Известия РАН. Серия географическая, 2023, T. 87, № 1, стр. 164-178

ВВЕДЕНИЕ

Процесс разрушения берегов морей и крупных равнинных водохранилищ вместе с производными процессами вдольберегового транспорта и седиментации продуктов разрушения становится на сегодняшний день одним из наиболее актуальных. В результате воздействия процесса вдольберегового переноса материала происходит формирование относительно устойчивых аккумулятивных тел в непосредственной близости от берега (Законнов и др., 2018; Захаров, Алексеев, 2012; Филиппов, 2004; Bagnold, 1947; Grottoli et al., 2019; Ouillon, 2018; и др.).

В настоящее время исследований, посвященных вопросам современного накопления наносов в прибрежной зоне водоемов, сравнительно немного. На водохранилищах процесс отделения заливов остается практически не изученным. Исключение составляют отдельные исследования Куйбышевского (Баранова и др., 1967; Зубенко, 1962), Цимлянского (Баранова и др., 1967; Вендров, 1958), Камского и Воткинского (Назаров и др., 2013) водохранилищ.

Перекрытие устьевых створов заливов абразионно-аккумулятивными пересыпями (ААП) активно развивается на Волгоградском водохранилище, образованном с возведением плотины ГЭС на р. Волге у Волгограда в 1958 г. Процесс отделения заливов был начат еще при наполнении чаши водоема до НПУ (1961), когда переработка берегов происходила наиболее ускоренно (Филиппов, 2004). По условиям гидрологического режима и особенностям морфологического строения ложа и берегов водохранилище подразделяется на три участка: озерный (Волжская ГЭС–пос. Ровное), озерно-речной (пос. Ровное–г. Маркс) и речной (г. Маркс–Саратовская ГЭС). Особенно динамично процесс развивается на озерном участке водоема.

Отделение заливов пересыпями является негативным процессом для экосистемы водохранилища. Он приводит к потере ряда заливов водоема как части кормовой базы, зон нереста, нагула молоди гидробионтов и экологической среды их обитания (Филиппов, 2004).

Гранулометрический состав наносов определяет характеристики их фракционного перемещения под воздействием волн и течений. Особенности дифференциации материала наносов в зоне пляжа и в приурезной полосе определяются местами расположения источников поступления, направлением вдольберегового перемещения наносов (Гуров, 2018; Гуров и др., 2019; Чалов, Ефимов, 2021). Гранулометрический состав донных и пляжевых отложений береговых аккумулятивных форм является достаточно “консервативным” параметром с одной стороны, а с другой – динамически активным. Анализ закономерностей формирования пространственных особенностей гранулометрического состава в различных морфологических частях изучаемой аккумулятивной формы рельефа может дать информацию о характере и взаимосвязях процессов, определяющих ее трансформацию; современном рельефе и морфологии, их динамике и устойчивости к изменениям внешних условий (Крыленко В.В., Крыленко М.В., 2014; Hegde et al., 2021; Jarmalavičius et al., 2017; Zhuk et al., 2017). Наносы представляются важным компонентом водных экосистем, являясь продуктом седиментации органического и неорганического материала (Мясникова, Потахин, 2021).

Размерные фракции наносов дают четкое представление о скоростях течения, формирующих устьевые абразионно-аккумулятивные пересыпи заливов, и помогают выявить основные закономерности их образования и развития. Анализ гранулометрического состава абразионно-аккумулятивных отмелей участков многолетних наблюдений за переформированием берегов Волгоградского водохранилища был впервые проведен О.В. Филипповым (2004). Размеры частиц наносов на отмели варьировали в зависимости от ряда причин (например, повторяемости штормов и направления ветра). Зона волноприбоя (включая пляж, урез и приурезную часть отмели) является своеобразным сепаратором гранулометрической дифференциации наносов. Из нее полностью удаляются частицы, которые скорости волноприбойных течений способны привести в состояние взвеси. В основном в формировании отмели принимают участие песчаные фракции с размером частиц наносов 0.32–0.13 мм; часть песчаных фракций может выноситься за пределы отмели (Филиппов, 2004). В настоящем исследовании мы сделали анализ гранулометрического состава пересыпей как составной части отмели.

Целью исследования стало вычисление скоростей течений, формирующих устьевые абразионно-аккумулятивные пересыпи заливов Волгоградского водохранилища на основе анализа гранулометрического состава наносов.

Задачи исследования:

1. Провести гранулометрический анализ проб наносов устьевых абразионно-аккумулятивных пересыпей и кос.

