Слайд 1 - Морские берега — 2010

ЭВОЛЮЦИЯ ПРОФИЛЯ БЕРЕГА НА «ИНЖЕНЕРНОМ» И
«ГЕОЛОГИЧЕСКОМ» МАСШТАБАХ ВРЕМЕНИ
И. О. Леонтьев
Институт океанологии им. П.П.Ширшова РАН, Москва
Shoreface profile evolution at the “engineering” and
“geological” time scales
I.O. Leont’yev
P.P.Shirshov Institute of Oceanology RAS, Moscow
• Временные масштабы процессов, определяющих эволюцию
песчаного берега, условно подразделяются на «инженерный»
(десятки лет) и «геологический» (сотни и тысячи лет).
Существующие эволюционные модели описывают поведение
морфодинамической системы в целом и, как правило, не
рассматривают локальные изменения геометрии профиля,
которые особенно важны на больших масштабах времени.
• В настоящей работе предлагается модель, принимающая в
расчет как интегральный, так и локальный баланс наносов, что
позволяет охарактеризовать изменения формы профиля в
зависимости от условий питания наносами в ходе эволюции.
Модель воспроизводит основные типы реакции берега на
изменения уровня моря и бюджета наносов.
Продемонстрирована возможность применения модели как для
палеореконструкций, так и для прогнозов развития берегов.
•
h q x

S w
t
x
h
 Er  Ac  w
t
Закон сохранения массы
zb
xb x o
x
средний
уровень моря
h
lb
Баланс наносов
l
h
*
*
x
x
Q A   Acdx
xb
xb
QE   Erdx
x
*
Сохранение массы в интегральной форме
x
x
V
 h   z b 0  w(l  lb )  B
t
t
t
QA  QE  B
Скорости эрозии и аккумуляции
•
Согласно классическим представлениям, скорость транспорта наносов
пропорциональна градиенту потока энергии, создаваемого течением
или волнами. Принимая во внимание уменьшение эрозии с ростом
глубины, и учитывая размерность приходим к следующему выражению
Er:
1 QE
Er 
 e h
•
m

h  h
1  
 h  x
x
QE   Erdx  ce e
xb
F
gl
e 
l
1
 0 b
m 1
h
•
где m>1, ce =0.1, а F - годовой поток энергии на единицу длины

берега, в морских условиях порядка 1010  1011 дж /м /год.
•
Скорость аккумуляции Ac пропорциональна произведению
концентрации твердых частиц C на скорость их осаждения, причем C
уменьшается с удалением от берега. Используя условие баланса
наносов, можно получить соотношение
•
.
x  x0
1 QE  B 
1 
Ac 
 a l 
l



n
Профиль равновесия
m

h  h n  1 h
1  

h

x
m  1 l
 

B=0

h
x
 1  1  
h
 l 
p
p
n
n 1
m 1
0
0
-4
-6
Анапская пересыпь
-2
Глубина, м
Любятово
-2
-4
-6
-8
-10
-8
0
200
400
0
600
200
400
600
800
0
Глубина, м
Глубина, м

x
1  
 l 
Тершеллинг
-2
1
-4
2
-6
m=2, n=3.5, p=1.5
-8
-10
0
400
800
1200
Расстояние, м
1600
2000
1000
Изменения уровня моря
•
При повышении уровня моря весь активный профиль без изменения формы
перемещается в новое положение. Профиль песчаного тела, и профиль
субстрата, на котором оно располагается, характеризуются уклонами  и  ,
s
которые могут отличаться друг от друга.



s
>

s
 xo
 xo

2
2
1

1
<
s
zc
2


s
x 0
w

t

Эволюция по Брууну
 xo
1
s
x0
w

t
s
Береговой барьер
x0
wl

t
h  z c
Абразионный берег

s
Дисбаланс бюджета наносов
B  q Aeol  q  Q / y  
B<0
x0 / t <0
берег отступает
xo(2)
уклон профиля уменьшается
(1)
xo
x
*
B<0
B>0
x0 / t >0
берег выдвигается
(1)
xo
h
*
уклон профиля увеличивается
xo(2)
x
*
B>0
При достижении предельного уклона
формы
(1)
xo
h
*
 m профиль выдвигается без изменения
xo (2)
xo(3)
Процедура расчетов
•
Перед проведением расчетов задается начальный профиль берега,
подводная часть которого аппроксимируется уравнением профиля
равновесия.
•
Входными параметрами являются поток энергии F , на основе

