Водохранилища в окружающей среде. Книга 2

Министерство науки и образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

С.В. Соболь

ВОДОХРАНИЛИЩА 

В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

В двух книгах

КНИГА 2

Нижний Новгород

ННГАСУ

2022

ББК 38.771 
С 54 

Печатается в авторской редакции 

 

Рецензенты: 

Д.Б. Гелашвили – доктор биологических наук, профессор (ФГАОУ ВО «Националь- 

ный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лоба- 
чевского») 

Д.В. Козлов – доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВО «Национальный ис- 

следовательский Московский государственный строительный университет») 

А.М. Коломиец – доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВО «Нижегород- 

ский государственный архитектурно-строительный университет») 
 
 
 

Соболь С.В. Водохранилища в окружающей среде. В двух книгах [Текст]: научно- 

техническое издание. / С.В. Соболь; Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Н. Новго- 
род: ННГАСУ, 2022.– Книга 2. – 406 с. ISBN 978-5-528-00485-3; 978-5-528-00487-7 
 
 

Во второй книге издания в продолжение книги 1 анализируется взаимодействие 

водохранилищ с окружающей средой, включая компоненты литосферы, гидросферы, ат- 
мосферы и биосферы, а также человека и культурные ценности, характеризуются ме- 
роприятия по подготовке территорий к затоплению водохранилищами, освещаются во- 
просы эксплуатации, в том числе поддержания экологического здоровья водохранилищ, 
поясняется, что целью любого проекта, связанного с созданием водохранилищ, является 
достижение обществом существенного успеха в устойчивом развитии на основе эконо- 
мической эффективности, социальной справедливости и экологической безопасности. 

Материал адресован специалистам, аспирантам и студентам, чьи интересы распро- 

страняются на проблему водохранилищ, а также кругу читателей, желающих получить 
целостное представление об этих рукотворных объектах в современной окружающей их 
среде. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ISBN 978-5-528-00485-3 
© С.В. Соболь, 2022. 

ISBN 978-5-528-00487-7 
© ННГАСУ, 2022 

 
 
 
 

2 

ЧАСТЬ 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ 

ВОДОХРАНИЛИЩ 
С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
(продолжение)

Переработка песчаного берега Рыбинского

водохранилища. Зарисовка начала 1950-х гг. [357]

Водохранилища – объекты, создан
ные человеком. Как техногенные образования они оказывают влияние практически на все компоненты литосферы, гидросферы, атмосферы и биосферы, образующие природную среду занятых ими и 
прилегающих территорий, то есть на 
геодинамические условия и рельеф, режим поверхностных и подземных вод, 
климат, почвы, растительность, животный мир и ландшафт в целом. Сами 
испытывают 
влияние 
природных, 

прежде всего гидрометеорологических, 
факторов. Взаимодействуют с антропогенной окружающей средой. Пределы 
названного влияния и взаимодействия 
рассматриваются в настоящей 2-й части книги.

ГЛАВА 16. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ 

ЛОЖА И БЕРЕГОВ 
ВОДОХРАНИЛИЩ В ОБЛАСТИ 
ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ

16.1. Вечная мерзлота на северо-востоке страны

Территория северо-востока России у строителей именуется север
ной строительно-климатической зоной, у геокриологов (мерзлотоведов) –
криолитозоной или областью вечной мерзлоты. На рис. 16.1 представлена 
схематическая карта криолитозоны. 

Среднегодовые температуры воздуха в криолитозоне повсеместно от
рицательные. В наиболее суровых районах Якутии и Магаданской области 
они опускаются до –14 … –16 ºС. Продолжительность морозного периода 
изменяется от 250 суток на юге зоны до 300 и более суток на крайнем севере. 
В районе Курейской ГЭС она составляет 240 суток, Колымской – 280 суток. 
Особенно холодны зимы в удаленных от побережья районах. Средняя температура января в Магадане – 21,0, Синегорье – 35,1, Вилюйске – 38,2, Якутске – 43,2, Верхоянске – 48,9, Оймяконе – 50,1 ºС. Характерны сильные 
ветры, метели, снежные заносы. При понижении температуры до – 45 ºС 
устанавливается безветрие, туманы. Лето довольно теплое, среднемесячная 
температура июля 15 ºС. Осадков выпадает 200 – 500 мм в год. Они распределяются в течение года неравномерно. Так, в бассейне р. Хантайки за короткий летний период выпадает 40 % среднегодовой нормы 550 мм. Снежный покров, достигающий 2 м, удерживается до 265 суток в году.

Вечномерзлыми принято называть горные породы (грунты), находя
щиеся в мерзлом состоянии длительное время – века и тысячелетия [629]. 
Возраст вечной мерзлоты на северо-востоке России колеблется от нескольких тысяч до десятков миллионов лет [15].

В зависимости от площади залегания различают вечномерзлые

грунты островного, прерывистого и сплошного распространения (см. рис. 
16.1).

