научная статья по теме ПОТОКИ НАНОСОВ ВДОЛЬ ЮГО-ВОСТОЧНОГО ПОБЕРЕЖЬЯ БАЛТИКИ Геология

Текст научной статьи на тему «ПОТОКИ НАНОСОВ ВДОЛЬ ЮГО-ВОСТОЧНОГО ПОБЕРЕЖЬЯ БАЛТИКИ»

УДК 551.435.3(261.24)

© 2015 г. И.О. ЛЕОНТЬЕВ

ПОТОКИ НАНОСОВ ВДОЛЬ ЮГО-ВОСТОЧНОГО ПОБЕРЕЖЬЯ БАЛТИКИ1

Ин-т океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва; igor.leontiev@gmail.com

Введение

Объектом исследования в данной работе является район Балтики, включающий северный берег Самбийского п-ова и морской берег Куршской косы (рис. 1). Первый классифицируется как абразионно-бухтовый, а второй относится к аккумулятивному типу. Долгое время считалось, что указанные побережья развиваются под влиянием Восточно-Балтийского потока наносов, который зарождается у клифов Самбийского п-ова и действует в северном направлении на протяжении нескольких сотен километров, достигая мощности 200-250 тыс. м3/год [1, 2]. Позже высказывалось мнение, что поток значительно ослаблен из-за истощения запасов песка на дне [3]. В последние десятилетия представление о едином потоке отошло в прошлое, и доминирует концепция относительно обособленных морфо-литодинамических ячеек [4]. Выделяется, в частности, самбийско-литовская ячейка (включающая ячейки меньшего масштаба), где формируются встречные потоки, сходящиеся в центре береговых дуг [5]. Что касается количественных оценок, то они весьма локальны, значительно разнятся между собой и лишь в редких случаях опираются на современные расчетные методы [6]. Можно констатировать, что ряд вопросов, связанных с перемещением наносов вдоль рассматриваемого побережья, пока остается открытым.

Настоящая работа имеет целью представить схему вдольбереговых потоков наносов в юго-восточной Балтике на основе математического моделирования транспорта песка, генерируемого ветровым волнением в береговой зоне. В результате расчетов определяются величины и направления потоков наносов для основных волноопасных направлений (ЮЗ, З, СЗ, С и СВ), а также распределение результирующего потока вдоль исследуемого побережья. Фактически речь идет о емкости потока, т. е. его значении при наличии достаточного количества материала на дне, что должно учитываться при анализе литодинамической обстановки на конкретных береговых участках.

Увеличение (насыщение) потока наносов на каком-либо участке служит признаком размыва берега, а его уменьшение (разгрузка) свидетельствует об аккумуляции наносов. Дивергенция и конвергенция потоков указывают на отток или приток материала в данном районе и тем самым также маркируют положение зон размыва и аккумуляции вдоль рассматриваемого побережья. Сравнение полученной картины с данными наблюдений может послужить косвенной проверкой расчетных оценок.

Исходные данные

Для оптимизации расчетов исследуемый берег разделен на три сегмента (рис. 1). Батиметрической основой для расчетов служит навигационная карта м-ба 1:100000. Характерный средний размер частиц песка при расчетах принят равным 0.3 мм для самбийского берега (сегмент 1) и 0.25 мм для побережья Куршской косы (сегменты 2 и 3).

1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 13-05-00589), а также

РНФ (грант № 14-17-00547).

Источником волновых данных служит Российский морской регистр судоходства [7], где приведены сведения о годовой повторяемости различных градаций высот волн по направлениям в рассматриваемой части Балтики. На их основе составлена таблица, отражающая повторяемость (р) и суммарную годовую продолжительность волнений различной силы для главных волноопасных направлений. Здесь Н и Т - средние высота и период волн в открытом море.

