ОКЕАНОЛОГИЯ, 2004, том 44, № 3, с. 457-468
МОРСКАЯ ГЕОЛОГИЯ
УДК 551.465
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИИ БЕРЕГОВ РОССИЙСКОЙ АРКТИКИ
© 2004 г. И. О. Леонтьев
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва Поступила в редакцию 30.12.2002 г., после доработки 14.04.2003 г.
Морфодинамическая модель, примененная ранее для прогноза эволюции аккумулятивных побережий Арктики, обобщается на условия абразионных и термоабразионных берегов. Сделан вывод о том, что при одинаковых волновых воздействиях абразионный клиф теряет то же количество вещества и отступает с той же скоростью, что и термоабразионный уступ соответствующей высоты. Термический компонент процесса термоабразии не вносит непосредственного вклада в объем потерь материала, а только создает условия для выноса вещества волнами и течениями. Каков бы ни был потенциал термоабразии, связанный с тепловым воздействием, ее объем, как и в случае обычной абразии, лимитируется штормовой активностью. Показано, что объемы потерь наносов и скорости рецессии для берегов обоих типов можно определить на основе одной и той же эмпирической зависимости, если охарактеризовать термоабразионный клиф его эффективной высотой Нсе, учитывающей просадку грунта при вытаивании льда. На основе усовершенствованной версии модели выполнено прогнозирование развития некоторых термоабразионных и аккумулятивных побережий в восточной части российской Арктики. Сделан вывод о том, что во второй половине XXI в. можно ожидать ускорения темпов рецессии термоабразионных клифов в 1.4-1.5 раза. На аккумулятивных берегах в процессе будущих глобальных изменений природной обстановки возможно формирование естественного защитного барьера в виде берегового вала или бермы.
1. ВВЕДЕНИЕ
Арктические берега составляют значительную долю всех морских побережий России. Их протяженность исчисляется десятками тысяч километров, а природные условия и типы побережий характеризуются исключительным разнообразием. В отдельных регионах, например, на Таймыре или Кольском полуострове встречаются ингрессионные берега, сложенные твердыми коренными породами, почти не изменяемые морем в течение длительного времени. Однако подавляющая часть арктических побережий претерпевает активную трансформацию, обусловленную как воздействием со стороны моря, так и глобальными изменениями климатической ситуации. Значительное место здесь занимают термоабразионные берега, которые в более низких широтах не встречаются и в настоящее время интенсивно разрушаются. Повышение температурного фона и связанные с ним таяние льдов, подъем уровня моря, а также возрастание волновой активности прямым или косвенным образом сказываются и на поведении берегов иных типов, включая аккумулятивные.
Общая тенденция к размыву и отступлению берегов представляет серьезную проблему, особенно в связи с планируемым освоением прибрежных месторождений углеводородных ископаемых и развитием судоходства. Хозяйственная деятельность на арктических побережьях требует достоверного прогноза их развития в обозри-
мом будущем, а также разработки стратегии их защиты в условиях меняющейся природной обстановки.
В настоящей работе описана прогностическая модель и изложены результаты ее применения к арктическим берегам различного типа - аккумулятивным, абразионным и термоабразионным. Речь идет о прогнозах в масштабе времени порядка 100 лет. Это так называемый "инженерный" масштаб времени, сопоставимый со сроком службы береговых сооружений.
В предшествующих работах [5, 6, 17] автор представил морфодинамическую модель, основанную на сочетании "локального" и "интегрального" подходов, учитывающих соответственно вклады кратковременных воздействий (характерных штормов) и долговременных процессов (изменений фоновых условий). Эта модель была применена для прогнозирования отступания абразионных клифов Баренцева и Карского морей, сложенных преимущественно песчаным материалом, эрозия которых почти не связана с термодинамическими явлениями (термоабразией и термоденудацией). Полученные результаты кажутся довольно обнадеживающими. Однако практическое использование модели в каждом случае требует ее калибровки по данным наблюдений, которые далеко не всегда доступны. В настоящей работе на основе имеющихся данных и результатов моделирования устанавливаются определенные закономерности, благодаря которым появляется
масштабе отдельных штормов, так и в масштабе десятилетий [5, 6, 17]. Модель исходит из закона сохранения массы, в котором учитываются вклады как кратковременных событий (отдельных штормов), так и долговременных (фоновых) факторов:
дС ЪЧгЧавоь + А01ДУ - q
т" = —+--;--+ ™.
д г дх и
(1)
Рис. 1. Структура морфодинамической модели.
возможность использовать модель и при отсутствии калибровочных данных.
