CC BY
60
УДК 551.465.4:551.468.1(261.24)
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ СБРОСА В МОРЕ МАТЕРИАЛА ДНОУГЛУБЛЕНИЯ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ БЕРЕГОЗАЩИТЫ
А. Н. Соколов, Б. В. Чубаренко
EFFICIENCY ANALYSIS OF THE SEA DISPOSAL OF DREDGING MATERIAL FROM THE COASTAL PROTECTION POINT OF VIEW
А.К Sokolov, B. V. Chubarenko
В работе рассмотрены три морских отвала для материалов дноуглубительных работ, расположенные в юго-восточной части Балтийского моря (Калининградская область) на глубинах 8-9 м. Первый и второй находятся чуть южнее и чуть севернее входа в Калининградский/Вислинский залив, а третий - у северного берега Самбийского п-ова, к востоку от мыса Гвардейский. Все три отвала расположены недалеко от участков берега, подверженных береговой абразии. Задача исследования: выяснить, возможны ли ситуации, при которых сброшенный материал естественным образом дрейфует к побережью и осаждается на нем, препятствуя эрозии. Если "да", какие именно направления и скорости ветра будут способствовать этому. Для решения задачи выполнены численные эксперименты для различных скоростей и направлений модельного ветра, вызывающего дрейф взмученного материала. Расчет был проведен для 24 сценариев по скорости и направлению ветра. Как показали расчеты, в случае ветров со скоростями более 15 м/с весь сброшенный материал переходит во взвешенное состояние и разносится по территории площадью в десятки квадратных километров с ничтожной толщиной оседания. Ветры со скоростью 710 м/с могут взмучивать и переносить предварительно осевший на морском отвале материал вдоль берега на расстояние до нескольких километров и тем самым способствовать защите берега от абразии. Второй и, особенно, третий отвалы (в отличие от первого) оказались достаточно эффективны с точки зрения потенциальной защиты ближайшего берега от абразии.
сброс материалов дноуглубления, транспорт наносов, численное моделирование, ветровые волны, прибрежные течения
The article deals with three dumping sites located at the south-eastern part of the Baltic Sea (the Kaliningrad region) at shallow depths of 8-9 m. The first one is located to the south of the Vistula Lagoon inlet. The second one is located to the north of the Vistula Lagoon inlet. The third dumping site is located near the northern shore of the Sambian Peninsula to the east of the Cape Gvardeijski. All three dumping sites are located not far from the eroded parts of the shore. The question behind the study is: is it possible that disposed material will naturally drift from the damping site to the shore and settle there to protect it from erosion? A numerical 3D model was used to simulate sediment drift under different wind actions. In the presence of winds with the speed
stronger than 15 m/s, all the disposed material complete rise into suspension and spread over a huge area with a negligible sedimentation thickness. Winds with the speed of 710 m/s transport material along the shore at a distance of few kilometers that may be useful for shore protection. The first location looks very ineffective for potential protection the shore nearby. At the other hand, the second and especially the third locations are favorable for transportation of the disposed material to the shore.
disposal of dredging material, sediment transportation, numerical simulation, wind waves, coastal currents
ВВЕДЕНИЕ
Известно [1-3], что входы в порты Юго-Западной Балтики постоянно заносятся песком и требуют периодического углубления. С другой стороны, некоторые участки побережья вблизи них подвержены постоянной абразии. Использование материала дноуглубления для подпитки берегов рекомендовалось в работе [4], но оно по-прежнему остается на уровне рекомендаций [5].
В Калининградской области одним из мест, требующих постоянного дноуглубления, является вход в Калининградский/Вислинский залив, служащий одновременно входом в Калининградский морской канал (рис. 1). Достаточно длинные входные молы, обрамляющие его со стороны моря и выходящие своими оконечностями до глубин 10-11 м, являются одновременно препятствием для вдольберегового потока наносов. В результате на протяжении 2.5-3 км на юг от молов имеется постоянно размываемый участок [6, 7]. В июне 2006 г. был выполнен экспериментальный сброс материалов дноуглубления в непосредственной близости от размываемого участка (рис. 1, место сброса №1). К сожалению, ожидаемого укрепления берега не произошло. Детальное описание данных полевых измерений и результатов компьютерного моделирования этого случая приведены в [7].
