Геоморфологические риски в береговой зоне песчаных побережий внутренних морей (РФФИ)НИР

Geomorphological risks in the coastal zone of sandy coasts of inland seas

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Геоморфологические риски в береговой зоне песчаных побережий внутренних морей(РФФИ)
Результаты этапа: Полученные в 2016 году важнейшие результаты Важнейшим природным фактором, генерирующим опасные природные процессы в береговой зоне любых морей, является ветро-волновой режим прибрежной акватории. Поэтому его детальная характеристика и анализ опасного воздействия на берега представляется чрезвычайно важной как в теоретическом плане, так в прикладном аспекте. Преобладающие направления ветров, а также их характеристики определяются в первую очередь расположением центров действия атмосферы, но имеют значение и местные особенности (рельеф прилегающей суши и влияние водных масс). В связи с этим отмечается существенное отличие ветровых режимов водоемов, расположенных в разных климатических и геолого-геоморфологических условиях. Так, далеко выдвинутые к западу берега юго-восточной Балтики подвержены воздействию ветров практически всех господствующих здесь морских направлений - от юго-западного до восточного. Наибольшую повторяемость имеют ветры южного (от 12,4% до 19,9%), а также ЮВ, ЮЗ и СЗ направлений. Чаще всего отмечается ветер со скоростью 2-5 м/сек (76,2%). Число случаев скорости ветра менее 1 м/сек - от 5 до 10%. Штормовые ветры (скорость >15 м/сек) повторяемостью от 0,4% до 6% отмечаются, в основном, западных румбов, реже - южных. Самые сильные ветры (>20 м/сек) повторяемостью до 1,5% наблюдаются от западного направления. Продолжительность штормов обычно ограничивается сутками, реже двумя-тремя. Среднегодовая скорость ветра за многолетний период колеблется незначительно (от 4,9 до 4,3 м/сек) и достигает наибольшей величины от СЗ, З и ЮЗ направлений. В годовом ходе наибольшие среднемесячные скорости отмечаются в осенне-зимний период, достигая 5-6 м/сек. Весной они уменьшаются от 4-4,6 м/сек в марте, до 3,5-3,6 м/сек в мае. Летом - до 3,3-4,5 м/сек. Под режимом волнения понимается совокупность волновых характеристик по данной акватории за некоторый промежуток времени (обычно не менее 10 лет). Режим волнения описывается, как правило, функциями распределения статистических характеристик волнения, т.е. совокупностью числовых значений этих характеристик и их средних многолетних обеспеченностей. Функции распределения зависят от характерных для данной акватории особенностей волнообразования (ветрового режима, разгона волн, глубины и рельефа дна, конфигурации берега и др.). В течение года по многолетним гидрометданным побережье юго-восточной Балтики испытывает воздействие 60-65 штормов, различных по интенсивности и структуре. Чаще всего (30-35 раз) наблюдаются умеренные волнения (высота волн 1-2 м). До 20 раз регистрируются волнения, при которых высота волн достигает 2-3 м. От 5 до 10 раз отмечаются штормы с волнами 3-5 м. Один раз в 10 лет побережье испытывает воздействие 8-9 бального волнения (с высотой волн 5 м), а каждые 20-30 лет наблюдается экстремальный шторм, когда высота волн открытого моря достигает 8 м. Наиболее часто наблюдаются волнения западного направления (около 35% случаев). Оно же является и наиболее штормовым. Величина повторяемости волн, идущих от ЮЗ и СЗ, соответственно 23% и 24%. На юге района почти в 22% случаев отмечаются волнения северного направления, хотя в целом их повторяемость значительно ниже (менее 10%). Волны с высотой менее 0,25 м отмечаются в 70% случаев (ГМС Пионерский). В среднем их повторяемость составляет 25-30%. Наиболее вероятны волны с высотой 0,25-2,0 м. Появление волн более 2 м составляет в среднем 5-10% случаев. Распределение волнения по силе и направлению в течение года, в общем, совпадает с сезонными особенностями ветрового режима. Наибольшее количество штормов приходится на январь. Среднемноголетние максимальные высоты волн наблюдаются также зимой и достигают 5 м. Летом они снижаются до 2,5-3,0 м. В тесной связи со скоростями ветра и высотами волн находятся и другие их параметры. Приведенные выше данные необходимы для построения схем распределения волновой энергии, которые основаны на гидрометеорологическом методе расчета, а также на методе анализа планов рефракции морских волн. Гидрометеорологические (энергетические) методы дают возможность определить характер воздействия на береговую зону ветро-волновых факторов и, в связи с этим, выяснить направление и