автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Сток рек и устойчивость Иранского побережья Каспийского моря

РГ 6 0Д

ЧЬ %

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ВОДНЫХ ПРОБЛЕМ НКЦ "КАСПИЙ"

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

АЛИЗАДЕ КЕТЕКЛАХИДЖАНИ Хамид

СТОК РЕК И УСТОЙЧИВОСТЬ ИРАНСКОГО ПОБЕРЕЖЬЯ КАСПИЙСКОГО МОРЯ

Специальность 05.23.16 Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Институте водных проблем Российской Академии наук, Научно-координацонном центре" Каспий"

Научные руководители: доктор географических наук Г.Ф. Красножон чл-корр.РАН, доктор технических наук, профессор Г.В. Воропаев

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Т.Г. Войнич-Сяножецкий кандидат физико-матемаеических наук Л.А. Ещенко

Ведущая организация: Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Защита диссертации состоится 26, декабря 1997г. в 12 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета К 120.41.01 в Государственном предприятии - специализированом научном центре "Госэкомелиовод'по адресу:107005,г. Москва,ул. Бауманская,43/1,ГП СНЦТосэкомелиовод".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НКЦ "Каспий" РАН и в библиотеке ГП СНЦ Тосэкомелиовод".

Автореферат разослан "11" декабря 1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,

старший научный сотрудник бу^ Н.Г. Зубкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. К числу наиболее малоизученных проблем Каспийского моря, в связи с большой амплитудой колебаний его среднемноголетнего уровня, относятся вопросы, связанные с устойчивостью и использованием береговой зоны.

В значительной степени это происходит от незнания того, что будет с отдельными участками берега при значительных колебаниях уровня моря, а также неумения разрабатывать достоверные прогнозы. Это усугубляется отсутствием общепризнанных прогнозов колебаний уровня моря. Применительно к условиям Иранского побережья задача еще более усложняется в связи с небольшим количеством специальных исследований по вопросам динамики береговой зоны (Зенкович 1957).

До настоящего времени накоплено много информации о динамике береговой зоны морей, озер и водохранилищ, в том числе и по характеристикам береговой зоны в условиях большой амплитуды колебаний уровней воды. Проведено много теоретических и экспериментальных работ. Но в связи с многофакторностью условий специалисты до сих пор не в состоянии давать однозначные ответы и прогнозы поведения выбранного конкретного участка берега моря или озера.

Поэтому нам представляется возможным решать аналогичные задачи по частям, блокам, опираясь на накопленный опыт, знания, разработанные методы расчета и экспериментальные данные о строении береговой зоны данного конкретного участка. В частности, для условий крупных бесприливных морей и озер основное воздействие на береговую зону оказывают волнение и ветроволновые течения, за которыми часто ведутся наблюдения.

В диссертации впервые предпринята попытка оценить возможное поведение Каспийского участка берега на территории Ирана при подъеме уровня моря. Для оценки будущих изменений берега нами использованы имеющиеся и полученные новые данные о

ветровом режиме южной части моря, режиме ветроволновых течений, вдольбереговом переносе наносов, режиме стока рек, балансе наносов по участкам берега, устойчивости подводной часта берегового склона при рассчитанных условиях волнового режима и баланса наносов.

В качестве основных исходных условий принимаются: сохранение характеристик ветроволнового режима глубоководной части моря, полученных по многолетним данным наблюдений, наличие амплитуды колебаний уровня моря порядка 3 м, примерное сохранение современных условий поступления твердого стока рек при формировании баланса наносов на отдельных участках побережья в условиях заданной амплитуды колебаний уровня моря и изменяющегося ( при изменении уровня моря и глубины воды) волнового режима береговой зоны.

Здесь рассматривается процесс формирования береговой зоны моря как процесс взаимодействия моря (режима волн, течений и уровня) и суши (режима стока наносов рек) при сложившихся особенностях строения береговой зоны и донного рельефа. Следовательно, для решения проблемы необходимо знание характеристик многих гидрофизических и гидрометеорологических процессов или возможность их расчета.

Цель и задачи. Целью работы является изучение береговой зоны Иранского побережья Каспийского моря в условиях колебания уровня моря и изменения стока рек. Для ее выполнения необходимо решить следующие задачи:

- изучить сток воды и наносов рек Иранского побережья, впадающих в Каспийское море, и его изменение за счет антропогенного фактора, -определить ветроволновой режим и соответствующий режим течений в береговой зоне;

-исследовать механический и минералогический состав донных наносов и проследить их изменения в береговой зоне; -изучить строение и динамику подводного берегового склона, определить его устойчивость;

-оценить вдольбереговой перенос и особенности формирования баланса наносов вдоль берега;

-определить временные изменения береговой линии особенно в устьях крупных рек;

-дать характеристику общей устойчивости береговой зоны, в том числе при повышении уровня моря;

- наметать общие черты прогноза профиля подводного берегового склона при изменяющемся уровне моря;

-дать общую оценку экологической обстановки в береговой зоне Каспия в пределах Ирана.

Методы исследования. В основу работы положены результаты полевых и лабораторных исследований автора в 1994-1997 гг. Отобраны 50 проб донных наносов на пляжах и в дельтах рек. Использованы данные экспедиции, проведенной в феврале 1997г. по заданию Центра по исследованию Каспийского моря при Министерстве энергетики Ирана. В экспедиции было обсследовано Иранское побережье Каспийского моря от Астары до Гасанголи. В прибрежной полосе подводного берегового склона с глубинами 2,5-10м , а местами 20м были отобраны 45 проб поверхностных донных отложений. Восемь профилей подводного берегового склона от линии уреза воды до глубин 10-20м регистрировались эхолотом типа Echo Sounder ATLAS Deso 10. На каждом профиле были измерены течения на глубинах 2,5, 5 , 7,5 , 10 , 15 и 20 м на разных горизонтах по глубине вертушкой типа Current Meter CM-2SA. Механический состав донных наносов был определен на основе ситового анализа. Минералогический состав ( 60 проб ) алевритовой фракции выделен под бинокуляром.

