Materials - Морские берега — 2010

ВЗАИМОСВЯЗЬ ЛИТОДИНАМИКИ И ВОЛНОВОЙ
АКТИВНОСТИ В БЕРЕГОВОЙ ЗОНЕ ЮГО-ВОСТОЧНОГО
САХАЛИНА ПО МАТЕРИАЛАМ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ
ИЗМЕРЕНИЙ
Шевченко Г.В., Горбунов А.О., Ковалев П.Д., Зарочинцев В.С., Чернов А.Г.
Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, г.Южно-Сахалинск, Россия
shevchenko@imgg.ru
Введение
Наличие горных хребтов, вытянутых как вдоль западного, так и восточного
побережья южной части острова Сахалин, являются причиной того, что на значительном
протяжении автомобильная и железная дороги проложены в приморской береговой
полосе. С этим обстоятельством связан риск нарушения транспортного сообщения между
наиболее населенной южной частью острова с его северными районами, в которых в
последние годы интенсивно развиваются предприятия нефтегазового комплекса. Этот
риск обусловлен разрушением берегов под воздействием штормового волнения при
прохождении над островом циклонов или тайфунов. В среднем, подверженность берегов
абразии на юге острова составляет около 30%, в неблагоприятные по гидрометеорологическим условиям годы эта величина может достигать 40-45%.
Наиболее высок риск в районах развития низких голоценовых и современных
аккумулятивных морских террас, литологическая основа и гипсометрический уровень
которых в наибольшей степени благоприятствуют абразии. Разрушение этих террас может
сопровождаться повреждениями полотна автомобильной и железной дорог, как это
неоднократно происходило при сильных штормовых нагонах [5]. Один из наиболее
проблемных участков побережья расположен вблизи пос.Взморье в южной части залива
Терпения (рис.1). На этом участке протяженностью около 40 км, к берегу примыкает
низкая аккумулятивная терраса голоценового возраста, по которой проходит основная
транспортная артерия острова – автомобильная дорога Южно-Сахаоинск – Оха. От
состояния этой дороги во многом зависит успешное развитие экономики Сахалинской
области.
В отдельные годы большая часть упомянутого выше берегового уступа была
подвержена размыву, в особенности это характерно для его северной части
протяженностью 10 км. Здесь эти явления наблюдаются ежегодно, и если бы не
постоянные восстановительные работы, направленные на укрепление откоса,
автомобильная дорога на этом участке уже перестала бы существовать.
В настоящее время в качестве основных берегозащитных мероприятий применяются
наброска из крупноглыбового материала и сооружение бревенчатой волноотбойной
стенки. Такие формы берегозащиты относятся к пассивным, то есть принимают на себя
прямое ударное влияние ветровых волн. О том, что применяемых мер недостаточно,
говорит тот факт, что асфальтовое полотно имеет следы деформации, как из-за просадки
прибровочного грунта, так и от прямого разрушения волнением. Разрушение
асфальтового полотна в недавнее время отмечалось:
1) в 2006 году, когда просел участок асфальта длиной до 20 м, шириной до 2,0 м
(рис.2);
Рис.1. Обзорная схема расположения района наблюдений. Отмечены пляжевые
разрезы и места постановки датчиков волнения и уровня на взморье наблюдаемого
участка в 2007 и 2009 году
2) осенью 2008 г – в некоторых местах полностью размыло откос насыпи, но асфальт
почти не затронуло;
3) в январе 2010 г штормом, длившемся 4 суток, в трех местах было деформировано
около 150 м асфальтового полотна, на величину до 1,5 м (рис.3).
Рис.2. Деформированная волноотбойная стенка и восстановленное полотно
автодороги Южно-Сахалинск-Оха на 108 километре в октябре 2006 года. Фото
А.О.Горбунова.