2. Определить степень окатанности образцов наносов.

3. Выявить принципиальные отличия в гранулометрическом составе наносов на право- и левобережье водоема.

4. Построить интегральные кривые и определить по ним диаметр частиц наносов 5, 10, 25, 50, 75, 90 и 95%-й обеспеченности.

5. Рассчитать коэффициент сортировки S₀ и определить степень сортировки материала абразионно-аккумулятивных кос и пересыпей.

6. Рассчитать скорости течений, формирующих структуру абразионно-аккумулятивных пересыпей.

7. Вычислить скорости транспортировки и определить расстояние, на которое переносятся влекомые наносы.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Материалами исследования послужили пробы наносов устьевых абразионно-аккумулятивных пересыпей и кос, взятые в летний период 2019–2020 гг. Образцы отбирались с гребня пересыпи или косы, с уреза водохранилища и залива, а также в отмелой части в 20 м от берега. Всего проанализировано 82 пробы 24 заливов (рис. 1). На каждом объекте было взято от 2 до 5 проб в зависимости от однородности слагающего пересыпь материала.

В работе использованы полевые и аналитические методы исследования. Полевые включали в себя: отбор проб наносов на гранулометрический анализ, визуальную характеристику литологического состава берега вблизи входного створа залива. Аналитические методы: гранулометрический анализ, графический и математические методы, в том числе метод математической статистики.

Гранулометрический анализ проб наносов проводился ситовым способом с использованием комплекта сит лабораторных из набора КСИ (размером 5–0.05 мм) и методом обмера частиц вручную с помощью линейки (размером более 5 мм). Анализ проводился по ГОСТ 12536-2014 (2019) и по Наставлению гидрометеорологическим станциям и постам 1978 г.¹¹ В соответствии с тем же “Наставлением” 1978 г. проведена классификация наносов по размерам частиц.

Статистическая обработка полученных данных проведена по интегральным кривым в программе Microsoft Excel и с помощью метода квартилей, представленного П. Траском (1932). Последний является одним из способов количественной оценки статистических характеристик частиц наносов по размерам. Общее число гранулометрических фракций описывается тремя значениями: M_d – медиана, Q₁ – первая и Q₃ – третья квартиль. На интегральной кривой через ординаты строят горизонтальные линии, соответствующие диаметру частиц 25, 50, 75% обеспеченности, пока они не пересекутся с кумулятивной кривой. Коэффициент сортировки S₀ показывает уровень однообразия частиц данной совокупности, а медиана M_d – среднюю величину частиц наносов (Мясникова, Потахин, 2021). Коэффициент сортировки рассчитан по формуле:

где S₀ – коэффициент сортировки;

Q₁ и Q₃ – первая и третья квартиль соответственно.

Степень окатанности частиц наносов (K_о) была определена по формуле Р.Д. Рассела и Р.Е. Тейлора (1937) в интерпретации Ф. Дж. Петтиджона (1981):

где K_o – степень окатанности частиц, %;

0, 1 … 4 – баллы окатанности;

n₀, n₁ … n₄ – число зерен, обладающих соответствующим баллом;

n – общее число зерен.

В зависимости от способа транспортировки наносы подразделяются на взвешенные, переносимые течениями во взвешенном состоянии, и влекомые, перемещаемые в придонном слое потока путем перекатывания, скольжения и сальтации (Караушев, 1977; Шамов, 1959). Как указано выше, из зоны волноприбоя к внешнему краю отмели удаляются частицы, приводимые течениями в состояние взвеси. У уреза остаются наносы, большей частью переносимые потоком во влекомом состоянии. Поэтому расчет скоростей, образующих прибрежные формы рельефа, проведен нами для влекомых наносов.

Скорости вдольбереговых волноприбойных течений, формирующих устьевые абразионно-аккумулятивные пересыпи и косы, были рассчитаны по формулам Г.И. Шамова (1959) и В.Н. Гончарова (1954). Формулы Г.И. Шамова имеют вид:

$\upsilon = 3.7{{d}^{{\frac{1}{3}}}}{{H}^{{\frac{1}{6}}}}$ (для отдельных частиц влекомых наносов),

$\upsilon = 6{{d}^{{\frac{1}{3}}}}{{H}^{{\frac{1}{6}}}}$ (начало массового движения влекомых наносов),

где υ – скорость течения, м/с;

d – диаметр частиц наносов, м;

H – средняя глубина потока, м.