Волновой режим и вдольбереговой поток наносов рассчитан автором на основе данных по ветрам на Иранском побережье и над морем (по методике ГОИН,1979). Проанализированы аэрофотосъемки (1950,1954,1964,1982,1992гг.) и космические съемки ( 1982,1990гг. ) для изучения района устья Сефидруд и космическая съемка 1980г. для изучения течений на юго-восточном побережье. Изучена экологическая обстановка по данным полевых работ и анализу 9-х проб донных

наносов. Содержание алифатических углеводородов ( УВ ) определены методом ИКС на приборе Спекорд 71-1Я. Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) анализировали методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) на колонке

КАХ-2 (обращенная фаза).

Общая схема исследования Иранского побережья Каспийского

моря приведены на рис. 1.

Рис. 1: Общая схема исследования Иранского побережья Каспийского моря.

Научная новизна. а1 Впервые на основе новых материалов исследований изучена береговая зона Иранского побережья Каспийского моря и выяснена огромная роль стока наносов рек в формировании ее устойчивости. Исследования показали, что вся полоса прибрежной равнины образована в основном за счет поступления огромного количества речных наносов в течение последних 12000 лет, и что устойчивость береговой зоны в условиях колебания уровня моря в основном поддерживается за счет этого фактора.

б) Впервые определены гидрометеорологические характеристики . береговой зоны Каспия в пределах Ирана, необходимые для расчетов ее устойчивости:

-характеристики ветроволнового режима глубоководной части моря (на подходе к береговой зоне) вдоль побережья, -величина и режим стока воды и наносов рек побережья, -мощность вдольберегового потока наносов и баланс наносов по участкам побережья,

-характеристики сформировавшихся профилей равновесия береговой зоны,

-характеристики механического и минералогического состава донных наносов.

в) Впервые на основе изучения аэрокосмических съемок береговой зоны дан анализ эволюции дельты р. Сефидруд.

г) Изучены характеристики общей устойчивости подводного берегового склона и предложена методика расчета переформирования профиля при изменяющемся уровне моря. Установлено, что характер переформирования береговой зоны зависит не только от уклона подводного берегового склона, но и уклона пляжа.

д) Проведенные исследования на южном побережье Каспия показали, что общие закономерности динамики береговой зоны, установленные другими исследователями на ряде объектов мира, справедливы и могут быть использованы для данного региона с учетом специфики колебаний уровня моря.

е) Впервые дана общая оценка экологической обстановки в береговой зоне Иранского побережья на основе определения содержания техногенных углеводородов в донных осадках.

Практическое значение .Результаты исследований могут быть использованы Министерством энергетики, организацией портов и судоходства, рыбного хозяйства Ирана как рекомендации для более рационального комплексного использования береговой зоны, регулирования режима прибрежных районов Ирана, защиты их от вредного воздействия природных и антропогенных факторов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения , списка литературы из 133 наименований и 4 приложений, содержит 9 таблиц, 25 рисунков, общий объем 120 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, цель исследования, обсуждаются научное и практическое значение результатов.

В первой главе описана общая физико-географическая характеристика характеристика исследуемого района — Иранского побережья Каспийского моря. Длина береговой линии иранского побережья от Астары до Гасан Голи около 620 км. Ширина равнинной части побережья колеблется от 1 км (в центральной части ) до 50-60 км (в районах крупных дельт рек Сефидруд и Г орган). Современная береговая линия в пределах Иранского побережья Каспия очень простая, и лишь местами нарушается за счет устьев многочисленных рек и залива Горган на восточном и лагуны Энзели на западном побережье( рис. 2). Суммарная площадь водосборов рек Иранского побережья составляет около 163,5 тыс. км2. Часть рек Ирана пересекает Туркмению и Азербайджан прежде чем попасть в море. В Каспийское море на участке Иранского побережья впадает более 40 малых рек. Иранское побережье расположено в зоне субтропического

климата, за исключением более засушливой восточной часта Иранской равнины. Годовое количество осадков колеблется от 2000 мм у Энзели до 200 - 300 мм на крайнем восточном побережье.

Во второй главе рассмотрен сток воды и наносов водосбора Каспийского моря на территории Ирана. Обобщены данные наблюдений за период 1955-1995 более чем на сорока реках. На основе этих данных средний годовой естественный сток воды составляет 16.6 км3, а наносов — 45 млн.т. в год. Потери стока воды за счет его хозяйственного использования оцениваются в 27-37% на отдельных реках. В настоящее время в Каспийское море через территорию Ирана впадает около 10.4 км3 воды. Естественный сток воды всех рек водосбора Каспия на территории Ирана (включающие те реки, которые впадают через Туркмению и Азербайджан в Каспий) оценивается в 22 км3. У многих рек, из-за расположения их водосбора в основном в горных районах с резким уклоном , сток наносов по сравнению со стоком воды больше. Значительная мутность воды наблюдается также у рек крайнего восточного побережья, из-за легкой размываемоста глинисто-алевритовых пород берегов и ложа рек.

В третьей главе изучены гидрологические условия береговой зоны Ирана. Приведены данные наблюдений по колебанию уровня моря ( многолетные, годовые, сезонные ). На основе данных по ветрам Южного Каспия определены статистаческиие характеристики ветровых волн по пяти участком ( 16 точек на Иранском побережье), так как систематических данных наблюдений за волнением не имеется. Расчетные характеристики волн были использованы для оценки энергии волн в глубоководной части Иранского побережья. Эти расчеты позволяют определить вдольбереговые скорости течений и мощности вдольберегового переноса наносов. В этой главе дается краткий обзор течений на Каспии и приведены новые натурные данные по течениям на Иранском побережье, показывающие, что у западного и восточного побережья Ирана преобладают течения с севера на юг. В южной части побережья от Энзели до самого Горганского залива преобладает течение с запада на восток. Поэтому в крайнем восточном углу моря, где сходятся течения различных направлений (южное и восточное ) постоянно происходит образование вихревых и компенсационных течений. По данным имеющихся космических съемок восточное

вдольбереговое течение разворачивается на север и частично питает компенсационное течение, которое обеспечивает отток вод в западном направлении.