Кроме того, предложенная модель обобщается на условия термоабразионного берега, размыв которого обусловливается не только гидродинамическими воздействиями, но и термическими процессами. Однако с точки зрения баланса вещества на береговом склоне принципиальной разницы в поведении термоабразионных и чисто абразионных арктических берегов не обнаруживается. Как показывают результаты проведенного исследования, объемы годовых потерь материала для обоих типов берегов следуют общим закономерностям и могут быть описаны в рамках одной и той же эмпирической зависимости.
Наконец, модель применяется для прогнозирования эволюции некоторых термоабразионных и аккумулятивных побережий центрального и восточного секторов российской Арктики на период ближайшего столетия с учетом глобальных изменений природной обстановки. Тенденции развития указанных типов берегов оказываются прямо противоположными.
2. МОРФОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
В настоящей работе используется модель "гибридного" типа, позволяющая описать морфологические изменения берегового профиля, как в
В масштабе длительности шторма главными компонентами баланса массы служат градиенты поперечных расходов наносов дqx/дx, создаваемых волнами и связанными с ними течениями (ось ОХ направлена к берегу, сС - глубина от спокойного уровня, г - время). В масштабах десятилетий основными составляющими оказываются продольный градиент вдольберегового потока наносов Д0/Ду, эоловый транспорт дАЕОЬ на верхней границе и поперечный поток q* на нижней границе профиля, отражающий вынос вещества из береговой зоны или, наоборот, его приток. Изменения глубин обусловливаются также глобальными изменениями уровня моря (со скоростью м>). Все долговременные потоки на границах профиля отнесены к длине его активной зоны /*, в пределах которой изменения наиболее ощутимы.
Структура модели отражена на рис. 1. Численная процедура включает два цикла. Во внутреннем цикле моделируются изменения исходного профиля при кратковременных воздействиях, под которыми подразумеваются экстремальные шторма повторяемостью 1 раз в год (с учетом высоты соответствующего штормового нагона). Предполагается, что именно такие шторма определяют основные черты геометрии профиля, тогда как более слабые, хотя и более частые волнения приводят лишь к осцилляциям прибрежной топографии. На каждом шаге внутреннего цикла по всему протяжению профиля рассчитываются параметры волн, переносные течения у дна и поперечные расходы наносов qx и, наконец, определяются новые глубины из уравнения (1), в котором долговременные компоненты пока исключаются из рассмотрения. Продолжительность штормового воздействия задается соответствующей интервалу времени ге, необходимому для выработки квазиравновесного устойчивого профиля (величина ге оценивается по эмпирическому соотношению [5] и в типичном случае имеет порядок 10 ч). Следует заметить, что модель способна имитировать условия обвала, если крутизна склона в какой-либо точке превысит критическое значение. Это позволяет моделировать изменения профиля вплоть до бровки берегового уступа.
Во внешнем цикле вычислений учитываются изменения глубин, обусловленные долговременными компонентами. Иначе говоря, к локальным
глубинам С добавляются величины Аz0 и А1Ъ, представляющие изменения уровней моря и дна за период Ар.
А£о
Аг
= V,
АЧ = Чаеоь + А 6/ Ау - д* Аг I * '
(2)
В результате этого профиль может сместиться либо в сторону суши (если Аг0 + А1Ъ > 0), либо в
сторону моря (если Аг0 + АгЪ < 0). Полученный профиль служит в качестве исходного для следующего шага вычислений. Временной шаг внешнего цикла, Аг, обычно имеет порядок 1 года. Интересующий нас период эволюции берега, ТЕ, в данном случае составляет 100 лет.
Важным параметром модели является протяженность наиболее активной части профиля I*, в пределах которой концентрируются основные изменения профиля. В прежней версии модели [6, 17] величина I* принималась равной ширине зоны заплеска при экстремальном штормовом нагоне. Однако, как показали результаты моделирования, такой выбор не всегда отвечает реальным условиям. На основании опыта расчетов предлагается определять I* как расстояние между глубиной, равной удвоенной высоте штормовых волн и бровкой клифа или авандюны. Если эти формы рельефа берегового склона выражены слабо или отсутствуют, то верхней границей активной зоны следует считать предельную отметку заплеска при штормовом нагоне.
Следует отметить, что описанная модель разработана для условий преимущественно песчаного берега. В материале клифов абразионных и термоабразионных берегов часто доминируют тонкодисперсные частицы (размером менее 0.1 мм), а доля песка бывает относительно мала. Однако на подводном склоне во время штормов она может заметно возрастать благодаря более интенсивному выносу мелких частиц. Подтверждением тому служит, в частности, существование песчаных подводных валов в условиях, когда абразионный клиф сложен по преимуществу глинистыми частицами, как, например, на берегах Белого моря [7]. В результате штормовые изменения профиля в целом могут быть аналогичными тем, которые характерны для песчаных берегов. Это позволяет предполагать, что наша морфодинамическая модель применима и в тех случаях, когда песок не является доминирующим компонентом в составе осадков.
Для применения модели в прогностических целях необход
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.