В связи с остротой сложившейся ситуации, Институт морской геологии и геофизики
в 2007 и 2009 гг организовал специальные исследования в районе интенсивного размыва
автомобильной дороги (104 - 109 км). В 2007 году были проведены инструментальные
измерения характеристик ветрового волнения в прибрежной зоне путем постановки 18
автономных
регистраторов
волнения
и
уровня
(измерителей
придонного
гидростатического давления). В 2009 году были проведены комплексные исследования,
которые помимо постановки 4 донных станций, включали подробную батиметрическую
съемку, отбор проб донного грунта и береговую топографическую съемку. Для выяснения
особенностей строения и динамики пляжа на проблемном участке дороги, нивелирные
промеры на системе поперечных профилей были выполнены трижды – в июле, августе и
октябре. На основе полученных материалов анализировалась особенности волнового
режима в данном районе и его влияние на трансформацию прибрежного рельефа.
Состояние и динамика пляжа
В течение летнего периода 2009 г было проведено маршрутное обследование
берегового уступа участка на предмет выявления подверженности его размыву. В ходе
обследования выяснено, что подверженность недавнему размыву отмечена на протяжении
1514 м, или 27,5% общей его протяженности. Однако, судя по тому, что было отмечено
почти 3050 м отсыпки крупноглыбовым материалом не старше 2 лет, - можно сказать, что
подверженность размыву достигает ещё более высоких значений. Так, в январе 2010 г. –
на данном участке береговой уступ испытал размыв практически на всем протяжении
(рис.3), за исключением тех мест, где сформирована современная низкая песчаная терраса
в тыловой части крупных фестонов.
Рис.3. Разрушение волноотбойной стенки, берегового уступа и повреждение полотна
автодороги Южно-Сахалинск-Оха на 105 километре в январе 2010 года. Фото
А.О.Горбунова
Одной из главных причин разрушения берегов является дефицит прибрежноморских пляжеформирующих наносов, из-за чего узкие пляжи не способны рассеивать
энергию волнения. Для выяснения особенностей строения и динамики пляжа на данном
участке, было проведено его поперечное нивелирование. Промеры проводились в летний
(20-21 июля; 8 августа) и осенний периоды (8-9 октября), правда, в последнем случае
несколько профилей не удалось выполнить.
Пляжные профили проведены, в среднем, через 200 метров от 104 км автотрассы
Южно-Сахалинск-Оха до пос.Взморье (рис.1), общая протяженность участка берега с
промеренными профилями составила 5,6 км. Всего создано 29 нивелирных профилей,
каждый их которых начинался от краевой части асфальтового полотна, а заканчивался на
урезе воды (визуально выбиралось среднее положение уровня моря). Результаты
измерений представлены на рис.4 в виде карты берегового рельефа, за ноль выбиралась
высота автомобильной дороги, практически одинаковая на данном участке.
Разновременное профилирование пляжа показало, что направленность изменения
мощности пляжа не везде одинакова – имеет место выраженная неоднородность этого
процесса. Так, на некоторых профилях четко проявляется размыв пляжевых накоплений,
на других участках – их накопление и образование фестонов, еще ряд профилей не
показывает какой-либо выраженной направленности в изменении мощности пляжа. В
целом, наблюдалось некоторое смещение основных структур берегового рельефа, хотя
пространственное разрешение (расстояние между разрезами около 200 м) было
недостаточным для его точного определения. Можно также отметить некоторое
углубление и увеличение ширины зон размыва осенью по сравнению с летним сезоном,
хотя погода была сравнительно спокойной – как показано ниже, был отмечен всего один
умеренный шторм во второй половине сентября.
В ходе профилирования пляжа выяснилось, что в летний период максимальная его
ширина отмечена на приустьевом участке р. Черная (соответственно с южной и северной
стороны) и составила 71 и 69 м. Довольно широкий пляж также в южных частях двух
крупных фестонов. Наиболее широкие участки имеют полный профиль, но зачастую он
недостаточно четко выражен – тыловой склон штормового вала пляжа обычно узкий, и
имеет малый наклон.
В тех местах, где ширина пляжа достигает 50-70 м, размыв происходил крайне редко,
участки наиболее интенсивной абразии берега приурочены к районам с наиболее узкими
пляжами (12- 15 м, профиль 10). Узкие пляжи в течение периода наблюдений были только
причлененными (односклонными), они преобладают на данном участке побережья.