Максимум скорости течения зарегистрирован в районе старой дельты Сефидруда и достигает 30 см/с при ветрах 4 м/с, а в период штормов однопроцентной обеспеченности скорость вдольберегового течения в этом районе по расчетам может достигать 200 см/с.

В четвертой главе рассмотрены морфологические особенности и динамика подводного берегового склона. Приведены общие черты строения берегов Каспия, детально изучена морфология берегового . склона Ирана. Особенности динамики береговой зоны рассмотрены в работах H.A. Айбулатова (1966, 1990), П.Д. Комара (1970, 1976) и И.О. Леонтьева (1989). Область Иранского побережья Каспия характеризуется ассиметричным строением подводного берегового склона. Вдоль центрального побережья Ирана, в районе, где котловина максимально прижимается к берегу, изобата 100 м проходит в 5-7 км от берега, а в 12 км от берега обнаруживаются глубины 500-600 м. В западной части Иранского побережья Каспия глубина 100 м встречается в 20-35 км от берега, а в восточной части только в 64 км. На основе новых данных, уклоны подводного берегового склона до глубины 10 м изменяются в пределах 0,01 - 0,0007, а уклоны пляжевой зоны от 0,06 до 0,004. Однообразная картина рельефа дна нарушается в верхней части склона на глубинах 2-3 м серией подводных валов. У этих берегов имеется минимум один подводный вал или серия подводных валов до трех с относительной высотой 0,151,9 м, а в крайнем восточном районе побережья, из-за малых уклонов дна и тонких грунтов валов нет. Морфологические данные подводного берегового склона показывают, что интенсивное воздействие волн на дно на западном побережье начинается с глубины Зм, на южном—4м, а на крайнем восточном побережье с глубины 2м.

Изучен механический и минералогический состав осадочного материала. К числу важных факторов, определяющих гранулометрический и минералогический состав донных отложений,

относится поступление на акваторию водоема седиментационного материала. Основным источником поступления седиментационного материала на Иранское побережье Каспия яаляются реки. Водосборные площади крупных рек приурочены к горным областям Эльбурса, характеризующимся разнообразием процессов выветривания и тектонической обстановки. Это приводит к поступлению большого количества обломочного материала в южную часть Каспийского моря. Анализ донных наносов пляжей и прибрежной зоны показывает, что спектр механического состава наносов простирается от пелитовой до гравийно-галечной фракций. Следы осадков гравийно-галечной фракции протягиваются вдоль побережья от Энзели до Баболсара, а по профилям только у Нура на глубине 7,5 м в донных отложениях обнаруживается содержание гравия около 1%. Максимум содержания этой фракции (25%) встречается у профиля Наштаруда. Местами в центральной части побережья Ирана содержание гравийно-галечной фракции на пляже достигает более 50% (у Рамсара и у Чалуса). Песчаная фракция является одной из основных составляющих гранулометрического спектра донных отложений побережья Ирана. Преимущественно ее распространение приходится на мелководные зоны (до глубины 10 м), особенно на профилях от Энзели до Бабольсара. Повышенное содержание (98%) алевритовой фракции отмечается в восточной части побережья в пределах Горганского пляжа. Ареал с концентрацией алеврита более 40% наблюдается так же в западной части побережья. Наиболее обширные области концентраций пелитового материала расположены на крайнем западном и восточном побережье (Астара и Горганруд),где содержание пелита в донных отложениях ( 8% у Астары и 75% у Горганруда) отмечается с глубин 2,5м. На профиле Дастак (старая дельта Сефидруда) пелит начинается с глубин 5м , а на других профилях (кроме Hyp)- 7,5м. На профиле Hyp присутствие пелитового материала наблюдается на глубинах 15м. Максимальное содержание пелита (80%) представлено отдельными пятнами, расположенными

преимущественно по периферии дельты Горганруда. На остальных профилях содержание пелита на глубине 10 м не превышает 35%.

Основными причинами повышенного содержания той или иной фракции наносов на разных участках являются: принос наносов реками, гидродинамические условия в береговой зоне и морфологические особенности подводного берегового склона. В центральной части Иранского побережья из-за переноса крупных наносов малыми реками, водосбор которых находится на горах с большими уклонами, большого уклона подводного склона и большой мощности энергии волнения по сравнению с поступлением речных наносов, отмечается наличие гравийно-галечных материалов на пляжах и в некоторых местах на глубинах 3-4 м. Высокие концентрации (98%) песчаных частиц в осадках связаны в основном с поступлением кластического материала аллювиального происхождения в прибрежную зону ( в центральной части Гилана и в центральной части Мазандерана). Здесь крупными реками (Сефидруд, Полруд, Хараз, Таджан, Талар) приносится огромное количества песков с хорошей сортировкой. По ходу уменьшения содержания песков в донных отложениях по профилям , постепенно увеличивается количество алеврита и пелита. Этот процесс более заметен на западном и восточном побережье. На западном побережье, благодаря переносу мелкозернистых осадков морскими течениями с севера на юг вдоль берега, и пологому профилю дна содержание пелита в донных осадках наблюдается с глубин 2.5м. Аномальное размещение осадков по ходу удаления от берега отмечается на профиле Горганруд, где на глубине 2-3 м преобладает содержание пелита(70-80%), а на глубине 5-6 м крупного алеврита (40-50%). Это происходит благодаря мелководью и пологому рельефу дна у дельты Горганруда, через который волны не проходят. Кроме того р. Горганруд выносит огромное количество тонкого материала.

В минералогичеком отношении донные отложения Иранского побережья Каспия весьма разнообразны. Многочисленные минералогические анализы легкой и тяжелой части минералов

показывают, что крупнейшим источником терригенных минералов на Гиланском побережье является р. Сефидруд, а на Мазандеранском побережья большая часть легкой фракции поступает из рек Хараз, Чалус, Нека, Горганруд — тяжелой — Таджан, Талар. В тяжелой фракции черные рудные минералы наряду с пироксенами , а в легкой фракции кварц и карбонатные обломки являются самыми распространенными минералами. На основе изучения минералогического состава донных наносов и сопоставления с наносами устьев крупных рек можно выделить две литологические фации на Иранском побережье: на большей части преобладают тяжелые минералы, а на юго-восточном побережье— легкие минералы с повышенным содержанием карбоната. Это резкое отличие а литологическом составе указывает на совершенно иной источник материала — сток наносов рек восточного побережья и течения, способствующие транспорту и накоплению легких минералов на юго-восточном побережье Каспия.