Мощность вечномерзлых толщ изменяется от 20 м в районе г. Читы 

до 1 500 м в горах северного Забайкалья и отдельных районах севернее
р. Вилюя (табл. 16.1).

Таблица 16.1

Мощность и температура вечномерзлых грунтов 

в некоторых пунктах криолитозоны [443]

Пункт
Температура грунта на глубине затуха
ния ее внутригодовых колебаний, ºС

Мощность

мерзлой толщи, м

Верхоянск
–6… –7
180

Воркута
–1… –1,5
40… 130

Игарка
0… –1
20… 30

Мирный
–6
300

Удачный
–7,6
500

Чита
0
8… 20

Якутск
–0,5… –4
230

В области вечной мерзлоты от поверхности вниз простирается слой 

сезонного оттаивания-замерзания грунта. Температура в этом слое сообразно времени года имеет положительные или отрицательные значения. 
Глубина слоя изменяется от 2 – 4 м на юге до 0,2 – 0,3 м на севере криолитозоны. На формирование сезоннооттаивающего слоя оказывают влияние 
различные факторы: климат, рельеф (экспозиция), растительный покров, состав и свойства поверхностных отложений, антропогенные вмешательства. 
Меньшие глубины оттаивания свойственны глинистым грунтам; песчаногравийные грунты обычно оттаивают на большую глубину. Ниже глубины 
сезонного оттаивания температура грунтов остается отрицательной до нижней границы мерзлоты. Внутригодовые колебания температуры сказываются до глубины около 8 – 15 м, где они затухают. Температура мерзлого 
грунта на глубине нулевых амплитуд близка среднегодовой температуре его 
поверхности. Эту температуру принято называть температурой мерзлых пород (рис. 16.2).

Мерзлый грунт представляет собой многофазную многокомпонент
ную систему, в которой присутствуют: твердая фаза, состоящая из минерального скелета и льда; жидкая фаза, представленная незамерзшей водой с 
растворенными в ней солями; газообразная фаза, включающая пары воды и
газы, находящиеся в порах грунта. Основной особенностью мерзлых грунтов является наличие в них льда. В дисперсных грунтах лед может 

Рис. 16.1. Карта распространения вечной мерзлоты на территории России:
мерзлота 1 – сплошная (более 95%), 2 – прерывистая (50 – 95%), 3 – островная  (менее
50% площади); 4 – температура  горных пород на подошве слоя годовых теплооборо
тов, на глубине 15 – 20 м, °С; 5 – закрытые, 6 – действующие пункты наблюдений 

криолитозоны; 7 – южная граница мерзлоты; 8 – Северный полярный круг; 9 – граница 

Российской Федерации [15; 466; 699]

Рис. 16.2. Температурное поле горных пород в 
области вечной мерзлоты:

1 – поверхность земли;
2 – слой сезонного оттаивания – замерзания грунта;
3 – нижняя граница и zc – глубина сезонного 

оттаивания;

4 – граница и – zo глубина затухания

внутригодовых колебаний температуры   
(нулевых амплитуд);

5 – вечномерзлая толща;
6 – нижняя граница и zмг – мощность вечной 

мерзлоты;

7 – талая зона земной коры;



max, min
– максимальная и минимальная

внутригодовая температура;

𝜗 пов – среднегодовая температура поверхности 

земли;

𝜗𝑜 – температура грунта на глубине нулевых

амплитуд;

𝜗ф = 00𝐵� – температура фазовых переходов 







=





+ 
,°C
0°
1

ф

Z,м

7

+

6


Zмг

мин

2
+

пов

f(z,t)

o


5

c

макс
3
o
Z

4

Z

ф

Рис. 16.3. Вечномерзлый грунт с прослоями льда. Вид стены зала 

подземной лаборатории в г. Игарка на глубине 14 м. 1972 г.

Рис. 16.4. Ледяная клиновидная жила в вечномерзлом

грунте на террасе р. Нерючи в Якутии (фото ИМ СО РАН)

Рис. 16.5. Полигонально-жильная структура верхнего слоя вечномерзлой

толщи в арктической тундре. Посередине – бугор пучения

[https://Yandex.ru/search.text ]

находиться в порах между частицами скелета, а также в виде линз, прослоев 
(рис. 16.3), вертикальных жил (рис. 16.4) и включений других форм. В 
скальных породах лед заполняет трещины и пустоты. Суммарная льдистость – это отношение объема содержащегося в грунте льда к объему 
грунта, выражаемое в % или в долях единицы. При содержании льда по объему более 40 % грунты относятся к сильнольдистым [263]. По некоторым 
предположениям, в верхнем 20–40-метровом слое подземные льды могут занимать до 50–70 % общего объема мерзлых грунтов [443] (рис. 16.5).

Оттаивание мерзлых незасоленных грунтов происходит при темпера
туре близкой 0 ºС. Температура замерзания талых грунтов, под которой понимается устойчивая температура замерзания поровой воды, для водонасыщенных песчаных грунтов близка к 0 ºС; для текучих, пластичных и твердых 
глинистых грунтов соответственно равна 0º, –0,1 …–1,2º, –2 …–5 ºС [696].