Формула В.Н. Гончарова для расчета скорости течения:

$\upsilon = \sqrt 2 \lg \left( {8.8\frac{H}{d}} \right)\sqrt {\left( {2 \times \frac{{g({{p}_{s}} - p)}}{{3.5p}}d} \right)} ,$

где υ – скорость течения, м/с;

d – диаметр частиц наносов, м;

H – средняя глубина потока, м;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

ρ_s – плотность частиц наносов, кг/м³;

ρ – плотность воды, кг/м³.

Скорости транспортировки частиц наносов были рассчитаны по формуле В.В. Романовского, представленной А.В. Караушевым (1977):

где υ_ч – скорость транспортирования частиц, м/с;

υ_ср – средняя скорость потока на вертикали, м/с;

υ_нач – начальная скорость влечения частиц наносов, м/с (рассчитана по формулам, приведенным выше);

α – коэффициент перехода от донной скорости потока к средней скорости на вертикали;

f – динамический коэффициент трения;

f₀ – статический коэффициент трения.

Полученные скорости транспортирования частиц были использованы для вычисления расстояний, на которое наносы переносятся водным потоком.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Прежде чем перейти к результатам настоящего исследования, рассмотрим подробнее процессы переработки берегов Волгоградского водохранилища и образования пересыпей и последствия данных процессов для экосистемы водоема.

1. Процессы переработки берегов Волгоградского водохранилища и образования абразионно-аккумулятивных пересыпей.

До создания Волгоградского водохранилища (1958 г.) рельеф волжского русла и поймы был сформирован естественным гидрологическим режимом Волги. Основной причиной береговых деформаций выступала русловая эрозия. Грядовый речной перенос превалировал в процессе стока наносов. На будущих речном и озерно-речном участках в донном субстрате русла преобладал среднезернистый песок (0.5–0.2 мм). На будущем озерном участке в составе донных наносов господствовала смесь пылеватых частиц (<0.1 мм) с мелкой фракцией песка (0.2–0.1 мм), насыщенная илом (<0.01 мм) (Филиппов, 2004).

После создания водохранилища р. Волга стала слабопроточным водоемом; возникли благоприятные условия для развития ветровых волн, особенно в нижней (озерной) части. На озерном участке водохранилища ведущим геоморфологическим процессом стал размыв берегов. В меньшей степени здесь распространены овражно-балочная эрозия (особенно на правобережье) и эоловая дефляция склонов (Филиппов, 2004). На озерно-речном и речном участках над размывом берегов преобладают эрозионно-аккумулятивные процессы (Баранова и др., 2016).

Темп размыва берегов за весь период существования водохранилища у левого берега равен 4.4–5.9 м/год, у правого – 0.1–1.8 м/год (Филиппов, 2004). В настоящее время среднегодовые темпы отступания несколько снизились и составляют на левом берегу – 1.3–2.1 м/год, на правом – 0.1–0.4 м/год (Баранова и др., 2016).

Вдольбереговой транспорт наносов Волгоградского водохранилища определяется воздействием не стоковых, а вдольбереговых ветровых и волноприбойных течений, которые обладают высокой транспортирующей способностью (Филатова, 1972). В зоне уреза скорости течений достигают максимума (Филиппов, 2004). Волноприбойная зона при слабом и умеренном волнении занимает часть отмели, при максимальном волнении – всю отмель (Филатова, 1972).

В приходной части баланса наносов Волгоградского водохранилища в целом большая доля принадлежит размыву (абразии) берегов (73.4%); поступление наносов через плотину Саратовской ГЭС составляет 19.9%, приток наносов с бассейна водоема – 6.7%. Расходная часть баланса – только сток наносов через плотину Волжской ГЭС. Величину его можно принять равной притоку через Саратовскую ГЭС (Филиппов, 2004). Приходную часть баланса наносов ААП практически полностью составляет вдольбереговой транспорт. На озерном участке наносы поступают на пересыпи с постоянным стоком только малых рек (Щербаковка, Даниловка, Камышинка и др.). Поставляемый ими объем наносов очень незначителен по сравнению с принесенным вдольбереговым транспортом.

“Абразионно-аккумулятивная пересыпь” – это замыкающая аккумулятивная форма рельефа во входном створе залива, образованная вследствие седиментации продуктов размыва (абразии) берегов. Пересыпь является составной частью прибрежной отмели и включает в себя как надводную, так и подводную ее части во входном створе залива. Началом для каждой ААП служит внешний край прибрежной отмели, окончанием – береговой уступ пересыпи в заливе. “Коса” – это свободная аккумулятивная форма рельефа, включающая только надводную часть прибрежной отмели во входном створе залива (Баранова и др., 1967; Леонтьев, 1961).