На основе приведенных в 3-й главе характеристик волн определены вдольбереговые скорости течения и мощности вдольберегового потока наносов для разных участков побережья. Мощность потока энергии волн по отдельным участкам берега рассчитана по парамерам волн на глубокой воде с учетом их изменения при подходе к берегу. По уравнению <Э|_= К (ЕСп)ь зтаьсоваь рассчитана мощность потока наносов вдоль берега, где Е энергия волн, С фазовая скорость, п=1/2[1+ (2кНу$т1п(2кН)], к=2л/Ц а угол подхода волн к берегу, Ь индекс мелководья. По расчетам преобладающее итоговое перемещение наносов должно происходить с севера на юг на западном и восточном побережье Ирана. На южном побережье поток наносов направлен с запада на восток. Следовательно в крайнем юго-восточном углу Каспия должно наблюдаться накопление наносов. Подтверждением полученных результатов расчета являются морфологические особенности строения аккумулятивных участков берегов, в том числе направление преобладание роста кос и мысов. Сопоставление полученных данных по расчетам мощности потока

наносов с поступлением наносов на каждый участок берега ( речных, морских— путем вдольбереговых течений с севера на юг, биогенных, эоловых) указывает, что в настоящее время баланс наносов в центральной части побережья — отрицательный, на других участках — положительный. Заметный положительный баланс наносов наблюдается у устьев крупных рек ( Сефидруд, Горганруд ) даже при повышении уровня моря. Тип поперечного переноса наносов в общем виде можно оценить приблизительно по соотношению Кх = (И0 /хо) 1дР / со / дт , где 1д(3= ¡, уклон дна, со - гидравлическая крупность наносов на дне. При значениях К, < 0.5 наблюдается преобладание переноса . наносоа к берегу( на большей часта побережья ), при Кх >0.5 - от берега( в центральной часта побережья ). На основе анализа данных по составу наносов, профилю берегового склона, балансу наносов вдоль берега и типу поперечного перегоса наносов были выделены на Иранском побережья аккумулятивный ( на большей части Иранского побережья) и абразионный (в центральной части ) тип берега (рис. 3).

Изучено развитие береговой зоны Иранского побережья Каспия на фоне изменяющегося уровня моря. Исследования проведенные автором показали, что при быстрых повышениях уровня моря большую роль играют как уклоны подводного берегового склона, так и уклоны пляжа, что является уточнением схемы развития берегов, разработанные для условий Каспия другими исследователями (Никифоров, Рычагов, 1988; Долотов 1989; Каплин, 1989; Игнатов и др., 1992; КарНп, ЗеИуапоу, 1995). При подъеме уровня Каспия в зависимости от уклона берегов (надводного и подводного) на Иранском побережье наблюдается четыре типа развитая береговой зоны {рис. 4): В районе от Астары до Энзели (уклон до глубины 10 м - 0,002 ) происходит поступление наносов на береговой вал и вынос вниз по склону, в районе от Чабоксара до Нура (при уклонах 0,007 - 0,01 ) происходит размыв верхней части подводного берегового склона и перемещение части наносов к берегу , где формируется береговой вал. В этих районах уклоны надводного берега ( от -20м до -28м ) изменяются в пределах 0,04-0,008.В районах центрального Гилана и

центрального Мазандерана при уклонах 0,008 ( до глубины Юм ) происходит переработка наносов верхней части подводного берегового склона и выброс их на сушу, где за ними формируется лагуна. Уклон надводной части берега (от -20 до -28м ) находится в пределах 0,002. В крайней восточной части побережья Ирана в условиях наиболее отмелых берегов (при уклонах 0,0007 ) происходит пассивное затопление суши без заметной переработки склона( кроме района дельты Горганруда, где в устьевой области образуется лагуна).

Рис.3 Типы берегов и потока наносов на Иранском побережье Каспия аккумулятивный берег абразионный берег » направление потока наносов

1 2

Рис. 15 Схема развития поперечных профилей Иранского побережья при повышении уровня моря.

— новый уровень

---старый уровень

к\\\\Ч зоны размыва I- -У-1 зоны аккумуляции

уклон подводного берегового склона до глубины 10 м 1дС уклон пляжа до высоты 20 м а.б.с.

.1) пассивное затопление (1дс£=0.0007.1дЗ=о,0004)

2) смещение берегового вала к суше и образование

лагуны(1д<х=0,009,1ди=:0,СЮ2)

3) поступление наносов к береговому валу и к сил ону(1да=0.0018ДдР=0,008}

4) поступление наносов к береговому сшонуПаа=0 01 1д0=О,О4)

При снижении уровня моря происходит перемещение берегового вала к морю ( на западном и центральном побережье ) и обсыхание лагун ( в центральной части Гилана и Мазандерана ), а в крайней восточной части побережья- заметное наступление берега.

В природных условиях наблюдается большое разнообразие типов профилей подводного берегового склона. До настоящего времени не существует общепризнанных методик расчетов устойчивых профилей. Мы считаем, что прототапом устойчивого профиля могут служить длительно существующие в данных условиях профиля подводного берегового склона. Естественно в каждом конкретном случае необходимо вносить коррективы ( видоизменения ) профиля, учитывая существенное нарушение каких-либо физических параметров, характерных для предшествующего периода его формирования.