которого определяется годовой объем эрозии Q E, бюджет наносов B,
скорость изменений уровня w и период эволюции.
•
Уравнение сохранения массы численно интегрируется по времени с
шагом , включающим две итерации. На первой из них вычисляются
локальные значения Er и Ac , и в результате определяется новый
профиль. На второй итерации профиль транслируется в новое
положение в соответствии с изменением уровня.
•
В процессе эволюции уклон дна и длина активного профиля могут
меняться, что определяет и изменения объема эрозии. Поэтому
значение Q E на каждом временном шаге вычисляется заново.
Примеры эволюции 1
1
2
Возвышение, м
200 лет
0
0
-4

0
-8
100
200 лет
-12
B
4
Возвышение, м
B
4
0
200 лет
0

-4
0
-8
100
200 лет
-12
0
500
1000
1500
2000
0
500
1500
2000
4
3
B
200 лет
0
0
-4
4

Возвышение, м
4
Возвышение, м
1000
0
100
-8
200 лет
-12
B
0
200 лет
0

-4
0
-8
100
200 лет
-12
0
500
1000
1500
2000
0
500
1000
Расстояние, м
1500
2000
Примеры эволюции 2
5
6
200 лет
0
0
-4
с уб с
0

трат
100
-8
B
4
Возвышение, м
Возвышение, м
4
200 лет
-12
200 лет
0
0
-4
0
100
-8
200 лет
-12
0
500
1000
1500
2000
0
B
4
Возвышение, м
0