Данная особенность литодинамических процессов в береговой зоне, выраженная в
изучаемом районе в виде квазиритмических форм рельефа [1], обычно связывается с
влиянием гидродинамических условий на прилегающем взморье, а именно с влиянием
краевых захваченных волн. Наиболее полное изложение теоретических аспектов,
связанных с особенностями генерации и распространения инфрагравитационных краевых
волн в прибрежной зоне, а также обзор известных экспериментальных исследований дан в
монографии А.Б.Рабиновича [4]. Вопросы, связанные с влиянием этих волн на
литодинамические процессы рассмотрены подробно в книге И.О.Леонтьева [3]. В работе
[2] приведены примеры регистрации данного типа волновых движений в районе мыса
Острый примерно в 40 км к югу от изучаемого участка побережья, в сходных физикогеографических условиях. Наряду с определением характеристик ветрового волнения,
обнаружение краевых инфрагравитационных волн было одной из основных задач
инструментальных измерений волновых процессов на прилегающем участке взморья.
В целом, можно отметить, что летнее состояние пляжей оказалось более стабильным,
чем в осенний период, что обусловлено большей штормовой активностью в осенний
период. В августе на многих профилях отмечалась аккумуляция наносов - по отношению
к результатам июльского промера, объем пляжа на изучаемом участке побережья вырос
примерно на 2%. При этом проявилась отмеченная выше пространственная
неоднородность поведения пляжевых наносов: накопление пляжа достаточно отчетливо
прослеживалось по флангам наблюдаемого участка, увеличение объема между створами
достигало 115-147%. В центральной же части преобладал размыв, но и здесь имелось
место для аккумуляции песка: из 12 пляжевых блоков на 8 наблюдался размыв (объем
пляжа составил 80-99%), небольшое накопление отмечено на 5 блоках (101-103%).
Рис.4. Карта берегового участка по результатам топографических съемок на 29 пляжевых
разрезах в июне, августе и октябре 2009 года. За ноль принята высота автомобильной
дороги, горизонтальная ось направлена на восток, в сторону моря, вертикальная
ориентирована вдоль трассы на север. Расстояния и высоты выражены в метрах.
Осенью картина поведения пляжевых наносов характеризовалась как пестрая, так
летние участки аккумуляции, которые протягивались почти на 2 км на юге и 1 км на
севере, уже не имели столь однородного поля, и носили следы размыва. Сочетание
участков размыва и намыва отложений имело клавишный характер: средняя длина
участков аккумуляции была около 400 м, а размыва – 350 м. В местах размыва пляжа
деформируемый слой достигал 1-1,5 м (рис. 4); по визуальным наблюдениям в январе
2010 г этот слой может достигать существенно больших величин.
Преобладание односклонных пляжей, указывает на недостаточное количество
рыхлого материала в прибрежье, дефицит которого компенсирует размывом берега.
Дополнительная поставка наносов реками на данном участке берега весьма мала, и не в
состоянии компенсировать выявленный дефицит.
Особенности волновых процессов на прилегающем взморье
Для исследования гидродинамических процессов в прибрежной зоне моря,
обусловленных трансформацией ветрового волнения на мелководье и формированием
длинных инфрагравитационных волн, был организован натурный эксперимент, который
включал постановку группы измерителей придонного гидростатического давления.
Приборы были выставлены плотной группой в районе интенсивного размыва
автомобильной дороги (106-108 километр), несколько датчиков были расположены
севернее, вблизи пос.Взморье. Схема постановки приборов в 2007 и 2009 годах
представлена на рис.1.
Ближе всего к берегу находилась станция 36 (глубина около 6 м), единственная из
серии выставленных в ближней зоне, которую удалось найти и поднять, но она
находилась несколько в стороне от основной группы регистраторов. Самым удаленным
был датчик 26 (глубина около 15 м), вместе с ним приборы 29 и 24 образовывали
приблизительно прямую линию, ориентированную по нормали к берегу. В 2009 году
приборы располагались вблизи этой лини в районе со сравнительно большими глубинами
(17 – 23 м).