В пятой главе приведены исследование устьев рек Иранского побережья Каспия. Только устьевые области рек Сефидруд, Хараз и Горганруд, из более чем сорока рек впадающих через Иранское побережье в Каспийское море, в настоящее время относятся к дельтовому типу. Малые реки формируют чаще всего простые устья. Р. Сефидруд - важнейший объект приморской равнины и прибрежной зоны Иранского побережья Каспийского моря - представляет собой уникальный природный комплекс, имеющий сложную естественную историю и важное народнохозяйственное значение. Дельтовая равнина Сефидруда начинается приблизительно у г.Рашта, в 60 км от моря и подразделяется на древнюю и современную дельту. Древние дельтовые отложения расположены на территории около 1800 км2 ( рис. 5). В настоящее время р. Сефидруд впадает в Каспийское море у г. Кияшахр. Современная однорукавная дельта р. Сефидруд занимает территорию около 40 км2 в форме треугольника 12 х 6 км. Средний многолетний расход воды по данным гидрологического поста Астанэ (25 км от моря) составляет 128 м3/с (4 км3 /год), а взвешенные наносы 6.5 кг/мэ ( 26 млн.т.) за период 1958-1995гг. По данным аэрокосмических фотосъемок за период 1950-1992гг. определены

границы древней и современной дельты р.Сефидруд и восстановлены основные этапы развития современной дельты за последние 500 лет( после образования нового русла).

Рис 5.Район дельты р. Сефидруд.отдешифрирован на основе космических съемок 1982 и 1990 гг.

а)схема распространения отложений в древней и современной дельте:

1: современные береговые отложения 2: современные дельтовые отложения 3: лагуны

4: лагунные отложения 5:древние дельтовые отложения 6: старые береговые отложения

7:дельтовые отложения в начале прорыва р. Сефидруд в море 8:аллювиапьные отложения 9:четвертичные морские отложения 10 хорные склоны, сложенные отложениями кайнозоя покрытые густым широколиственным лесом. 11, 12 : зоны разной мутности воды 13: дельтовые отложения малых рек А - А разлом Сефидруда Б - Б разлом Рашт - Лахиджан река

линии раздела

предполагаемые линии раздела

б) фрагмент современной дельты (при повышении уровня моря):

1:затопление 2: подтопление

Река Хараз одна из крупных рек Иранского побережья Каспия. Годовой сток воды и взвешенных наносов реки при выходе из гор составляет 1,1 км3 . и 2,4 млн.т. В настоящее время дельта Хараза представляет собой внутренюю многорукавную дельту. Рукава Хараза впадают в море в открытом приглубом районе побережья. Площадь дельты около 315 км2.

Горганруд — крупная река юго- восточного побережья Каспия. Ранее р. Горганруд впадала в море севернее современной дельты и сформировала внутренюю многорукавную дельту (площадь около 600км2). В результате повышений уровня моря в новокаспийское время и прорыва реки к югу от старого русла, начала формироваться современная дельта Горганруда. В настоящее время дельта Горганруда представляет собой однорукавную дельту, площадь которой 20 км2. Средний годовой сток воды и взвешенных наносов у ст. Басирабад равен 0,49 км3, и 3,1 млн.т. Горганруд имеет повышенную мутность воды из-за легкой размываемости глинисто-алевритовых пород его берегов и ложа.

По исследованиям устьев рек и береговой зоны получены убедительные доказательства большой роли стока наносов в формировании дельт и береговой зоны Иранского побережья.

В шестой главе изучена экологическая обстановка на основе анализа содержания техногенных углеводородов в донных осадках. Приведены данные по содержанию алифатических углеводородов (УВ) и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в верхнем слое донных осадков Иранского побережья Каспийского моря. Установлено, что несмотря на сравнительно низкие концентрации УВ и ПАУ, которые изменялись соответственно в интервалах 24.8-61.4 мкг/г и 0-45.7 нг/г сухого вещества, степень техногенной загрязненности донных осадковв восточной части в 5 раз выше, чем в западной. Накопление загрязняющих веществ в восточной части побережья происходит за счет существующих вдольбереговых течений с запада на южном побережье и с севера на восточном, и постоянных вихревых

образований в юго-восточной части Каспийского побережья (район Горганруд).

В заключении суммируются полученные результаты и сделаны следующие краткие выводы.

1.Впервые представлена совокупность новых материалов, характеризующих развитие и устойчивость Иранского побережья.

2.Анализ развития берегов показал определяющее влияние стока речных наносов в формировании прибрежной равнины, устойчивости побережья.

3.Впервые определены гидрометеорологические характеристики береговой зоны, влияющие на ее динамику:

-изучен сток воды и наносов рек,

-определен волновой режим и течения,

- рассчитана мощность вдольберегового волнового потока энергии и потока наносов, определен баланс наносов по всему побережью.

4.По данным о составе наносов, уклонах дна и параметрах волн определена результирующая поперечного переноса наносов на побережье.

б.Новые натурные данные по Иранскому побережью позволили впервые изучить гранулометрический и минералогический состав донных наносов. На его основе определены зоны аккумуляции осадочного материала на дне.

6.Исследованы дельты рек побережья, детально рассмотрено развитие дельты Сефидруда. На основе анализа материалов аэрокосмических съемок, выделены границы новой и старой дельты и этапы их формирования, зоны подтопления при повышении уровня.

7.Изучение динамики береговой зоны при колебании уровня моря позволило установить следующее:

-при повышении уровня моря в большинстве случаев происходит размыв аккумулятивных типов берегов, но у дельт крупных рек (Сефидруд, Горганруд) на участках главных рукавов продолжается нарастание суши,

-установлено, что при быстром повышении уровня моря развитие берегового склона зависит не только от уклона подводного берегового склона, но и от уклона пляжа. При современном подъеме уровня Каспия можно выделить четыре типа развития берегов Ирана: пассивное затопление на крайнем восточном побережье, наращивание берегового вала и образование лагуны за ним в центральном Гилане и Мазандеране, поступление наносов по склону вниз в центральной части побережья и поступление наносов на береговой вал и по склону на западном побережье Ирана.

8.Дана общая оценка экологической обстановки в береговой зоне на основе анализа содержания углеводородов в донных осадках. Выяснено, что загрязняющие вещества нефтяного происхождения в донных осадках Иранского побережья имеют концентрацию близкую к фоновой. Степень техногенной загрязненности донных осадков в восточной части в 5 раз выше (1.67нг/г), чем в западной (0.34 нг/г). Загрязняющие вещества накапливаются на крайнем юго-восточном побережье из-за существующей системы течений.