Прочность мерзлых дисперсных грунтов существенно зависит от дли
тельности приложения нагрузки, поэтому различают мгновенную и длительную прочность. Мгновенная прочность на сжатие достигает у глинистых грунтов 3 – 5 МПа, у песчаных 12 – 15 МПа [696]. При оттаивании 
дисперсные грунты, особенно глинистые, существенно снижают свою прочность, а сильнольдистые вообще могут потерять несущую способность. 
Прочность скальных грунтов при переходе из мерзлого состояния в талое 
может снижаться на 30 – 50 % [263].

Для анализа температурных процессов привлекаются теплофизиче
ские характеристики мерзлых и талых грунтов. Справочные материалы по 
ним можно найти в литературе [40; 134; 255; 263; 616; 635]. Здесь только 
заметим: водонасыщенный грунт в мерзлом состоянии имеет меньшую теплоемкость, чем в талом, благодаря различию теплоемкостей льда (2 060 
Дж/(кг·град)) и воды (4 190 Дж/(кг·град)); мерзлый грунт естественной 
влажности имеет более высокую (примерно на 30 %) теплопроводность по 
сравнению с талым; у скальных пород теплоемкость различается незначительно [263].

При оттаивании мерзлых дисперсных грунтов может происходить их 

осадка: за счет таяния порового льда с отжатием талой воды; от собственного веса грунта; под действием приложенной внешней нагрузки; за счет 
консолидации оттаявшего грунта [616]. Вопросам выяснения величин и времени стабилизации осадки оттаивающих грунтов посвящались как теоретические, так и экспериментальные исследования [134; 490; 696]. Величина 
осадки определяется, в основном, льдистостью грунта. Практически всегда 

осадка 𝑠 однородного грунта, происходящая в одномерных условиях, пропорциональна глубине оттаивания 𝜁 𝑠 = 𝛿 ∙ 𝜁, где 𝛿 – относительная осадка 
[696]. Грунт считается непросадочным при 𝛿 ≤ 0,05, просадочным при 0,05 
≤ 𝛿 ≤ 0,20, сильнопросадочным при 𝛿 > 0,20 [263]. Для ориентировки в табл. 
16.2 приведены соотношения между льдистостью мерзлых и осадкой оттаявших дисперсных грунтов по результатам обработки массива данных о 
грунтах естественного сложения в Якутии [134; 699]. В большинстве практических ситуаций, касающихся водохранилищ, уместно допущение, что 
осадка происходит одновременно с оттаиванием грунта [696].

Таблица 16.2

Средние осадки при оттаивании дисперсных вечномерзлых
грунтов в зависимости от льдистости и нагрузки [134; 699]

Пределы
влажности, %

Нагрузка,

кг/см2
Средняя

осадка,

см/м

Пределы 
влажности, %

Нагруз
ка, 

кг/см2

Средняя 
осадка, 

см/м 

Нагруз
ка, 

кг/см2

Средняя 
осадка,

см/м

Пески 
Суглинки и супеси

20 – 25 
0
1,1
20 – 25 
0
0,9
2
5,7

25 – 30 
0
1,4
25 – 30 
0
1,3
2
6,3

20 – 25 
0,5
2,3
30 – 35 
0
2,4
2
9,6

25 – 30 
0,5
2,3
35 – 40 
0
3,6
2
11,4

20 – 25 
1
2,3
40 – 50 
0
4,5
2
16,5

25 – 30 
1
2,8
50 – 60 
0
5,1
2
22,5

20 – 25 
1,5
2,7
20 – 25 
1
3,3
3
8,1

25 – 30 
1,5
3,2
25 – 30 
1
3,8
3
8,8

20 – 25 
2
2,9
30 – 35 
1
6,0
3
13,2

25 – 30 
2
3,4
35 – 40 
1
7,5
3
15,

20 – 25 
3
3,4
40 – 50 
1
10,5
3
22,5

25 – 30 
3
3,7
50 – 60 
1
13,8
3
31,5

В силу отепляющего воздействия воды на горные породы под руслами 

рек в области вечной мерзлоты существуют подрусловые талики. Для 
крупных рек характерны талики сквозные, под малыми реками могут быть 
несквозные (замкнутые) талики. На рис. 16.6 показан геотермический разрез 
долины р. Колымы в створе Колымской ГЭС. Среднегодовая температура 
воздуха в районе минус 12 ºС, грунта на подошве деятельного слоя –7,5…–
8,5 ºС, воды 3 – 4 ºС. Под руслом реки имеется сквозной талик шириной до 
100 м [132]. На рис. 16.7 приведен инженерно-геокриологический разрез долины р. Ирелях по створу Иреляхского гидроузла. В мерзлых грунтах с 
льдистостью до 60 % под руслом реки несквозной талик [74].