Наибольшую суммарную продолжительность имеют волнения ЮЗ румба, обусловливающие перемещение наносов в северо-восточном направлении. Однако экспозиция берегов такова, что влияние юго-западного волнения проявляется в полной мере лишь в северной половине Куршской косы (сегмент 3, рис. 1). В сегментах 2 и 3 доминируют волнения западного и северных румбов, формирующие потоки противоположных направлений.

Методика расчетов

Суммарный поток наносов Q, создаваемый в течение года волнениями данного

-)

направления у, определяется как

ау = /в1

к

где а — расход наносов, а индекс I относится к данной волновой ситуации (к выбранным Н, Т и в таблице). Результирующий поток вычисляется суммированием по всем волноопасным направлениям у:

а г = /а у

)

Расход песчаных наносов а через данный береговой створ при данной волновой

ситуации, подсчитывается по формуле [8]:

/

а = 0.04ц.

0.8 +0.02 ^^)(ЕСВ)взш(0в + 8)со8(0в + 8),

\

1 2

где ЕСг - поток энергии, Е = — PgHrms - энергия волн, С - групповая скорость, Н1Ш!1 -

8

среднеквадратичная высота волн, wg - скорость осаждения наносов (гидравлическая крупность). Индекс "В" относится к глубине обрушения кв, определяемой из условия Н1%в = 0.8йв. Здесь Н1%в - высота волн 1% обеспеченности в системе (для рэлеевского

Годовая повторяемость и продолжительность характерных волнений, подходящих к берегу с различных направлений (на основе данных Российского морского регистра судоходства [7])

Румб H, м T, с Р, % С ч

0.25 3.5 8.4 736

0.7 4.2 8.5 745

1.2 4.9 5.3 464

ЮЗ 1.7 5.9 2.7 237

2.1 6.6 1.3 114

2.6 7.6 0.5 44

3.1 7.8 0.2 18

0.25 3.5 4.5 394

0.7 4.2 4.9 429

1.2 4.9 2.9 254

З 1.7 5.9 1.3 114

2.1 6.6 0.5 44

2.6 7.6 0.2 18

3.1 7.8 0.05 4

0.25 3.5 2.2 193

0.7 4.2 2.3 201

1.2 4.9 1.2 105

СЗ 1.7 5.9 0.5 44

2.1 6.6 0.2 18

2.6 7.6 0.05 4

3.1 7.8 0.01 1

0.25 3.5 3.4 298

0.7 4.2 3.4 298

1.2 4.9 1.8 158

С 1.7 5.9 0.9 79

2.1 6.6 0.5 44

2.6 7.6 0.3 26

3.1 7.8 0.12 11

0.25 3.5 5.2 456

0.7 4.2 4.0 350

1.2 4.9 1.7 149

СВ 1.7 5.9 0.7 61

2.1 6.6 0.4 35

2.6 7.6 0.2 18

3.1 7.8 0.08 7

распределения высот волн H1% = 2.15Hrms _ 2.42H). Обозначения 0 и 5 поясняются схемой на рис. 2: 0 - угол между направлением волн и осью координат OX, направленной к берегу, 5 - угол между осью OX и нормалью к берегу на данном участке, причем tgd = д|/ду, где х - положение береговой линии, а координатная ось OY направлена вдоль берега. Очевидно, в случае прямой береговой линии 5 = 0.

Если расход Q выражен в кубометрах в час, то коэффициент n _ 3600/[g-(ps - р) (1 - v)], где р - плотность воды, ps и v - плотность и пористость осадков (для песка соответственно 2.65 х 103 кг/м3 и 0.4).

Локальные углы подхода волн 0 рассчитываются на основе закона сохранения волновых векторов:

д sin0 д cos0 _0

дх C ду C

Рис. 2. Схема координат и используемых обозначений | - положение береговой линии, 0 - угол между направлением волн и осью координат ОХ, направленной к берегу, б - угол между осью ОХ и нормалью к берегу на данном участке

где С - фазовая скорость волн. Поле высот волн Hrms(x, у) определяется из уравнения баланса энергии:

д д

—(ECg cos 0) + — (EC sin 0 ) = - D,

дх ду

где D - скорость диссипации энергии [9].