По теме диссертации приняты в печать следующие работы:

1-Воропаев Г.В., Г.Ф. Красножон, Х.К. Лахиджани. Сток рек и устойчивость Иранского побережья Каспийского моря, Водные ресурсы, 1997 г.

2-Воропаев Г.В., Г.Ф. Красножон, X. Лахиджани , Дельты рек Каспия Вестник Каспия,1997 г.

3-Красножон Г.Ф., X. Лахиджани , Г.В. Воропаев Эволюция дельты р. Сефидруд по данным космических съемок Иранского побережья Каспийского моря. Исследование Земли из космоса, 1997 г.

4-Лахиджани X., Г.Ф.Красножон, Сток рек Иранского побережья Каспийского моря. Гидрология и метеология, 1997г.

5-Лахиджани X., И.А Немировская, Г.Ф. Красножон, Углеводороды в донных осадках Иранского побережья Каспийского моря. Водные ресурсы, 1997г.



/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ВОДНЫХ ПРОБЛЕМ НКЦ "КАСПИЙ"

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

АЛИЗАДЕ КЕТЕК ЛАХИДЖАНИ Хамид

СТОК РЕК И УСТОЙЧИВОСТЬ ИРАНСКОГО ПОБЕРЕЖЬЯ КАСПИЙСКОГО МОРЯ

Специальность 05.23.16 Гидравлика и инженерная гидрология

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

доктор географических наук Г.Ф. Красножон

чл-корр.РАН, доктор технических наук, профессор Г.В. Воропаев

Москва -1997

Сток рек и устойчивость Иранского побережья Каспийского моря

Введение

актуальность проблемы 3

цель и задачи 4

методы исследования 5

научная новизна 7

практическое значение 8

структура и объем работы 8

1. Физико-географическая характеристика Иранского побережья Каспия 10

2. Сток рек (воды и наносов) 16

3. Гидрологические условия береговой зоны 18

3.1 Уровень моря 18

3.2 Ветроволновой режим 20

3.3 Течения 24

4. Морфологические особенности и динамика подводного

берегового склона 30

4.1 Основные черты берегов Каспия 30

4.2 Морфология берегового склона Ирана 34

4.2.1 Подводные валы 35

4.2.2 Поперечный профиль подводного берегового склона 40

4.2.3 Количественный анализ профиля 41

4.3 Состав осадочного материала подводного берегового склона 44

4.3.1 Механический состав 46

4.3.2 Минералогический состав 51

4.4 Перемещение наносов(продольное и поперечное ) 56

4.4.1 Вдольбереговые скорости течения 56

4.4.2 Вдольбереговой поток воды и наносов 60 4.4.3 Поперечный транспорт наносов 64

4.5 Изменение береговой зоны при колебании уровня моря 66

5. Дельты рек 72

5.1 Р. Сефидруд 72

5.2 Р. Хараз 84

5.3 Р. Горганруд 85

5.4 Устья малых рек 87

6. Экологическая обстановка в береговой зоне 89 Заключение 93 Литература 95 Приложения 105

1 2

3

4

Введение

1) Актуальность проблемы

К числу наиболее малоизученных проблем Каспийского моря, в связи с большой амплитудой колебаний его среднемноголетних уровней, относятся вопросы, связанные с использованием береговой зоны и ее устойчивостью.

В значительной степени это происходит от незнания того, что будет с отдельными участками берега при значительных колебаниях уровня моря, а также неумения разрабатывать достоверные прогнозы. Это усугубляется отсутствием общепризнанных прогнозов колебаний уровня моря.

До настоящего времени накоплено много информации о динамике береговой зоны морей, озер и водохранилищ, в том числе и по характеристикам береговой зоны в условиях большой амплитуды колебаний уровней воды. Проведено много теоретических и экспериментальных работ. Но в связи с многофакторностью условий специалисты до сих пор не в состоянии давать однозначные ответы и прогнозы поведения выбранного конкретного участка берега моря или озера.

Поэтому нам представляется возможным решать аналогичные задачи по частям, блокам, опираясь на накопленный опыт, знания, разработанные методы расчета и экспериментальные данные о строении береговой зоны данного конкретного участка.

В частности, для условий крупных бесприливных морей и озер основное воздействие на береговую зону оказывают волнение и ветровые течения за,которыми часто ведутся наблюдения.

В диссертации впервые предпринята попытка оценить возможное поведение южного участка берега моря на территории Ирана при продолжающемся подъеме уровня. Для оценки будущих изменений берега

нами использованы имеющиеся и полученные новые данные о ветровом режиме южной части моря, режиме ветроволновых течений, вдольбереговом переносе наносов, режиме стока рек, балансе наносов по участкам берега, устойчивости подводной части берегового склона при рассчитанных условиях волнового режима и баланса наносов.

В качестве основных исходных условий принимаются: сохранение характеристик ветроволнового режима глубоководной части моря, полученных по многолетним данным наблюдений, наличие амплитуды колебаний уровня моря порядка Зм, примерное сохранение современных условий поступления твердого стока рек при формировании баланса наносов на отдельных участках побережья в условиях заданной амплитуды колебаний уровня моря и изменяющегося ( при изменении уровня моря и глубины воды) волнового режима береговой зоны.

Здесь рассматривается процесс формирования береговой зоны моря как процесс взаимодействия моря (режима волн и течений) и суши (режима стока наносов рек) при сложившихся особенностях строения береговой зоны и донного рельефа. Следовательно, для решения проблемы необходимо знание характеристик многих гидрофизических и гидрометеорологических процессов или возможность их расчета.

