МОРСКАЯ ГЕОЛОГИЯ
УДК 551.465
ПРОГНОЗ РЕЦЕССИИ БЕРЕГОВ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ФИНСКОГО ЗАЛИВА НА БЛИЖАЙШЕЕ СТОЛЕТИЕ
© 2015 г. И. О. Леонтьев1, Д. В. Рябчук2, А. Ю. Сергеев2, О. А. Ковалева2
1 Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: igor.leontiev@gmail.com 2Всероссийский научно-исследовательский геологический институт им. А.П. Карпинского, Санкт-Петербург e-mail: Daria_Ryabchuk@vsegei.ru Поступила в редакцию 24.02.2014 г., после доработки 2014 г.
Развитие значительной части побережий рассматриваемого региона связано с экстремальными штормовыми нагонами, которые размывают верхнюю часть авандюны и обусловливают рецессию берегов. Применен метод прогноза рецессии, использующий моделирование штормовых деформаций береговых профилей (на основе модели CROSS-P). Эффект изменения уровня моря учитывается с помощью правила Брууна. Выявлены три типа будущей эволюции берегов, связанные с уклоном активной части берегового профиля. Показано, что при реализации наиболее вероятных сценариев штормовой активности и повышения уровня моря, сравнительно крутые берега в районе Комарово — Солнечное могут отступить к концу ближайшего столетия на 3—4 десятка метров. На более пологих берегах ожидается рецессия в пределах 1—2 десятков метров (участки Ушково, Кот-лин-юг и Петродворец), а предельно отмелые берега (в районе Сестрорецка и северного края Комплекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от наводнений) отступят на 50—100 м.
DOI: 10.7868/S0030157415030107
ВВЕДЕНИЕ
Объектом исследования в данной работе служат песчаные берега, расположенные в Курортном районе Санкт-Петербурга, вблизи Комплекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от наводнений (КЗС) и в Невской губе (рис. 1). Согласно существующей классификации [3], рассматриваемые берега сформированы преимущественно волновыми процессами. Субширотный участок берега Курортного района и естественные берега Невской губы относятся к типу выравнивающихся абразионно-аккумулятивных бухто-вых, субмеридиональный участок берега от п. Солнечное до Сестрорецка классифицируется как выровненный аккумулятивный [1]. В пределах абразионно-аккумулятивных бухтовых берегов выделяются как песчаные берега, так и зоны интенсивного размыва ледниковых отложений (абразионный моренный подтип береговой зоны). Последние характеризуются формированием валунных бенчей как в субаэральной, так и в субакваль-ной частях береговой зоны, и в данной работе не рассматриваются. Наиболее широко распространены абразионно-аккумулятивные берега с относительно узкими песчаными пляжами (20—30 м) и комплексом невысоких дюн (до 1.5—2 м) [8]. Мощность песчаных пляжевых отложений составляет от 1—2 до 10 м. На подводном береговом склоне отмечаются четко выраженные в рельефе вдольберего-
вые подводные песчаные валы (мощность песчаных отложений от 20—30 см до 1 м), развитые на поверхности консолидированных грубообломоч-ных отложений или глинистой морены, обнажающихся в межваловых ложбинах.
Современное развитие рассматриваемых берегов определяется волновыми воздействиями на фоне исключительно высоких штормовых нагонов и потому заметно отклоняется от канонической схемы, согласно которой штормовые волны размывают пляж и выносят материал на подводный склон, а слабые волнения возвращают наносы и восстанавливают доштормовой профиль. На значительной части рассматриваемых берегов во время сильных штормов происходит размыв верхней части авандюны и аккумуляция смытого материала на пляже. В периоды же относительно слабой волновой активности аккумулятивное тело размывается, и наносы распределяются по подводному склону. В типичном случае описанный "конвейер" работает только в одном направлении, потери материала из тела дюны оказываются необратимыми, и дюнный пояс постепенно отступает [7]. Процесс может ускориться вследствие ожидаемого глобального повышения уровня моря и, таким образом, прогноз рецессии берегов рассматриваемого района на ближайшее столетие представляется достаточно актуальной задачей.
С
Рис. 1. Схема расположения расчетных профилей.
Эта задача решается в настоящей работе с помощью метода, основанного на математическом моделировании морфодинамики берегового склона. Оценивается отступание берегов, как вследствие штормового воздействия, так и за счет вероятного повышения уровня моря.
Прогнозирование рецессии выполнено для девяти береговых профилей (рис. 1), пять из которых располагаются в Курортном районе (Ушково, Ко-марово, Репино, Солнечное и Сестрорецк), два — около северного края КЗС и на южном побережье о. Котлин (профили КЗС—север и Котлин—юг), и еще два — в Невской губе (профили Петродворец и Ольгино). Профили выбирались таким образом, чтобы они максимально соответствовали понятию "песчаного берега". Основой послужили результаты многолетнего мониторинга береговых зон исследуемого района, проводимого ВСЕГЕИ с 2004 г. (нивелирование и георадиолокационное профилирование по сети опорных профилей на берегу, эхолотный промер и профилирование методом гидролокации бокового обзора на подводном береговом склоне, а также пробоотбор).