Как было замечено, сброс материалов дноуглубления в точке №1 был выполнен лишь один раз. Обычным же местом для сброса материалов дноуглубления Калининградского морского канала является отвал грунта №2 (рис. 1), а для сброса в море материала от дноуглубления в порту Пионерский -отвал №3 (рис. 1). Как для западного, так и для восточного побережья Калининградской области авторами [4] рекомендовалось использовать материал дноуглубления для подпитки берега, причем с помощью непосредственной отсыпки на пляж. До настоящего времени реализация такого проекта никем не проведена, грунт продолжают сбрасывать на морские отвалы.
Целью представленных в данной работе исследований было выяснить, возможны ли ситуации, при которых сброшенный на отвалах (№ 1, 2 и 3) материал естественным образом дрейфует к побережью и осаждается на нем. Если "да", какие именно направления и скорости ветра будут способствовать этому. Для решения поставленной задачи использовался метод математического моделирования.
Рис. 1. Расчетная область и расположение морских отвалов материала дноуглубления: 1 - экспериментальный отвал 2006 г.; 2 - морской отвал для сброса материала дноуглубления Калининградского морского канала; 3 - морской
отвал для сброса материала дноуглубления порта Пионерский Fig. 1. Computational domain and locations of the dumping sites: 1 - an experimental dumping site in 2006; 2 - a dumping site for dredged material from the Kaliningrad Sea Canal; 3 - a dumping site for dredged material from the Port Pionerskij
МЕТОД
Численные эксперименты были выполнены с использованием программного комплекса MIKE разработки DHI Software [8]. Рассматривалась трехмерная постановка (10 слоев по глубине, сигма-координаты). Расчетная область охватывала центральную часть Балтийского моря (рис. 1). Использовались данные о глубинах, представленные в [9]. Размер сторон ячеек нерегулярной расчетной сетки варьировал от 5-7 км для открытого моря до 100 м вблизи точек сброса материалов дноуглубления. Все границы расчетной области были закрытыми. Единственной
движущей силой в модели был ветер, скорость и направление которого предполагались одинаковыми в пределах всей расчетной области.
Использовались три вычислительных модуля программного комплекса MIKE. Гидродинамический модуль обеспечивал решение уравнения мелкой воды в трехмерной постановке. Спектрально-волновой - баланса плотности волнового действия. С помощью модуля переноса взвеси рассчитывался транспорт взвешенных осадков с учетом их осаждения и повторного взмучивания. Все модули взаимодействовали между собой, обмениваясь необходимыми данными в процессе расчета.
Рассмотренный подход уже неоднократно применялся при проведении численных экспериментов [7, 10, 11] и продемонстрировал как свою эффективность, так и достаточную точность получаемых результатов при исследовании прибрежной зоны Юго-Восточной Балтики.
Каждый из модельных экспериментов, соответствующих одному из 24 сценариев, строился по следующей схеме:
1. Начальные условия: ветер отсутствует, море спокойное.
2. Над всей расчетной областью поднимается ветер фиксированного направления со скоростью 3 м/с.
3. Через 12 ч происходит сброс материалов дноуглубления в объеме 17000 м (как при экспериментальном сбросе на отвале №1 в 2006 г.). Продолжительность сброса 20 мин, объемный расход 14 м3/с. Сброс производится в верхнем слое водной толщи. Крупность осадка принималась равной 0.07 мм.
4. Скорость ветра как во время, так и в течение 12 ч после начала сброса остается постоянной (3 м/с), что дает возможность сформироваться на дне насыпи из сброшенного материала.
5. Начинается модельный шторм, и скорость ветра (без изменения направления) увеличивается до 5, 7, 10 или 15 м/с (четыре сценария), оставаясь постоянной в течение 24 ч.
6. Далее наступает период спокойной погоды со скоростью ветра 3 м/с, который длится 24 ч. За это время взмученный и перенесенный штормом материал осаждается в новом месте, образуя пятно, параметры которого фиксируются.
7. Глубины в местах сброса: для отвала №1 - 8,1 м; для отвала №2 -8,8 м; для отвала №3 - 8,8 м.