2) Цель и задачи

Целью работы является изучение формирования и устойчивости береговой зоны Иранского побережья Каспийского моря в условиях колебания уровня моря и изменения стока рек. Для ее выполнения необходимо решить следующие задачи:

- изучить сток воды и наносов рек Иранского побережья, впадающих в Каспийское море и его изменения за счет антропогенных факторов,

-определить ветроволновой режим и соответствующий режим течений в береговой зоне,

-исследовать мехсостав и минералогический состав донных наносов и проследить их изменения в береговой зоне,

-изучить профиля подводного берегового склона, определить их устойчивость,

-оценить вдольбереговой перенос и особенности формирования баланса наносов вдоль берега,

-определить изменения береговой линии особенно в устьях крупных рек,

-дать характеристику общей устойчивости береговой зоны, в том числе при продолжающемся повышении уровня моря,

-по возможности наметить общие черты прогноза профиля подводного берегового склона при наличии медленно изменяющегося уровня моря,

-дать общую оценку экологической обстановки в береговой зоне. Общая схема решения поставленных задач приведены на рис. 1. 3) Методы исследования

В основу работы положены результаты полевых и лабораторных исследований автора в 1994-1997 гг. Использованы данные экспедиции, проведенной в феврале 1997г. по заданию Центра по исследованию Каспийского моря при Министерстве энергетики Ирана. В экспедиции было обследовано Иранское побережье Каспийского моря от Астары до Гасанголи. В прибрежной полосе подводного берегового склона с глубинами 2,5-1 Ом , а местами до 20м были отобраны 45 проб поверхностных донных отложений. Кроме того автором были отобраны 50 проб донных наносов на пляжах и в дельтах рек. Восемь профилей подводного берегового склона от линии уреза воды до глубин 10-20м регистрировались эхолотом типа Echo Sounder ATLAS Deso 10. На каждом профиле были измерены течения на глубинах 2,5, 5 , 7,5 , 10 , 15 и 20 м на разных горизонтах по глубине вертушкой типа Current Meter CM-2SA. Механический состав донных наносов в лаборатории был определен на основе ситового анализа. Минералогический состав ( 60 проб ) алевритовой фракции определен под биноклем.

Рис. 1: Общая схема исследования Иранского побережья Каспийского моря.

Волновой режим и вдольбереговой поток наносов рассчитан автором на основе данных по ветрам на Иранском побережье и в южной части Каспийского моря ( по методике ГОИН,1979 ). Проанализированы аэрофотосъемки (1950,1954,1964, 1982,1992гг.) и космические съемки (1982,1990гг. ) для изучения района устья Сефидруд и космическая съемка 1980г. для изучения течения на юго-восточном побережье. Изучена экологическая обстановка по данным полевых работ и анализу 9 проб донных наносов. Содержание алифатических углеводородов ( УВ ) определены методом ИКС на приборе Спекорд 71Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) анализировали методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) на колонке КАХ-2 (обращенная фаза).

4) Научная новизна

а) Впервые на основе новых материалов исследований изучена береговая зона Иранского побережья Каспийского моря и выяснена огромная роль стока наносов рек в формировании ее устойчивости. Исследования показали, что вся полоса прибрежной равнины образована за счет поступления огромного количества речных наносов в течение последних 12000 лет, и что устойчивость береговой зоны в условиях колебания уровня моря в основном поддерживается за счет стока и наносов рек побережья.

Впервые определены гидрометеорологические характеристики береговой зоны Иранского побережья необходимые для расчетов ее устойчивости:

-характеристики ветроволнового режима глубоководной части моря ( на подходе к береговой зоне ) вдоль побережья,

-величина и режим стока воды и наносов рек побережья, -мощность вдольберегового потока наносов и баланс наносов по участкам побережья,

-характеристики сформировавшихся профилей равновесия

береговой зоны,

-характеристики механического и минералогического состава донных наносов,

Б) Впервые на основе изучения аэрокосмических съемок береговой зоны дан анализ эволюции дельты р. Сефидруд.

В) Изучены характеристики общей устойчивости подводного берегового склона и предложена методика расчета переформирования профиля при наличии медленно изменяющихся уровней моря. Установлено, что характер переформирования береговой зоны зависит не только от уклона подводного берегового склона, но и уклона пляжа.

Г) Впервые дана общая оценка экологической обстановки в береговой зоне Иранского побережья на основе определения содержания углеводородов в донных осадках.

5) Практическое значение

Результаты исследований могут быть использованы Министерством энергетики, организацией портов и судоходства, рыбного хозяйства Ирана как своего рода рекомендации для более рационального использования береговой зоны , регулирования режима прибрежных районов Иранского побережья, защиты их от вредного воздейстия природных и антропогенных факторов.

6) Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения , списка литературы из 133 наименований и 4 приложений, содержит 9 таблиц, 25 рисунков, общий объем 120 страниц.

7) Благодарности

Работа выполнена в ходе прохождения курса очной аспирантуры при Институте водных проблем, (Научно-координационом центре "Каспий")Российской академии наук.

Автор искренне благодарен своим научным руководителям: доктору геогр.наук Г.Ф. Красножону за энтузиазм и пристальное внимание к работе и член-кор. РАН Г.В. Воропаеву за организацию и внимание к моей учебе в аспирантуре. Успешному выполнению работы способствовала атмосфера внимания в аналитической лаборатории ин-та Океанологии РАН особенно В.П.Казаковой и И.А.Немировской. Автор признателен за помощь и предоставление данных по Иранскому побережью Каспия А. Мансури, М.Монтазери, Х.Закер, А.Риахи, Р.Афшар. Автор также выражает свою благодарность Министерству Высшего Образования Ирана, благодаря материальной поддержке которого было возможным прохождение аспирантуры в Научно-координационом центре "Каспии" Российской академии наук.

1. Физико-географическая характеристика Иранского побережья Каспия

Крупнейшие геоморфологические элементы северной части Ирана, которая прилегает к Каспийскому морю — это горный хребет Эльбурс и прибрежная равнина.Длина береговой линии Иранского побережья от Астары до Гасан Голи около 620 км. Ширина равнинной части побережья колеблется от 1 км (в центральной части ) до 50-60 км (в районах крупных дельт рек Сефидруд и Горган). Прибрежная равнина в административном отношении в западной части называется Гиланской (от Астары по Чабоксару), а в восточной - Мазандеранской(от Рамсара до Гасан Голи, рис. 2 ).