Схему образования типичной ААП можно представить следующим образом. Сначала возникает донный порог и надводный аккумулятивный выступ у одного или обоих берегов залива. По мере нарастания надводный выступ превращается в свободную аккумулятивную форму (косу), а донный порог распространяется по всей ширине входного створа. Косы в процессе роста соединяются и образуется замыкающая форма рельефа – абразионно-аккумулятивная пересыпь (Баранова и др., 1967; Леонтьев, 1961).

По степени сформированности устьевых пересыпей заливы Волгоградского водохранилища были классифицированы нами как открытые, в начальной стадии отделения, в активной стадии отделения, в завершающей стадии отделения, закрытые и заливы, входные створы которых подвергались антропогенному воздействию.

2. Зарастание пересыпи и акватории залива.

Последствиями процесса отделения заливов является изменение их экологического состояния в сторону ухудшения. Закрытые заливы (особенно малые) проявляют признаки деградации экосистемы: накопление большого количества биогенных веществ, повышение концентраций главных ионов в воде, зарастание, занесение и заиление, дефицит растворенного кислорода в придонном горизонте и др. На процессах зарастания пересыпей и заливов остановимся подробнее.

В зависимости от субстрата, возраста и расположения на пересыпях формируются два типа фитоценозов:

– первый фитоценоз представлен разновозрастной древесно-кустарниковой растительностью и образуется на ААП закрытых (закрывающихся) заливов на каменистом и песчаном субстратах. Как правило, он встречается на правобережье Волгоградского водохранилища (заливы Рубежный, Бахченный Овраг-1 и др.), реже – на левом берегу (залив Бирючья Балка) (Кочеткова и др., 2020);

– второй фитоценоз назван нами прибрежно-водным и для него характерно образование густых зарослей высшей водной растительности (ВВР, макрофитов) у входного створа в залив на глинистом, суглинистом и песчаном субстратах. Данный тип фитоценоза больше распространен на левобережье Волгоградского водохранилища (заливы Яблоновый, Песчаный и др.), но встречается и на правом берегу (заливы Широкая Балка, Крутой) (Кочеткова и др., 2020).

Наблюдения авторов за фитоценозами в многолетнем аспекте выявили активное зарастание акваторий всех заливов, начиная с верховья и сильное зарастание закрытых заливов. Флористическое разнообразие закрытых заливов озерного участка водоема насчитывает 50 видов растений из 42 родов, 28 семейств и 3 отделов (Кочеткова, 2013). В закрытых заливах с большой площадью мелководной зоны и небольшой средней глубиной создаются условия лимнической экосистемы с отсутствием проточности, что в свою очередь положительно сказывается на вегетации макрофитов. Акватории малых заливов активно зарастают гидрофитами: роголистником погруженным (Ceratophyllum demersum L.) с отдельными группами рдеста пронзеннолистного (Potamogeton perfoliatus L.), рдеста блестящего (Potamogeton lucens L.), урути колосистой (Myriophyllum spicatum L.)), ряски трехдольной (Lemna trisulca L.), многокоренника обыкновенного (Spirodela polyrhiza (L.) Schleid.), водокраса лягушачьего (Hydrocharis morsus-ranae L.), сальвинии плавающей (Salvinia natans (L.) All.).

Среди гелофитов доминируют формации тростника высочайшего (Phragmites altissimus (Benth.) Nabile), тростника южного (Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud.), рогоза узколистного (Typha angustifolia L.). Иногда около входного створа залива встречается осока береговая (Carex riparia Curt.) и ежеголовник прямой (Sparganium erectum L. (S. ramosum Huds.)). Гелофиты, как правило, образуют сплошное зарастание своего биотопа по периметру мелководной зоны залива.

3. Гранулометрический состав наносов устьевых абразионно-аккумулятивных пересыпей.

В гранулометрическом составе наносов устьевых абразионно-аккумулятивных пересыпей заливов Волгоградского водохранилища присутствуют фракции размером от 100–50 мм (крупная галька) до 0.05 мм и менее (мелкие пылеватые частицы). Отличия в величине преобладающей фракции связаны с литологическим составом берегов водохранилища.