относительную интенсивность перемещения водных масс и наносов. В построении расчетных формул авторы методов исходят из выражений для энергии волны (волноэнергетические методы) или для энергии ветра (ветроэнергетические методы). Следует отметить, что при наличии достаточно полноценных срочных наблюдений за параметрами волнения, особенно в пределах открытого моря на подходе к зоне разрушения, расчеты по ним являются более надежными, чем по ветру. Если же таких наблюдений нет или их недостаточно, то волновой метод не дает существенных преимуществ по сравнению с ветровым и его применение, особенно при анализе протяженных участков береговой зоны с переменной экспозицией береговой линии, нецелесообразно. Волно-энергетический метод наиболее полно сформулирован в трудах А.М.Жданова, В.В.Лонгинова, Б.А.Попова и рекомендован для использования в условиях песчаных берегов Балтийского моря, где инструментальных наблюдений за параметрами волнений не ведется или ведется явно недостаточно. Конечным результатом расчетов является действительный секундный поток энергии волнения (Дж/м.с), который расходуется в береговой зоне бережнее изобаты 20 метров. Последняя считается береговой границей длин разгона волн. Это условие почти полностью исключает потери энергии при взаимодействии волн с дном. Для приблизительной оценки расходов выделенных в результате расчетов потоков вещества используется графическая зависимость между подводным весом транспортируемого вдоль берега песчаного материала и вдольбереговой составляющей волновой энергии, полученная в результате исследований на песчаных берегах П.Комаром и Д.Инманом. Юго-восточное побережье Балтийского моря подвергаются воздействию наиболее сильных и продолжительных ветров северных и западных направлений. Однако при генеральном простирании береговой линии с запада на восток она представляет собой чередование пологих вогнутостей и выступов берега, вследствие чего берег на протяжении всего участка довольно часто меняет свою экспозицию по отношению к господствующим волнениям. Еще одной существенной особенностью рельефа изученного участка побережья является то, что мыс Таран и мелководье, вытянутое к северу от него, экранируют волнения западных румбов, интенсивность которых максимальна. Это обстоятельство с позиций теории спектра исключает из полного потока волновой энергии западных румбов некоторую его часть из-за чего северное побережье Самбийского п-ова постоянно находится в зоне ослабленного воздействия волнений западных направлений. Это сказывается на конечных параметрах вдольбереговой составляющей общего потока волновой энергии. Расчет параметров потока волновой энергии, проведенный по ветроэнергетической методике показал, что единого для всего исследованного побережья и однонаправленного потока волновой энергии здесь нет, а прослеживается несколько коротких разнонаправленных его миграций, зоны дивергенции которых приурочены к мысам, а конвергенции - к вершинам бухт. Эта схема стабильна и наблюдается из года в год независимо от их штормовой активности и сезона, хотя величина потока волновой энергии летом по сравнению с зимними месяцами снижается в 4-5 раз. Максимальное количество энергии приходится на участки мысов и выступов берега, в пределы центральных частей бухт еѐ поступает в 2-3 раза меньше. Однако в южной части Куршской косы, где береговая линия выровнена, имеет слегка вогнутую форму, а ее ориентировка постепенно меняется с ВСВ на СВ, происходит сокращение активной части сектора ветров северных румбов и увеличение западных. Расчеты показали существование здесь в многолетнем режиме однонаправленного потока волновой энергии с ЮЮЗ на ССВ. Здесь происходит увеличение в 1,5-2 раза значений общего потока волновой энергии, поступающего в береговую зону за счет выхода его из волновой тени, создаваемой при ветрах западных румбов мысами. Отмеченное резкое увеличение волновой энергии сказалось на строении и динамике Куршской косы. В этом месте ее ширина минимальна (410 м), а прорывы береговой дюны в сильные штормы случаются чаще всего именно здесь. Прорыв морем тела косы в январе 1983 года, как и все подобные катастрофы, отмеченные в историческое время, произошел также на этом отрезке побережья. В остальных точках распределение волновой энергии на внешней границе береговой зоны участка довольно равномерно. Вышеизложенные соображения исходят из анализа распределения потока волновой энергии, приходящей на внешнюю границу береговой зоны у 20 -ти метровой изобаты. В пределах же самой