Побережье Ирана можно подразделить на три зоны : предгорий(ее приходится хотя бы частично отнести к побережью , поскольку в ее пределах распространены плейстоценовые террасы и древные клифы), низменности и береговых валов (Леонтьев О. К. 1986), подводного берегового склона. Согласно картографическим данным уклоны подводного берегового склона (до глубины моря 100 м) изменяются от 0,0005 в районах Хаштпаре и Горгане , до 0,01 в центральной части побережья .На основе новых данных, уклоны подводного берегового склона до глубины Юм

изменяются в пределах 0,01 - 0,0007, а уклоны пляжевой зоны от 0,06 до 0,004.

Современная береговая линия в пределах Иранского побережья Каспия очень простая, а местами нарушается за счет дельтовых отложений рек и заливов. Самая крупная дельта на Иранском побережье Каспия — это дельта Сефидруда (новая и старая), меньше дельты выдвижения малых рек ( Карганруд и Полруд на Гиланском, а Чалус и Чешмекиле на Мазандеранском участках побережья). Лагуна Энзели и залив Горгана отделены от моря песчаными пересыпями.

По мехсоставу наносов , слагающих пляжевую часть береговой зоны, можно выделить три типа побережья : гравийно-галечный (западный Мазандеран), песчаный (побережье Гилана и центрального Мазандерана) песчано-алевритовый (восточный Мазандеран). Узкая прибрежная полоса подводного берегового склона до изобат 15 - 20 м сложена песком, сменяющимся затем крупным алевритом и пелитом .

Иранское побережье расположено в зоне субтропического климата, за исключением более засушливой восточной части Иранской равнины. Годовое количество осадков колеблется от 2000 мм у Энзели до 200 - 300 мм на крайнем восточном побережье.Средний годовой слой осадков и увлажнение уменьшаются с запада на восток и наоборот- средняя годовая температура нарастает. Орографические условия южного побережья Каспия, то обстоятельство, что оно омывается относительно глубоководным бассейном южно-каспийской впадины, включающим в себе более 60% общего объема вод Каспия, и соответствующий тип атмосферной циркуляции обусловливают влажный субтропической климат южного побережья.

В Каспийское море на участке Иранского побережья впадает более 40 малых рек (рис. 3). Почти все реки начинаются на севере хребта Эльбурс. Верховья рек расположены в горных районах, в которых наблюдается редкий растительный покров, ниже они протекают через залесенные районы (лесами покрыто обычно около 50-55 % площади водосборов), и, наконец через прибрежную равнину - впадают в море. Суммарная площадь водосборов рек Иранского побережья составляет

около 163,5 тыс. км2 (рис. 4). Часть рек Ирана пересекает Туркмению и Азербайджан прежде чем попасть в море. Наиболее крупной рекой является р. Сефидруд, которая образуется от слияния рек Шахруд и Гезелузан у г. Манджил. Длина реки достигает 800 км. Характеристики рек приведены в табл. 1. Почти на всех крупных реках построены водохранилища, поэтому их жидкий и твердый сток за последние 50 лет существенно сократился.

Большая часть прибрежной равнины интенсивно используется сельским хозяйствим и на этих местах простираются плантации риса, чая, многочисленные рощи шелковицы, посадки садовых культур, поэтому влажные широколиственные леса в основном сохранились только на горных склонах.

Для проведения расчетов в зависимости от типов побережья и направления береговой линии было выделено пять основных расчетных участков, см. рис. 2.

Таблица 1. Характеристики основных рек Иранского побережья.

Название Площадь Длина реки Средний годовой Мутность, Сток

реки водосбора км сток воды, кг/м3 взвешенных

х 10б м3 наносов,

км2 103 тонн/год

Карганруд 550 70 390 0.77 300

Пасихан 840 60 444

Сефидруд 67000 800 4037 6.44 (26000)

Полруд 1650 80 476 2.10 1000

Чешмекиле 1450 80 442 0.96 426

Чалус 1550 180 401 1.02 411

Хараз 4100 185 1072 2.21 2367

Талар 2850 150 319 3.50 1115

Бабол 1500 170 489 0.90 440

Таджан 4000 192 417 0.90 377

Нека 3000 180 154 2.74 422

Горганруд 12600 350 407 7.57 3080

Рис. 3 Карта рек Иранского побережья.

1-Астара 2-Лавандавил З-Ламир 4-Хавиг 5-Лисар 6-Каганруд 7-Навруд 8-Диначал 9-Шафаруд 10-Шандерман 11 Плангдарре 12-Пасихан 13-Сефидруд 14-Шалманруд 15-Полруд 16-Сафаруд 17-Чалкруд 18-Чешмекиле

Рис. 4 : водосбор Каспия на территории Ирана. 1) часть водосбора, воды которого впадают через территорию республики Азербайджан в Каспийское море, 2) водосбор западного Гилана(главная река- Карганруд), 3) водосбор з. Энзели (главная река - Пасихан), 4)водосбор р. Сефидруд,1 5) водосбор восточного Гилана(главная река - Полруд), 6)водосбор западного Мазандерана(главная река - Чешмекиле), 7) водосбор центральрого Мазандерана(главная река - Чалус), 8) водосбор р. Хараз, 9)водосбор р. Талар и р.Бабол , 10) водосбор р.Таджан, 11) водосбор р. Нека, 12) водосбор восточного Мазандерана(главная река - Горганруд), 13) часть водосбора , воды которого впадают в море через территорию республики Туркменистан.

2- Сток рек (воды и наносов)

Основными характеристиками представляющими для нас интерес, являются величина стока воды и наносов, а также мехсостав наносов, поступающих в Море.

Средний годовой естественный сток воды всех рек оценивается в 16,6 км3, а наносов - примерно в 45 млн. т/год.

Основные характеристики стока нескольких наиболее крупных рек приведены в табл. 1.

Для расчетов величин современного стока рек использованы данные наблюдений за 1951-1995 годы. Оценка естественного стока проводилась для районов 3, 4, 5 и и для р. Сефидруд. В соответствии с полученными результатами сток воды и наносов в этом районе сократились примерно на 30 % .По оценке потерь �