УДК 551.435.32
ББК 26
BISAC NAT010000
BISAC NAT045050
BISAC NAT025000
BISAC NAT045030
BISAC SCI081000
BISAC SCI092000
BISAC SCI020000
BISAC SCI039000
BISAC SOC053000
BISAC TEC060000
СИСТЕМА МЕГАФЕСТОНОВ НА БЕРЕГАХ ЗАЛИВА ТЕРПЕНИЯ О. САХАЛИН: НАБЛЮДЕНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ
Леонтьев И О
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН (г. Москва)
Россия
Афанасьев В В
Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН (г. Южно-Сахалинск)
Россия
Уба А В
Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН (г. Южно-Сахалинск)
Россия
Аннотация:
Обсуждаются результаты многолетних наблюдений за системой мегафестонов на одном из участков побережья залива Терпения о. Сахалин. Характерная длина форм около 800 м, а амплитуда - 25 м. Несмотря на значительные флуктуации, основные морфологические черты системы сохраняются уже в течение более 60 лет. Представлена модель, объясняющая развитие ритмических форм механизмом самоорганизации рельефа под воздействием волн. Показано, что развитие мегафестонов тесно связано с формированием циркуляционных ячеек, способствующих росту небольшого начального возмущения контура береговой линии.
Обсуждаются результаты многолетних наблюдений за системой мегафестонов на одном из участков побережья залива Терпения о. Сахалин. Характерная длина форм около 800 м, а амплитуда - 25 м. Несмотря на значительные флуктуации, основные морфологические черты системы сохраняются уже в течение более 60 лет. Представлена модель, объясняющая развитие ритмических форм механизмом самоорганизации рельефа под воздействием волн. Показано, что развитие мегафестонов тесно связано с формированием циркуляционных ячеек, способствующих росту небольшого начального возмущения контура береговой линии.
Ключевые слова:
контур берега, мегафестоны, циркуляционные ячейки, самоорганизация рельефа дна
контур берега, мегафестоны, циркуляционные ячейки, самоорганизация рельефа дна
Введение. На ряде участков побережья о. Сахалин обнаруживаются ритмические структуры береговой линии типа мегафестонов длиной порядка сотен метров и амплитудой порядка десятков метров. На побережье залива Терпения у пос. Взморье (рис. 1) устойчивая система мегафестонов фиксируется на протяжении более 60 лет [2]. Здесь распространены песчано-гравийные пляжи, подверженные воздействию, главным образом, ЮВ и В волнений c максимальной высотой значимых волн от 2.5 м (летом) до 4-5 м (в осенне-зимний период). Максимальный прилив около 1.5 м. Берега в основном отступают, отчасти за счет тектонического погружения прибрежной суши [1]. В настоящей работе представлены результаты наблюдений за динамикой мегафестонов, а также модель, объясняющая их развитие. Результаты наблюдений. Рис. 2 характеризует динамику пляжа и береговой линии в период 2006-2017 гг. Длина и амплитуда мегафестонов изменяются в пределах соответственно 500-1000 и 10-30 м. Первоначально было выявлено 6 контрастно выраженных аккумулятивных выступов берега (мысов). Как видно, в северной части участка относительно малые формы слились в более протяженные, а в южной половине мегафестоны стали более контрастными. Эти флуктуации, вероятно, связаны с колебаниями волновой обстановки в масштабах сезонов, лет и десятилетий. Увеличение объема пляжа после 2007 г. связано с прекращением добычи материала в береговой зоне. Моделирование процесса развития мегафестонов. Рассмотрим прибойную зону ветровых волн у первоначально прямолинейного берега (рис. 3). В ходе обрушения волн средний уровень воды повышается и достигает значения на береговой линии. Допустим, что на береговой линии возникло волнообразное возмущение малой амплитуды a с волновым числом : 0 ζ Это приведет к появлению градиентов уровня и формированию циркуляционных ячеек (рис. 3), в которых поперечные U и продольные V скорости течений будут распределяться в соответствии с соотношениями Рис. 2. Динамика пляжа и береговой линии в системе мегафестонов в период 2006-2017 гг. Цифры в кружках - контрастные мысы 2005 г. Рис. 3. Схема течений и потоков взвешенных наносов в условиях волнообразного контура берега. l B - ширина прибойной зоны, h B - глубина обрушения, x 0 - положение береговой линии, - высота волнового нагона, λ - длина возмущения береговой линии, U и V - поперечная и продольная скорости течений. Главный вопрос - при каких условиях возмущение контура берега может расти со временем? Для его выяснения воспользуемся законом сохранения массы [3]: де t - время, Qy - интегральный вдольбереговой расход наносов, q x - результирующий поперечный расход через единичное сечение, hB - глубина обрушения, zc - возвышение пляжа, соответствующее высоте нагона. Допустим, что наносы в прибойной зоне транспортируются во взвеси с усредненной концентрацией c. Тогда при средней глубине при- бойной зоны имеем и . Под- ставивполученныесоотношения в (3) с учетом (2), придем к уравнению диффузии, в котором - коэффициент диффузии: После подстановки (1) в (4) получим уравнение относительно амплитуды возмущения, , откуда где d (0) - начальное значение a в момент t=0. Из полученного выражения следует, что амплитуда возмущения будет возрастать со временем, если Это условие определяет оптимальную длину возмущения λ в зависимости от ширины прибойной зоны l B и скоростей течений в циркуляционных ячейках. С учетом наблюдаемых отношений скоростей / [4], можно прийти к выводу, что в квазиравновесной системе шаг мегафестонов должен быть близок к четырехкратной ширине прибойной зоны: λ ≈4 l B . Заключение. Система мегафестонов в заливе Терпения существует в условиях общего отступания берегов, обусловленного как природными процессами, так и антропогенным воздействием. Несмотря на значительные флуктуации, ее основные черты сохраняются на протяжении десятилетий. Появление системы мегафестонов тесно связано с формированием циркуляционных ячеек, которые способны поддерживать рост первоначального возмущения контура берега. Положительная обратная связь между рельефом и гидродинамикой (механизм самоорганизации рельефа) действует при определенном соотношении между длиной ритмических форм λ, размером прибойной зоны l B и скоростями прибрежных течений. В квазиравновесной системе λ ≈4l B . Мегафестоны в заливе Терпения должны поддерживаться, главным образом, умеренными волнениями с высотой значимых волн около 1.6 м. Работа выполнена в рамках государственного задания ФАНО России (тема № 0149-2018-0015) при частичной поддержке РФФИ (гранты № 16-05- 00364 и № 18-05-00741).
1. Афанасьев В.В. Геоморфологические аспекты проблемы защиты берегов острова Сахалин // Геоморфология. 2015. № 2. С. 28-37.
2. Афанасьев В.В., Игнатов Е.И., Сафьянов Г.А., Чистов С.В. Защита берегов в п. Взморье, остров Сахалин, методом компенсации дефицита наносов // Труды междунар. конф. «Создание и использование искусственных земельных участков на берегах и акватории водоемов», 20-25 июля 2009. Иркутск: ИЗК СО РАН, 2009. С. 181-187.
3. Леонтьев И.О. Морфодинамические процессы в береговой зоне моря. Saarbrücken: LAP LAMBERT Academic Publishing. 2014. 251 c.
4. Brander R.W. Field observations on the morphodynamic evolution of a lowenergy rip current system // Marine Geol. 1999. V. 157. P. 199-217.