Право- и левобережье Волгоградского водохранилища имеют принципиальные отличия по геологическому строению, литологическому составу береговых склонов. Правый берег сложен более древними и очень устойчивыми к размыву породами. Здесь представлены верхнемеловые породы (темно-серые и желтовато-серые опоки, черные плитчатые кремнистые глины с маломощным глауконитовым песчаником в основании, серые и темно-серые мергелистые глины) и породы палеогенового периода (опоки, слюдистые зеленовато-серые песчаники). Левый берег сложен относительно рыхлыми, слабоустойчивыми к размыву отложениями более молодого возраста. В литологическом составе преобладают суглинки, пластинчатые трещиноватые глины, супеси и слабо уплотненные или рыхлые пески (эолового и древнеаллювиального происхождения). Отмечены выходы плотных хвалынских глин, которые служат сдерживающим фактором размыва (Баранова, 1964; Милановский, 1940; Сидоренко, 1967; Филиппов, 2004; и др.). Поэтому наблюдаются отличия в гранулометрическом составе наносов на право- и левобережье водоема и, как следствие, наносообразующих скоростях течения.

Литологический состав берегов вблизи входного створа залива определен на основе материалов Е.В. Милановского (1940), А.И. Барановой (1964), А.В. Сидоренко (1967) и других ученых и результатов собственных наблюдений 2019–2020 гг. (Baranova, 2019 и др.). Преобладающая фракция наносов, слагающих ААП и косы, во взаимосвязи с литологическим составом берегов водоема представлена на рис. 1. Правобережье поставляет на устьевые формы рельефа гальку и гравий всех фракций, крупные пылеватые фракции, в меньшей степени – песок всех фракций. Левобережье – принципиально другой по составу материал – песок всех фракций, в меньшей степени – крупные пылеватые частицы, гравий и гальку.

В составе наносов пересыпей и кос правобережных заливов Волгоградского водохранилища, в одних случаях, преобладает крупная (до 79.6%) и средняя галька (до 87.0%). В других случаях преобладающей становится средняя (до 84.0%) и мелкая фракция песка (до 82.0%). На ААП и косах правобережных заливов, сложенных, преимущественно, галькой и гравием, отмечены наносы размером от 100–50 мм (крупная галька) до 10–5 мм (крупный гравий). Например, на пересыпях заливов Большой, Другалка, левосторонней косе залива Верхний Ураков и др. Однако, встречаются частицы и более мелкого размера, вплоть до пылеватых (правосторонняя коса залива Беленький, левосторонняя коса залива Гусева, пересыпь залива Короткий Липовый и др.). В составе наносов ААП и кос заливов правого берега, сложенных преимущественно песчаными фракциями, преобладают средние (0.5–0.2 мм) и мелкие фракции песка (0.2–0.1 мм). Например, на ААП заливов Бахченный Овраг-1, Бахченный Овраг-2, Крестищенская балка, Суводский Яр. Размер частиц наносов варьирует от 2–1 мм (мелкий гравий) до 0.1–0.05 мм (крупные пылеватые частицы). Практически во всех пробах выявлен небольшой процент фракций размером менее 0.05 мм (мелкие пылеватые и иловатые частицы). В отдельных пробах встречаются более крупные фракции: от 50–20 мм (средняя галька), 20–10 мм (мелкая галька) (на ААП заливов Бахченный Овраг-1, Бахченный Овраг-2, Третий), 10–5 мм (крупный гравий), 5–2 мм (средний гравий). Например, на пересыпях заливов Бахченный Овраг-1, Бахченный Овраг-2, Крестищенская Балка, Безымянный-1.

На ААП и косах левобережных заливов преобладает средняя фракция песка (размером 0.5–0.2 мм; до 91.4%), отмечены частицы размером менее 0.05 мм. Например, на правосторонней косе залива Песчаный, на пересыпях заливов Бирючья Балка, Безымянный-2 и др. Размер наносов левобережных ААП составляет от 10–5 мм (крупный гравий) до 0.05 мм и менее (мелкие пылеватые, иловатые и глинистые частицы). В отдельных пробах с правосторонних кос заливов Кислово, Песчаный и левосторонней косы залива Яблоновый отмечены более крупные фракции размером 50–20 мм (средняя галька), 20–10 мм (мелкая галька).

Важной характеристикой воздействия водного потока и его скорости на переносимые частицы служит степень их окатанности. Окатанность резко увеличивается в начале переноса, затем изменение этого показателя происходит постепенно. Высокая степень окатанности отвечает уже первым километрам переноса (Петтиджон, 1981). Во всех пробах частицы на пересыпях заливов Волгоградского водохранилища оказались окатанными или хорошо окатанными. Значения коэффициента окатанности (К_o) варьируют от 0.60 до 0.85 (табл. 2). Это свидетельствует о том, что данные частицы были принесены водным потоком в ходе вдольберегового транспорта и могут быть отнесены к наносам. Значения К_о в пределах одной ААП или косы в большинстве случаев практически не отличаются. На некоторых пересыпях разница коэффициента на гребне и урезе достигает 0.10–0.14, что связано с сортировкой материала и разницей в транспортирующих скоростях течения.