Вычисления ведутся с помощью программы автора LONT-2D на прямоугольной сетке, включающей 100x100 ячеек, в узлах которой заданы глубины прибрежной акватории. Размер шагов сетки в данном случае составляет 60-80 м по нормали и 300-450 м вдоль берега. Внешняя граница расчетной области располагается на глубинах не менее 20 м. Параметры волн на границе

рассчитываются по параметрам глубокой воды (приведенным в таблице) в предположении однородного рельефа дна, когда рефракция и трансформация волн подчиняются условиям sin0/C = const и ECgcos0 = const.

Потоки наносов и их изменения вдоль берегов

Результаты расчетов представлены на рис. 3. Для каждого из выделенных береговых сегментов показаны контуры берега и изобат 10 и 20 м. Стрелки и цифры возле них отражают направление и величину результирующего потока наносов QR (тыс. м3/год). В зависимости от характера изменений QR выделены зоны аккумуляции и размыва (полоски светлого и темного тонов, нанесенные вдоль горизонтальной оси координат). На нижних графиках даны распределения суммарных потоков Q, создаваемых волнениями различных направлений. Потоки, направленные в сторону восточных и северных румбов, рассматриваются как положительные.

Сегмент 1 (от м. Таран до г. Зеленоградска). Потоки в восточном направлении, связанные с З и СЗ волнениями (до 50-60 тыс. м3/год каждый), в значительной мере компенсируются противоположным потоком, обусловленным СВ волнением (до 120 тыс. м3/ год). Поэтому результирующий поток определяется, главным образом, перемещениями наносов при С волнении, когда единое направление переноса отсутствует. Выделяются 4 зоны конвергенции и 3 зоны дивергенции, к которым приурочены соответственно зоны аккумуляции и размыва.

Наиболее значительный потенциальный приток наносов (160 тыс. м3/год) отмечается восточнее м. Таран (западный борт бухты Филино). В зоны аккумуляции, кроме того, попадают Светлогорская бухта, а также участки к востоку от м. Гвардейского и к западу от Зеленоградска. Наиболее заметный потенциальный вынос материала (240 тыс. м3/год) имеет место между мысами Купальный и Гвардейский (бухта Пионерская). Размыву подвержен также выступ берега между Филинской и Светлогорской бухтами. Небольшой отток наносов имеется и в центре вогнутости берега между м. Гвардейский и Зеленоградском.

Сегмент 2 (от Зеленоградска до Ниды). Итоговые перемещения материала здесь определяются, главным образом, двумя противоположными потоками (до 140 тыс. м3/год каждый), которые возбуждаются З и С волнениями. Результирующий перенос невелик (в основном до 30 тыс. м3/год) и представлен рядом противоположно направленных

^ —160 —I—■ ■ ■ |—I—I—I—I | I I—I I | I—I—I—I—| I I I—I | I I—I I | I—I—I—I—| I I I—I | I I—1—■—|

Сегмент 3

О 300 т

(н "5< 200 т

■А 100 т

С? 0 1

п \ ' ' ' * Юодкранте/-

I I I I | I I I I | I I I I | I I I I | I I I I

0 5 10 15 20 25 30 35 40км 45

----ЮЗ

■ I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

ЕШ-Ь \ж\2 Е35 ЕЗб ЕЗ/ анр

Рис. 3. Потоки наносов вдоль выделенных береговых сегментов

1 - изобата, 2 - результирующий поток наносов (тыс. м3/год), 3-7 - распределения потоков Qp формируемых волнениями различных румбов (соответственно ЮЗ, З, СЗ, С, СВ); зоны: 8 - аккумуляции, 9 - размыва. Значения потоков в восточном и северном направлениях считаются положительными

потоков, обусловливающих чередование зон дивергенции и конв

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.

Показать целиком