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 =0.361010 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.