронь О.В., инж.; Неевин И.А., инж. (ВСЕГЕИ); Сухачева Л.Л., зав.лаб., канд. г. н.; Кильдюшевский И.Е., зав.лаб., канд. г. н.; Буркина Ю.Л., инж.; Бычкова И.А., вед.науч.сотр., канд. г. н.; Никонова О.А., мл.науч.сотр.; Попова Т.А., вед.науч.сотр., канд. биол.н. (НИИКАМ); Корвет Н.Г., доцент, канд.г.-м.н. (СПбГУ); Жакова Л.В., мл.науч.сотр.; Нацваладзе Н.Ю., науч.сотр. (ЗИН РАН); Лукьянов С.В., доцент, канд.ф.-м.н.; Клеванный К.А., вед.программист, д. г.-м.н.; Исаев А.В., доцент, канд. г.н.; Царев В.А., профессор, д. ф.-м.н. (РГГМУ)

Целью проекта являлось изучение условий формирования плавающих островов (сплавин) на Нарвском водохранилище и разработка научно обоснованных рекомендаций по предотвращению негативного воздействия плавающих островов и стабилизации берегов водохранилища.
Проведенная работа представляет собой комплексную оценку состояния геологической среды и общей природной обстановки в Нарвском водохранилище. Исследование было направлено на выяснение причин и скорости образования плавучих островов (рис.1), оценку опасных геологических и инженерно-геологических процессов, прогноз развития береговой зоны Нарвского водохранилища и разработку научно-обоснованных рекомендаций по стабилизации берегов водохранилища и предотвращению негативного воздействия сплавин на работу ГЭС и эколого-геологическое состояние нижнего бьефа плотины.

Рис. 1. Плавучие острова у северного берега устьевой части Пятницкого залива

В ходе выполнения работ была разработана и апробирована уникальная методика исследований, в основе которой лежат методы морской геологии, геофизики, экологической геологии, океанологии и дистанционных методов зондирования. Именно благодаря междисциплинарному подходу к проблеме и методам ее решения удалось получить во многом уникальную информацию о строении и свойствах сплавинных берегов и плавучих островов водохранилища, определить причины и места, а также основные факторы формирования опасных сплавин.
Среди основных выводов проведенных работ можно выделить следующие:
1. Наиболее активные процессы всплывания торфяников, занимавших значительные площади дна будущего водохранилища, наблюдались с 1955 по 1964 г. Общая площадь всплывшего торфа достигла 30-35 км². В последующие годы процесс замедлился, однако в ограниченном масштабе наблюдается до настоящего времени.
2. Всплыванию торфа на Нарвском водохранилище способствовали незначительные глубины (2-2.5 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.
3. В результате всплывания торфа сформировалась весьма своеобразная «береговая зона» водохранилища, состоящая преимущественно из «сплавинных» массивов, представляющий 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 (рис.2). Общая площадь сплавинных берегов водохранилища составляет в настоящий момент 38 км² (рис.3).

Рис.2. Отрыв крупной сплавины в Пятницком заливе. Основа – космоснимок 2009 г.; красная линия – результаты непрерывной GPS съемки 2012 г. края сплавинного берега. 1 – участок оторвавшегося сплавинного массива; 2 – плавающий остров. В верхнем правом углу – подводное фото нижнего края сплавины

4. В связи с отсутствием у сплавинных «берегов» подводного берегового склона в его традиционном понимании (глубины вблизи берегов достигают 2-3 м) сплавинные берега даже при незначительном волнении подвергаются волновой нагрузке, способствующей их разрушению с образованием дрейфующих торфяных островов. В последнее время в связи с выработкой более или менее постоянной береговой линии водохранилища значительных ее изменений не происходит. Учитывая то, что берега водохранилища на значительном протяжении образованы сплавиной, усиление волновой деятельности должно приводить к постоянному образованию новых сплавинных островов.

Рис.3. Схема формирования сплавинных берегов в период с 1955 по 1977 гг. (1) и современное состояние береговой зоны Нарвского водохранилища (3) (2 – сплавинные берега; 3 – участки сплавинных берегов, потенциально опасные с точки зрения отрыва островов)

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 восток. 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. Поворот течений с глубиной существенным образом зависит от морфометрии дна. Карты распределения течений показали, что их характер полностью определяется тремя основными факторами: расходами рек Нарва и Плюсса, скоростью и направлением ветра, морфометрией дна водоема.
7. 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 км² (рис.3). 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 в междуречье Плюссы и Нарвы.
8. По данным выполненных исследований уровень антропогенного загрязнения донных отложений Нарвского водохранилища тяжелыми металлами и радионуклидами в настоящее время низкий, что, безусловно, является положительным фактором для экологического состояния нижнего бьефа плотины. Основным видом загрязнения воды, берегов и пляжей Нарвского залива остаются биогенные вещества, поступающие в нижний бьеф с остатками торфяных островов и торфяной крошки. Предотвращение загрязнения береговой зоны и акватории Нарвского залива торфяной крошкой в результате спуска сплавин в нижний бьеф плотины, необходимо как с точки зрения недопущения ущерба рекреационной инфраструктуре пляжей Эстонии и России, так и в целях соблюдения международных обязательств Российской Федерации в рамках Плана Действий ХЕЛКОМ по Балтийскому морю.
9. 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, который может служить как природный отстойник;
- создание в западной части Пятницкого залива путем локального (прерывистого) обвалования (отвала) блокирующей подводной преграды с применением предложений, разработанных и запатентованных авторами данной НИР для перехвата плавучих островов;
10. 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.
11. 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 (геолого-геоморфологических и гидрологических) исследований и анализ актуальных космических снимков высокого разрешения. Учитывая трансграничный характер как самой проблемы, так и причин ее возникновения, целесообразна организация специальных двусторонних российско-эстонских исследований Нарвского водохранилища. Важнейшей составной частью мониторинга должен быть постоянный спутниковый мониторинг обстановки в выявленных районах основной генерации островов-сплавин в пределах Пятницкого залива, участков к востоку от р. Плюссы (в районе устьев рек Черная и Давыдовка), и между устьев рек Нарвы и Плюссы.
Решением шестого заседания Бассейнового совета Балтийского бассейнового округа было рекомендовано представить результаты НИР на совместном заседании рабочих групп Совместной Российско-Эстонской комиссии по охране и рациональному использованию трансграничных вод (Комиссия); отметить всесторонность изученности проблемы плавающих островов в рамках НИР и необходимость распространения и применения полученных научно-обоснованных рекомендаций на всех водохранилищах подобного типа; рекомендовать использованные в работе методы изучения и наблюдения на Нарвском водохранилище, в том числе дистанционного мониторинга берегов водохранилища, учесть при разработке методических указаний по мониторингу дна и берегов водных объектов; рекомендовать внедрение данных, полученных при разработке НИР, для уточнения проекта правил использования водных ресурсов Нарвского водохранилища и разработке правил технической эксплуатации и благоустройства водохранилища.