Первичная статистическая обработка данных по гранулометрическому составу речных наносов заключается в определении гранулометрических параметров d_5%, d_10%, d_25%, d_50%, d_75%, d_90%, d_95%. Индекс при d показывает, какой процент частиц меньше данного размера d содержится в составе данной пробы наносов. Значения этих параметров определяются по интегральной (кумулятивной) кривой гранулометрического состава²². Интегральные кривые были построены нами в программе Microsoft Excel по возрастанию размера фракций (от более мелких к более крупным) (рис. 2).

В связи тем, что результаты, полученные по интегральным кривым, отличаются пониженной точностью, для определения гранулометрических параметров была подготовлена программа на основе Microsoft Excel “Гранулометрия; интегральная кривая”, позволяющая производить необходимые расчеты для каждой пробы наносов. В программу было введено процентное содержание каждой фракции по массе, размер наиболее крупной частицы (x) и исходные данные, характеризующие пробу (№ пробы, название залива, место отбора, время и дата). В качестве выходных данных мы получили рассчитанные значения d_5%, d_10%, d_25%, d_50%, d_75%, d_90%, d_95% (табл. 1).

Эффективный диаметр частиц наносов 90%-й обеспеченности (d_90%) характеризует скорости течения, формирующие поток наносов. Рассчитанные значения d_90% в зависимости от преобладающей фракции наносов в пробе колеблются от 0.25 мм (на абразионно-аккумулятивной отмели около входного створа залива Бахченный Овраг-1) до 87.40 мм (на урезе левосторонней косы залива Местный Рубежный). Пересыпи и косы с преобладанием в составе крупных и средних фракций (100–5 мм) отличаются средними значениями d_90% равными 46.1–50.0 мм. ААП и косы с преобладанием в составе мелких фракций (5–0.05 мм) характеризуются средними значениями d_90% равными 0.58–0.90 мм. Значения d_90%, как правило, сильно отличаются на гребне пересыпи и на урезе Волгоградского водохранилища.

Приближенную характеристику степени сортировки материала наносов дает метод квартилей П. Траска (1932) и рассчитанный по этому методу коэффициент сортировки S₀ (Мясникова, Потахин, 2021). По значениям S₀ изученные нами пробы наносов оказались хорошо (1.13–1.57), средне (1.58–2.08) и плохо (2.23–14.40) отсортированы. Пробы с разных участков одной пересыпи или косы, как правило, имеют разную степень сортировки, за исключением нескольких заливов. Все пробы хорошо отсортированы на пересыпях заливов Другалка, Большой, Крестищенская Балка, Суводский Яр, Безымянный-2, левосторонней косе залива Верхний Ураков, правосторонней косе залива Местный Рубежный. Хорошая степень сортировки говорит об однородности скоростей течения, образующих данные формы рельефа. Обе пробы плохо сортированы на ААП залива Третий, обе пробы средне сортированы на левосторонней косе залива Осиновый. Разная степень сортировки в пределах одной ААП свидетельствует о неравномерности ее образования во времени при различных скоростях течения.

Пробы наносов с середины ААП или косы почти во всех случаях хорошо сортированы, только в двух случаях – средне отсортированы. Пробы, взятые на абразионно-аккумулятивных отмелях, в большинстве случаев хорошо сортированы. Пробы с урезов Волгоградского водохранилища, как правило, плохо отсортированы, лишь в нескольких случаях – средне отсортированы. Такая закономерность связана с высокой динамикой приурезной части пересыпи, различиях в высоте волны и скоростях течений, ее формирующих.