На рис.5 представлены графики придонного гидростатического давления,
усредненные с периодом 1 минута и пересчитанные к колебаниям уровня моря (в см),
полученные на более близкой к берегу станции 2 период с 10 по 30 сентября 2009 года. Из
исходных значений был вычтен предвычисленный прилив, таким образом, график
отражает непериодические колебания уровня, которые имели в этот период
незначительную величину. Спокойный характер вариаций нарушался один раз 21-22
сентября, когда был отмечен шторм умеренной интенсивности.
Гораздо более активными были волновые процессы в 2007 году. Один сильный
шторм был отмечен в середине июля, еще четыре осенью, в сентябре – октябре.
Наибольший размах колебаний наблюдался при сильном шторме в начале сентября – на
более близкой к берегу станции 24 он достигал 3 м, на более удаленной станции 26 –
около 2.5 м. Нужно отметить, что изучаемый район прикрыт от подхода волн северовосточного и близких к нему румбов полуостровом Терпения. А именно это направление
является наиболее опасным, так как в тыловой части циклонов обычно наблюдаются
сильные и устойчивые северо-восточные и северные ветра, для которых имеется
достаточная длина разгона. Для юго-восточных ветров, типичных для переднего фронта,
она ограничена Южными Курильскими островами. Для сравнения, при шторме 25-26
сентября в районе оз.Изменчивое, расположенном примерно в 100 км к югу от
пос.Взморье, высота ветровых волн достигала 4.5 м [6], что примерно вдвое больше, чем
на станции 24.
Расчет характеристик ветрового волнения на поверхности моря осуществлялся для
каждого последовательного 15-минутного интервала при помощи программы, любезно
предоставленной нам д.ф.м.н. И.М.Кабатченко (ГОИН). Рассчитывался спектр волнения,
значимая высота волны и период главного спектрального максимума. Рассчитанные
спектры сводились в таблицу, по которой производилось построение диаграммы текущего
спектра. По вертикальной оси диаграммы откладывались частоты (периоды) колебаний,
по горизонтальной – время. На рис. 6 представлена диаграмма текущего спектра и график
вариаций значимой высоты волны для станции 2 за вторую половину сентября, когда был
отмечен наиболее сильный шторм за период измерений.
25
20
15
10
5
0
-5
-10
10.09
-15
13.09
16.09
19.09
22.09
25.09
28.09
Рис.5. Непериодические колебания уровня моря, зафиксированные станцией 2 в период с
10 по 30 сентября 2009 года.
В записях волнения в течение всего периода наблюдений явно преобладали волны
зыби с периодами 9-11 сек, на диаграмме они проявляются в виде довольно широкой,
хорошо выраженной полосы. Особенно мощно выделялся пик на периоде 14-16 сек при
шторме 21-22 сентября (значимая высота волны достигала 3 м на достаточно удаленной от
берега станции). Это обстоятельство является очень важным и отражает, вероятно,
специфику волнового режима – как правило, при шторме, особенно в его начальной фазе
главный максимум приходится на сравнительно короткопериодные ветровые волны,
влияние низкочастотной зыби проявляется позднее. Максимальная интенсивность на
периодах, больших характерного периода волн зыби, говорит о возможности более
далекого заплеска волн на берег. Вероятно, данный фактор является одним из
существенных при разрушении берегового уступа в изучаемом районе.
Другой примечательной особенностью, отмеченной при анализе спектральновременных диаграмм, явилось резкое, примерно на два порядка, возрастание энергии
колебаний в диапазоне инфрагравитационных волн (периоды от 20-200 сек) при
штормовых ситуациях. Спектр в этой области имеет линейную структуру, что типично
для дискретного набора краевых захваченных волн, которые образуют в прибрежной зоне
своеобразные ячейки прямоугольной формы [4]. Отметим, что в близких районах краевые
волны имели периоды около 60-70 и 120-150 сек [2, 6], что согласуется с результатами,
полученными в настоящем эксперименте. Пространственная структура береговых (рис.4)
и донных отложений, характеризовавшаяся наличием поперечных берегу валов, хорошо
согласуется с пространственными масштабами этих волн. Хотя детальное исследование
роли краевых волн в изучаемом районе еще предстоит выполнить, на основе имеющихся
данных можно сделать предварительный вывод о их влиянии на формирование
квазиритмических форм прибрежного рельефа.