0
100
-8
1000
1500
2000
B
4
0
200 лет
-4
500
8
7
Возвышение, м

200 лет
-12
200 лет
0
0
-4

0
100
-8
200 лет
-12
0
500
1000
Расстояние, м
1500
2000
0
500
1000
Расстояние, м
1500
2000
Верификация модели 1
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
ЮВ
-5000
-4200
-4000 -3600
-2400 -2200 0
-2600
Осадки приливного бассейна
2
5
-5000
0
-4500
СЗ
Дюны
Осадки барьера
0
Возвышение, м
послеледниковой трансгрессии
существовавший здесь
приливной бассейн интенсивно
заполнялся осадками. Береговой
барьер, сформировавшийся
около 5000 лет назад,
выдвигался в море и 2200 лет
назад достиг ширины примерно
7 км. Это было обусловлено
избыточным питанием
вследствие размыва выступов
суши на границах
рассматриваемого побережья, а
также перераспределением
осадков, накопленных в
приливных дельтах.
Одновременно с проградацией
барьера развивался дюнный
пояс. Затем приток материала
резко уменьшился, и за
последние 2000 лет берег
выдвинулся всего на 400 м.
Возвышение, м
Район Центральной
Голландии. По окончании
Плейстоценовые осадки
4
6
-3500
-4000
Северное
море
8
10
-3000 -2500 -2200 0
-5
-10
m=2, n=3.5
-15
-20
0
F = 1011
2
дж/м/год
B = 31 – 3 м3/м/год
4
6
8
QE = 36-260 м3/м/год
10
Верификация модели 2
F = 1.6  10 дж/м/год
10
B = 9 – 15 м3/м/год
С
Береговые линии
6500 лет назад
3500
"
2500 "
современная
р. Гумиста
Сухуми
1 км
Черное море
Профиль 1
Возвышение, м
Район Сухумского
побережья. В период от
6500 до 2500 лет назад берег
в районе Сухумского мыса
выдвигался в море
вследствие аккумуляции
материала, поставляемого
юго-восточным
вдольбереговым потоком.
Уровень моря за это время
повысился почти на 10 м, а
затем лишь незначительно
колебался около
современной отметки. Около
2500 лет назад береговая
линия приблизилась к
верхней части материкового
склона с круто падающим
дном, что предопределило
вынос поступающего
материала на большие
глубины и стабилизировало
положение берега.
Описанная эволюция
маркируется «лестницей»
реликтов берегового
барьера, вскрытых на
профиле 1
10
-3200
-3700
-2500, 0
-5200
0
-6500
-10
-20
0
Âî çâû ø åí èå, ì
•
500
1000
1500
2000
10
0
-5500
-6500
2500
-3500
-4500
3000
3500
-2500, 0
-10
-20
0
500
1000
1500
2000
Ðàññòî ÿí èå, ì
QE = 57-576 м3/м/год
2500
3000
3500
Реконструкция развития подводной террасы
Прототипом служит береговой профиль в районе г. Зеленогорска в восточной
части Финского залива. Предполагается, что 3700 лет назад уровень моря был на
5 м ниже современного, но затем в ходе трансгрессии сравнительно быстро
повысился на 2 м. В последние 3200 лет уровень продолжал повышаться, но
значительно медленнее (в среднем менее 0.001 м/год). При этом бюджет наносов
характеризовался небольшим дефицитом (2.6 м3/м/год). Сочетание отмеченных
факторов должно было привести к формированию террасы на подводном склоне,
которая действительно существует в указанном районе.
F
=0.361010 дж/м/ год
QE
= 95 – 12 м3/м/год
6
Âî çâû ø åí èå, ì
•
0
-1000
2
-2000
-3200
-3700
-2
0
-3700
-6
-10
0
500
1000
1500
Ðàññòî ÿí èå, ì
2000
2500
Пример прогноза на 100 лет
•
Район Чайво. На протяжении позднего голоцена пересыпь нарастала в сторону
Охотское
море
. В последнее десятилетие наметилась тенденция к отступанию берега.
•
Район Чайво испытывает тектоническое опускание. Относительное повышение
уровня в ближайшее столетие может составить 0.003 м/год.
Три возможных сценария в зависимости от бюджета наносов. При
положительном бюджете берег сохранит современное положение. Т.е. приток
материала полностью перекроет эффект подъема уровня и приведет к
нарастанию прибрежного дна .
В случае сбалансированного бюджета (B=0) берег отступит на 37 м.
•
При небольшом дефиците наносов рецессия увеличится до 46 м.
•
Возвышение, м
5
лагуна
Чайво
4
3
Профили
через 100 лет
2
B=2
1
B=0
0
B=-2
С
О. САХАЛИН
зали
в Ча
йво
•
ун
Пильт
залив
моря
БП Чайво
Охотское
море
100 лет
-1
F =1011 дж/м/год
QE = 186 м3/м/год
0
1000
1100
Расстояние, м
1200
1300
10 км
Вислинская коса. Прогноз на 100 лет
4
100 years
F
Elevation, m
3
50
0
2
1
0
100 years
-1
-2
-3
0
50
100
150
Distance, m
w=0.003 m/y.
B=-1 m3/m/y
F  3.8 1010 J / m / y
Q E0 =162 m3/m/y
200
Заключение
•
•
•
•
•
•
Представленная модель сочетает в себе черты, свойственные как
«интегральным», так и «локальным» моделям, которые учитывают
изменения дна в отдельных точках берегового профиля.
Эффект перемещения наносов характеризуется скоростями эрозии Er и
аккумуляции Ac. Масштаб скорости эрозии ставится в зависимость от
суммарного годового потока энергии к берегу.
При сбалансированном бюджете величины Er и Ac равны, что дает
возможность определить профиль равновесия. Дисбаланс бюджета
приводит к изменению уклона профиля.
Модель учитывает несколько типов реакции берега на изменения уровня
моря, включая эволюцию по Брууну и развитие по типам берегового
барьера и абразионного профиля.
Для верификации модели применен так называемый, «обратный прогноз»
(hindcasting), т.е. реконструкция развития берега в предшествующие
периоды.
На примерах прогнозов развития пересыпи Чайво (Сахалин) и Вислинской
косы показано, как модель может быть применена для оценки уязвимости
берегов в меняющейся природной обстановке.