береговой зоны, вследствие воздействия рельефа берегового склона, волны трансформируются и их энергия распределяется неравномерно, что приводит к появлению отдельных зон еѐ концентрации и диссипации. Это имеет следствием денивеляцию уровня водной поверхности, вызванную увеличением высот волн в зонах концентрации энергии и их снижением - в зонах еѐ рассеяния. Денивеляция уровня провоцирует формирование компенсационных потоков, стремящихся еѐ ликвидировать, что существенно осложняет первоначально рассчитанную схему. В связи с этим возникла необходимость построения планов рефракции для наиболее характерного СЗ волнения (t=6,5с; h=1м; l=40м), которые позволили выявить такие зоны. Положительные формы рельефа подводного берегового склона, обусловленные выходами моренных отложений и приуроченные, как правило, к выступам берега, играют роль своеобразных линз, стремящихся сфокусировать ортогонали волн, что приводит к концентрации волновой энергии и повышению над ними уровня водной поверхности. Над дипрессиями, расположенными в центральных частях бухт или вогнутостей берега, происходит разряжение ортогоналей, рассеяние энергии и понижение уровня. Между этими зонами формируются вдольбереговые компенсационные градиентные течения, которые в пределах первого участка полностью соответствуют направлениям расчетных потоков волновой энергии. Для участка, характеризующегося однонаправленным потоком волновой энергии, подобные зоны выявлены только в результате построения планов рефракции. При этом наблюдается следующая закономерность: чем больше западная составляющая волнения и больше угол между волновым лучем и нормалью к изобате, тем больше угол, на который отклоняется луч волны в процессе еѐ трансформации, а следовательно, интенсивнее происходит эффект фокусировки, значительнее градиент уровня водной поверхности и мощнее компенсационные течения здесь формирующиеся. В пределах северного побережья Самбийского п-ова (Калининградская область) широко распространен активный абразионный уступ, высотой от 5 до 60 метров. Для него характерны склоновые геоморфологические процессы, провоцируемые абразией. Существующие берегозащитные и берегоукрепительные сооружения, расположенные вдоль северного побережья, находятся в неудовлетворительном состоянии и не обеспечивают защиту от этих опасных береговых процессов. Выявление детальной динамики этих процессов возможно при морфометрических измерениях с помощью картографических и геодезических методов. Использование существующих картографических материалов и данных дистанционного зондирования даѐт общую картину и то, только на протяженный период времени или на участки, где данные процессы имеют катастрофический характер. Это обусловлено тем, что отсутствуют разновременные крупномасштабные карты (крупнее 1:1000) на береговую зону. Использование данных дистанционного зондирования затрудняется из-за залесенности прибровочной части на большой части побережья. Наиболее эффективным для оценки количественных показателей динамики побережья являются повторные геодезические съемки. На участке северного побережья калининградскими исследователями заложена реперная сеть, от пунктов которой выполняется профилирование берегового уступа. Авторами на нескольких ключевых участках активного проявления береговых процессов были выполнены съемки берегового уступа с помощью наземного лазерного сканирования. Технологии наземного лазерного сканирования активно используются при крупномасштабных геоморфологических наблюдениях для изучения динамики морских побережий. Преимуществом еѐ является детальность исследования, т.к. съемка берегового уступа производится автоматизированным путем и имеет сплошной характер. Использование лазерных технологий позволяет дистанционно производить измерения, что немаловажно для крутых береговых уступов. Недостатком является сложная обработка данных из-за большого количества точек и требуется их фильтрация, которая позволяет отделять точки, которые относятся к рельефу суши от других объектов. Работы выполнялись в зимнее время, когда древесная растительность лишена листвы, т.