Гранулометрический состав наносов служит косвенным признаком динамики и нарастания уже сформированной пересыпи. Во всех пробах наносов ААП залива Другалка в июле 2019 г. преобладала крупная (100–50 мм) и средняя галька (50–20 мм). В пробах 2020 г., взятых на ААП около уреза Волгоградского водохранилища, преобладала мелкая галька (20–10 мм) и крупный гравий (10–5 мм). Это говорит о некотором нарастании пересыпи со стороны водохранилища. Аналогичный процесс мы наблюдали на правосторонней косе залива Широкая Балка, несмотря на то, что все пробы были отобраны в июле 2020 г. В пробе со “старой” части косы, ближе к береговому уступу, подавляющее большинство наносов относилось к фракции среднезернистого песка (0.5–0.2 мм). В середине “новой” части косы, формирующейся ближе к отмели, наряду с фракцией среднезернистого песка преобладала фракция средней гальки (50–20 мм). На урезе “новой” части косы доминирующей была средняя (50–20 мм) и крупная галька (100–50 мм).

4. Скорости вдольбереговых волноприбойных течений, формирующие абразионно-аккумулятивные пересыпи.

В.В. Законнов, А.В. Законнова, А.И. Цветков, Н.Г. Шерышева (2018) отмечают, что скорости течения выше средних формируют основной гранулометрический скелет осадков, а меньше средних – насыщают его структуру тонкодисперсными частицами. При максимальных скоростях течения происходит размыв дна и берегов, сортировка наносов по крупности; а при слабых градиентах скоростного режима создаются условия для накопления тонкодисперсных фракций (Законнов и др., 2018).

В настоящем исследовании мы выполнили оценочный расчет скоростей вдольбереговых волноприбойных течений (V_теч), образующих устьевые абразионно-аккумулятивные пересыпи и косы. Скорости подобных течений мы будем называть нанософормирующими. Был применен косвенный метод, основанный на гранулометрическом анализе проб наносов (значения d_90%). Расчет произведен с использованием формул Г.И. Шамова (1959) и В.Н. Гончарова (1954), так как эти формулы обеспечивают наилучшую сходимость результатов. Рассчитанные скорости течений характерны для “штормовых” условий на водохранилище. Под “штормовыми условиями” в своем исследовании мы будем понимать скорость ветра 10 м/с и более. В табл. 2 приведен оценочный расчет скоростей течения, способных привести в движение частицы наносов и создающих ААП и косы во входных створах заливов.

В табл. 2 видно, что скорость течения варьирует от 0.5 до 3.5 м/с. ААП и косы сформированы в различных “штормовых условиях”. Об этом говорят значения V_теч в пределах двух кос в устье одного залива (Местный Рубежный, Осиновый) или на гребне и урезе одной ААП (Бахченный Овраг-1, Бирючья Балка и др.). Применяемая методика расчета скорости была апробирована О.В. Филипповым (2004). Автором проведено вычисление оценочных скоростей течения на прибрежных отмелях участков многолетних наблюдений за переформированием берегов Волгоградского водохранилища. Значения скорости в зоне волноприбоя варьирует от 0.3 до 3.6 м/с. Полученные в настоящей статье значения скоростей, образующих пересыпи, сопоставимы с этими результатами.

В результате исследования выявлены отличия в нанософормирующих скоростях течения на право- и левобережье водохранилища. На правобережье скорости изменяются от 0.47–0.61 до 3.40–3.45 м/с, на левобережье – от 0.47–0.61 до 1.50–1.63 м/с. Это вывод является одной из выявленных нами закономерностей процесса формирования ААП. Полученные закономерности могут быть применены при изучении процесса формирования устьевых ААП заливов на других водохранилищах зоны недостаточного увлажнения России (например, Куйбышевское и Цимлянское).

Меньшие значения V_теч на левом берегу Волгоградского водохранилища связаны с литологическим составом. Здесь преобладают супеси и суглинки (см. рис. 1), поставляющие на пересыпи, в основном, песчаные фракции. В очень небольшом количестве в зону волноприбоя попадает галечно-гравелистый материал. Поэтому, чтобы привести в движение влекомые наносы в зоне волноприбоя у левого берега требуются меньшие скорости течения.

Переформирование профиля береговой зоны и перераспределение фракций наносов начинается сразу после начала волнового воздействия и наиболее интенсивно происходит в течение первых 3–6 ч (Гуров и др., 2019). На Волгоградском водохранилище наиболее распространены “штормовые условия” продолжительностью 3–9 ч. По полученным скоростям течения были рассчитаны скорости транспортировки частиц наносов (υ_ч) вдольбереговыми волноприбойными течениями (табл. 3). Были вычислены расстояния (L), на которые могут переноситься частицы наносов в течение 3, 6 и 9 ч. Следует отметить, что расчет был проведен в общем виде без учета характера движения частиц наносов и их приостановки в процессе движения.