Рис.6. Диаграмма текущего спектра ветрового волнения, рассчитанная по
измерения на станции 2 во второй половине сентября 2009 года.
Заключение
В результате проведенных исследований можно сделать следующие основные
выводы. Главная транспортная артерия Сахалина – автомобильная дорога ЮжноСахалинск-Оха на участке со 104 по 109 км подвержена размыву, и на ее поддержание
ежегодна тратятся значительные средства. Одной из главных причин разрушения берегов
является дефицит прибрежно-морских пляжеформирующих наносов, наиболее
интенсивная абразия отмечена на участках с наиболее узким пляжем (менее 20 м).
В некоторой степени изучаемое побережье защищено от наиболее волноопасных
направлений полуостровом Терпения, но даже умеренные шторма способны вызвать
серьезную трансформацию прибрежного рельефа. Разновременное профилирование
показало, что летнее состояние пляжей оказалось более стабильным, чем в осенний
период - это обусловлено большей штормовой активностью в осенний период
Сочетание участков размыва и намыва отложений имело выраженную
квазиритмическую форму: средняя длина участков аккумуляции была около 400 м, а
размыва – 350 м, осенью отмечено их некоторое смещение по отношению к положению,
зафиксированному летом.
В записях волнения доминировали волны зыби с периодами 9-11 сек, роль
короткопериодных ветровых волн была незначительной. Важную роль играли также более
низкочастотные волны с периодами 14-16 секунд, на которые приходилась максимальная
интенсивность колебаний при шторме. Данное обстоятельство является специфичным для
изучаемого района, именно воздействие сравнительно длинных волн зыби может
приводить к увеличению заплеска и, соответственно, разрушительного воздействия волн
на берег. Частота главного спектрального максимума, как правило, равномерно смещалась
от низких частот в сторону более высоких.
Наиболее вероятно, квазиритмическая форма берегового рельефа, выраженная в
сочетании зон аккумуляции и размыва, обусловлена влиянием краевых захваченных волн.
В пользу этого мнения свидетельствует наличие в диаграмме текущего спектра резкого
повышения энергии в диапазоне периодов инфрагравитационных волн от 20 до 200 сек,
причем особенно выраженного на дискретном наборе частот.
Проблемный участок автомобильной дороги нуждается в сооружении
берегозащитных конструкций, предназначенных для удержания прибрежно-морских
наносов в зоне пляжа. Результаты проведенных исследований гидродинамического
режима прилегающего взморья могут быть использованы при их проектировании.
Литература
1. Афанасьев В.В., Игнатов Е.И., Сафьянов Г.А., Чистов С.В. Защита берегов залива
Терпения методом компенсации дефицита наносов // Создание искусственных пляжей,
островов и других сооружений в береговой зоне морей, озер и водохранилищ. –
Новосибирск: Изд-во сибирского отделения Российской академии наук, 2009.
2. Ковалев П.Д. , Шевченко Г. В., Ковалев Д.П. Исследование динамики прибойных
биений у юго-восточного побережья о. Сахалин // Метеорология и гидрология. - 2006. - №
9.– С.76–87.
3. Леонтьев И.О. Прибрежная динамика: волны, течения, потоки наносов// М.: ГЕОС,
2001. – 272 с.
4. Рабинович А.Б. Длинные гравитационные волны в океане: захват, резонанс,
излучение. Л.: Гидрометеоиздат, 1993. 240 с.
5. Шевченко Г.В., Любицкий Ю.В., Като Л.Н. Проявление штормовых нагонов в
Южной части острова Сахалин / ИМГиГ ДВО РАН.- Препринт.- Южно-Сахалинск, 1994.46 с.
6. Shevchenko G.V., Gorbunov A.O., Kovalev P.D., Chernov A.G., Chastikov V.N.
Hydrodynamical conditions of Izmenchivoe lake channel closing (southeastern Sakhalin coast).
//Environment development of East Asian Pleistocene – Holocene. Proceedings of international
scientific conference. September 14-18, Vladivostok, Russia. P311 – 314.