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. Leontyev 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.

Закон сохранения массы Баланс наносов Сохранение массы в интегральной форме

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: где m>1, =0.1, а - годовой поток энергии на единицу длины берега, в морских условиях порядка 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.

Профиль равновесия Тершеллинг Анапская пересыпь Любятово m=2, n=3.5, p=1.5 B=0

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, которые могут отличаться друг от друга. Эволюция по БруунуБереговой барьерАбразионный берег

Дисбаланс бюджета наносов B0берег выдвигается уклон профиля уменьшается уклон профиля увеличивается При достижении предельного уклона профиль выдвигается без изменения формы

Процедура расчетов Перед проведением расчетов задается начальный профиль берега, подводная часть которого аппроксимируется уравнением профиля равновесия. Входными параметрами являются поток энергии, на основе которого определяется годовой объем эрозии, 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 и, 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 на каждом временном шаге вычисляется заново.

Примеры эволюции

Примеры эволюции

Верификация модели 1 Район Центральной Голландии. По окончании 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. = дж/м/год= м3/м/год B = 31 – 3 м3/м/год

Верификация модели 2 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 = дж/м/год B = 9 – 15 м3/м/год = м3/м/год

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 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. = дж/м/ год = 95 – 12 м3/м/год

Пример прогноза на 100 лет Район Чайво. На протяжении позднего голоцена пересыпь нарастала в сторону моря. В последнее десятилетие наметилась тенденция к отступанию берега. Район Чайво испытывает тектоническое опускание. Относительное повышение уровня в ближайшее столетие может составить 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. = дж/м/год =186 м3/м/год

Вислинская коса. Прогноз на 100 лет w=0.003 m/y.B=-1 m3/m/y =162 m3/m/y

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.