Скорости транспортировки наносов рассчитаны по формуле В.В. Романовского (1974). А.В. Караушев (1977) указывает, что данное решение является достаточно общим и может использоваться для расчета движения влекомых наносов, не зависимо от вида движения. Представленная формула учитывает уравнения скорости частицы и при разгоне, и при замедлении движения. В.В. Романовским (1974) установлено, что скорость перемещения частиц по дну не зависит от размера выступов и шероховатости дна, а является функцией донной скорости потока и формы частиц (Караушев, 1977). Расчеты произведены нами для прибрежной отмели, которую можно считать однородной. Поэтому морфологические особенности дна не учитывались при вычислении скорости.

За 3 ч наносы с преобладанием в составе гравелистых, песчаных и крупных пылеватых фракций могут переместиться на 15–19 км, а наносы, состоящие в основном из галечных фракций – на 3–13 км (см. табл. 3). Расчет перемещения наносов за 6–9 ч дал результаты в несколько десятков км. На наш взгляд, полученные данные несколько завышены, и реальные расстояния будут меньше. Потому что гранулометрический состав наносов пересыпей и кос соответствует литологическому составу берегов водохранилища вблизи устья залива (см. рис. 1). На участках правого берега с преобладанием в литологическом составе опоки и песчаников на устьевых ААП господствуют галечные и гравелистые фракции (заливы Большой, Рубежный, Гусева и др.). На участках с преобладанием суглинков, слабо уплотненных песков и песчаников на пересыпях превалируют песчаные фракции (Крестищенская Балка, Третий, Широкая Балка и др.). На левобережье, сложенном супесями и суглинками, на пересыпях господствуют песчаные фракции (Карагачева Балка, Кислово, Яблоновый и др.). Следует отметить, что протяженность береговой линии водохранилища, не прерываемой мысами или входными створами заливов, не превышает 20 км, но как правило, это значение составляет 5–10 км. Поэтому перемещаемые наносы аккумулируются не далеко от источника поступления. Авторы предполагают, что седиментация наносов через 6–9 ч произойдет на расстоянии, не превышающем 15–19 км.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ результатов настоящего исследования позволил сделать следующие выводы:

1. В формировании абразионно-аккумулятивных пересыпей и кос принимают участие наносы размером от 100–50 мм (крупная галька) до 0.05 мм и менее (мелкие пылеватые частицы). Различия в размерах фракций связаны с литологическим составом берегов водохранилища вблизи входного створа залива и нанософормирующих скоростях вдольберегового течения и волноприбойных направлениях ветра и его скорости.

2. Составляющие пересыпи и косы наносы являются окатанными или хорошо окатанными (со значениями коэффициента окатанности 0.60–0.85), что свидетельствует о том, что они были принесены водным потоком в ходе вдольберегового транспорта.

3. В результате исследования выявлены отличия в гранулометрическом составе пересыпей на право- и левобережье водоема. В составе наносов пересыпей и кос правобережных заливов Волгоградского водохранилища, сложенных преимущественно галькой и гравием, преобладает крупная (100–50 мм) и средняя галька (50–20 мм), а на ААП и косах, сложенных преимущественно песчаными фракциями, господствуют средние (0.5–0.2 мм) и мелкие фракции песка (0.2–0.1 мм). В составе наносов пересыпей и кос левобережных заливов преобладает средняя фракция песка (размером 0.5–0.2 мм), отмечены частицы размером менее 0.05 мм.

4. Гранулометрический состав выступает индикатором наносообразующих скоростей течения в “штормовых условиях”. На правобережье водоема скорости течения составляют от 0.47 до 3.45 м/с, на левобережье – от 0.47 до 1.63 м/с.

5. Пробы наносов устьевых ААП имеют разную степень сортировки (1.13–14.40), что говорит о различиях в скоростях течений, формирующих данные формы рельефа в разные временные периоды. Пробы с гребня ААП или косы почти во всех случаях хорошо сортированы. Пробы наносов с урезов Волгоградского водохранилища, как правило, плохо отсортированы, что связано с высокой динамикой приурезной части пересыпи, различиях в скоростях течений, ее формирующих и высоте волны.

6. Гранулометрические параметры являются косвенными признаками динамики уже сформированной пересыпи. По размерам частиц наносов возможно судить о нарастании ААП во времени со стороны Волгоградского водохранилища.

7. Гранулометрический состав наносов абразионно-аккумулятивных пересыпей соответствует литологическому составу берегов Волгоградского водохранилища вблизи устья залива. Седиментация влекомых и взвешенных наносов происходит на близком расстоянии от источника поступления (не более 15–19 км).