КОНЦЕПЦИЯ ПРОГНОЗА
Процесс рецессии рассматриваемых берегов имеет характер последовательных импульсов, которые совпадают с моментами экстремальных штормовых событий, воздействующих на верхнюю часть авандюны. Речь идет об исключительно сильных штормах при высоте нагона не менее 2 м [7]. В Курортном районе Санкт-Петербурга подобные события случались в 20 веке примерно 1 раз в 25 лет [2]. Однако в последние десятилетия их повторяемость явно возросла. Сравнительно теплые зимы способствуют более позднему ледоставу, и наиболее жестокие зимние шторма все чаще обрушиваются на берега, лишенные защитного ледового покрова [9].
Следует отметить, что опубликованные данные о штормовой активности в Балтийском море и Финском заливе достаточно противоречивы [19]. Так, анализ штормовой активности для семи станций Балтийского моря свидетельствует о наличии слабого тренда к ее уменьшению в целом за период с 1880 по 2001 г. [11]. Аналогичные исследования, описанные в [14], выявили лишь изменчивость по десятилетиям (±10%) при отсутствии выраженно-
Рис. 2. Изменения берегового профиля при последовательных воздействиях экстремального шторма и продолжительного слабого волнения. Профили дна: 1 — начальный, 2 — после шторма, 3 — после действия слабого волнения. Сценарий шторма отражен в табл. 1. Слабое волнение характеризуется средней высотой 0.3 м, средним периодом 3 с и продолжительностью 25 суток. Расчеты основаны на модели СК088-Р [7].
го тренда. В то же время по данным расчетов с использованием модели МСЕР—МСЛЯ [20], для Балтийского моря выявлен слабый, но статистически значимый тренд увеличения частоты сильных ветров и, соответственно, роста штормовой активности. Большинством исследователей отмечается также рост годовых максимальных значений уровня моря на протяжении последних 70 лет, и особенно во второй половине ХХ века [17].
В период с 2004 г. экстремальные размывы берегов в Курортном районе наблюдались трижды — в осенне-зимние периоды 2006—2007 г., 2011—2012 г. и 2013—2014 гг. По данным повторных нивелировок, в ходе каждого из осенне-зимних штормов 2011 г. абразионный уступ в авандюне отступал на некоторых участках на расстояние до 5 м [9]. Активизация береговых процессов и, в частности, рост частоты экстремальных размывов берегов отмечается также эстонскими исследователями для южного побережья Финского залива [18].
Таким образом, при прогнозе развития берегов в ближайшее столетие необходимо принять во внимание возможность уменьшения периода повторяемости экстремальных событий с 25 лет до, скажем, 10 лет. Длительность периода непрерыв-
ных наблюдений пока недостаточна для достоверных статистических оценок, но приведенная цифра представляется вполне реальной.
В промежутках между экстремальными штормами изменения затрагивают в основном приурезо-вую область профиля, включая пляж, куда поступает смытый с авандюны материал. В эти периоды наносы могут перемещаться в ту или иную сторону под действием сравнительно небольших волн, течений (в том числе, вдольбереговых) и ветра, в результате чего объем пляжа может уменьшаться или увеличиваться. Однако следует принять во внимание, что локальные ветровые волнения в восточной части Финского залива характеризуются сравнительно малыми периодами (2—3 с), и в силу своих свойств перемещают наносы преимущественно от берега в море. А это, в свою очередь, способствует размыву аккумулятивного тела, сформированного на пляже, и последующему выносу песка на подводный склон. Такое поведение достаточно типично для района побережья между пунктами Комарово и Солнечное, о чем свидетельствуют результаты моделирования, приведенные на рис. 2.
Сказанное выше позволяет допустить, что конечный итог морфологических изменений пляжа в
Таблица 1. Сценарий экстремального шторма для восточной части Финского залива
Фазы шторма, ч 0-3 3-6 6-9 9-12 12-15 15-18 18-21 21-24
Ветер, м/с 10 15 18 20 16 13 10 5
Уровень моря,м 0.5 1.0 1.5 2.0 1.6 1.3 1.0 0.3
Высота волн, м 0.4 0.7 0.9 1.0 0.9 0.7 0.5 0.3
Период волн, м 3.0 3.5 4.0 4.5 4.5 4.0 3.7 3.5
период между экстремальными событиями можно представить как результат воздействия относительно слабого волнения в течение определенного времени. Возникает вопрос, какие параметры и какую оптимальную длительность слабых воздействий следует заложить в модель, чтобы адекватно отобразить результирующие изменения рельефа? Этот вопрос, по-видимому, можно решить только эмпирически с помощью численного моделирования деформаций профиля. При этом можно исходить из допущения, что на сравнительно малых временных отрезках между двумя последовательными экстремальными штормами (1—2 десятка лет) средний уклон профиля в пределах пляжа и аван-дюны существенно не изменяется. Это означает, что уклон профиля по окончании действия слабого волнения должен примерно соответствовать уклону доштормового профиля. Ясно, что к более длительным масштабам времени подобное предположение не применимо.
Как показал опыт расчетов, в случаях профилей 10 и 14, приведенных на рис.
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.