к. этот фактор в последующем упрощает процесс постобработки облаков точек сканирования. Для сплошного покрытия берегового уступа съемками сканирования работы выполнялись с семи позиций. Расположение пунктов сканирования было подобрано таким образом, чтобы на границах сцен возникали перекрытия между ними. Предварительно во время сканирования определялись пространственные координаты точки, на которой устанавливался сканер, и ориентирующих точек. На каждом пункте сканирования использовалось как минимум 4 ориентирующие точки. Для определения координат использовались геодезические приемники спутникового позиционирования Trimble 5700. Измерения в режиме статики позволили обеспечить пространственную точность до 2 см. Полученные координаты точек сканирования и ориентирующих точек в единой системе координат в последующем использовались для внешнего ориентирования отдельных сцен в единой системе координат. Это позволяет объединять несколько сцен сканирования в единое облако точек. Повторное сканирование уступа на этом участке производилось в конце ноября 2016 года. Точки наблюдения были приурочены к участкам, где за время, прошедшее между съѐмками произошли максимальные деформации исходного рельефа. Как и в первом случае, использовались высокоточные способы спутникового позиционирования для получения координат точек сканирования и ориентирующих точек с необходимой точностью. Обработка пространственных облаков точек наземного сканирования производилась в программе CloudCompare version 2.6.1. Схемы сканирования за разные годы, выполненные в полярной системе координат, по результатам ГНСС-измерений пересчитывались в единую условную прямоугольную систему координат. Так эти точки на местности были отдельно измерены сканером, то производилась оценка точности привязки. При совмещении облаков точек сканирования с точками ГНСС-измерений было выявлено, что расхождения не превышали 2-3 см. После обработки разновременных облаков сцен сканирования и их привязки в единую систему координат в программе Cloud Compare был произведен их сравнительный анализ. Для этого использовался алгоритм который производит измерения ортогональных расстояний между сравниваемыми облаками точек. В результате было получено результирующее облако точек, которое позволяет оценить динамику рельефа. В результате удалось получить следующие результаты. На участке сканирования подтверждается общее отступание абразионного берегового уступа со средней скоростью 0.9 м в год. При этом, отступание уступа происходит более равномерно по его простиранию, максимум его достигает 3 м и приурочен к бровке, на которой развит эоловый микрорельеф. В то время, как на поверхности высокого уступа выделяются зоны относительно стабильные и резко отступившие, соответствующие стенкам срывов оползней и обвалов, максимум отступания здесь составляет 4 м. Обвально-оползневые тела у подножия высокого абразионного уступа создают зоны временного выдвижения его поверхности в сторону моря, на расстояние до 3 м. У основания низкого уступа отмечаются небольшие зоны эфемерной пляжевой и эоловой аккумуляции с амплитудой до 1 м. За период измерений вычислено среднее количество материала, поступающего на пляж с абразионного уступа, оно составило 15 м3 в год на погонный метр берега.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Геоморфологические риски в береговой зоне песчаных побережий внутренних морей(РФФИ)
Результаты этапа: В течение второго этапа реализации проекта продолжались работы по выявлению и характеристике опасных геоморфологических процессов в пределах береговых зон песчаных побережий внутренних морей Европейской территории Российской Федерации. Исследования проводились на побережьях Балтийского, Черного и Белого морей.Установлено,что наиболее опасными природными геоморфологическими процессами являются явления определяемые геолого-геоморфологическими и гидрометеорологическими факторами.К ним относятся обвально-оползневые проявления и волновая абразия, которыми поражена большая часть побережья Балтийского и Черного морей.Разработаны концептуальные принципы прогнозирования указанных выше природных процессов. По результатам научно-исследовательских работ второго этапа опубликовано 2 статьи.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Геоморфологические риски в береговой зоне песчаных побережий внутренних морей(РФФИ)
Результаты этапа: Третий, завершающий, год реализации проекта был посвящен выявлению опасных геоморфологических процессов, генерируемых антропогенным и техногенным вмешательством в береговые зоны внутренних морей России. Установлено, что гидротехнические сооружения, возведенные и возводимые на берегах Балтийского и Каспийского морей, оказывают существенное и разностороннее влияние и воздействие на морфодинамику береговых зон. С использованием беспилотных летательных аппаратов определены параметры такого влияния и воздействия.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".