8. Направления ветров (шесть сценариев): с юго-запада (225°), с запада (270°), с северо-запада (315°), с севера (0°), с северо-востока (45°) и с востока (90°).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты численных экспериментов представлены в таблице. В ней приведены также повторяемости ветров, что позволяет оценить реальную возможность возникновения той или иной ситуации. Следует отметить, что только ситуации, обозначенные "1", способствуют реальному укреплению берега. Ситуации же, обозначенные "0.1", теоретически тоже способствуют укреплению, но, поскольку толщина осевшего после взмучивания слоя крайне мала, реального укрепления не происходит.
Таблица. Поведение сброшенного на отвале материала под воздействием ветров разной скорости и направления
Table1. Behaviour of the sediments disposed at the dumping sites after the influence of different winds
Параметры реального ветра, м/с Повторяе мость, % Параметры модельного ветра, м/с Отвал
№ 1 № 2 № 3
ЮЗ, 2-5 5.16 ЮЗ, 5 -1 -1 0
ЮЗ, 6-9 7.19 ЮЗ, 7 0.1 0.1 -1
ЮЗ, 10-13 1.38 ЮЗ, 10 0.1 ю 1
ЮЗ, 14-17 0.24 ЮЗ, 15 ю ю ю
З, 2-5 4.01 З, 5 0 -1 0
З, 6-9 6.38 З, 7 -1 0.1 1
З, 10-13 2.76 З, 10 0.1 0.1 0.1
З, 14-17 0.74 З, 15 ю ю ю
СЗ, 2-5 6.04 СЗ, 5 0 0 0
СЗ, 6-9 5.55 СЗ, 7 -1 -1 1
СЗ, 10-13 1.06 СЗ, 10 -1 0.1 0.1
СЗ, 14-17 0.3 СЗ, 15 0.1 ю ю
С, 2-5 5.97 С, 5 0 -1 1
С, 6-9 2.54 С, 7 0 0.1 1
С, 10-13 0.22 С, 10 -1 ю 0.1
С, 14-17 0.06 С, 15 0.1 ю 0.1
СВ, 2-5 5.44 СВ, 5 0 1 0
СВ, 6-9 1.01 СВ, 7 0 1 1
СВ, 10-13 0.03 СВ, 10 1 0.1 0.1
СВ, 14-17 - СВ, 15 0.1 ю ю
В, 2-5 9.46 В, 5 0 0 1
В, 6-9 1.62 В, 7 0 1 1
В, 10-13 0.3 В, 10 0 1 1
В, 14-17 - В, 15 1 0.1 ю
Примечание. В таблице использованы следующие обозначения:
"1" - взмученный материал оседает у берега недалеко от отвала (происходит укрепление берега);
"-1" - осаждения взмученного материала у берега не происходит, осадки уносятся в море не очень далеко от отвала;
"0" - материал остается на отвале, взмучивание не происходит ввиду слабости придонных течений;
"0.1" - взмученный материал дрейфует вдоль берега на расстояние до десятков километров, ввиду чего толщина осажденного слоя очень мала;
"ю" - материал полностью смывается с отвала и распределяется по огромной территории на площади десятков и сотен квадратных километров, толщина осажденного слоя практически равна нулю.
Можно заметить, что ветры со скоростью 5 м/с обычно не приводят к взмучиванию материала, осевшего на глубине 8-9 м (районы отвалов). Ветры же
со скоростью 15 м/с чаще всего полностью размывают осевший материал и разносят его на расстояние десятков километров. Толщина слоя осевших после такого шторма осадков практически равна нулю. Наиболее благоприятны с точки зрения берегозащиты ветры средней силы, со скоростями порядка 7-10 м/с. Также обращает на себя внимание тот факт, что для отвала №1 позитивных ситуаций всего две, а повторяемость благоприятного ветра практически нулевая. Для второго отвала ситуация чуть лучше, а для третьего более трети ветровых условий приводит к укреплению берега. Рассмотрим ситуации на отвалах более подробно.
Отвал №1. В силу особенности расположения отвала в углу между защитным молом и берегом (см. рис. 1) при ветрах в сторону берега придонные течения в районе отвала направлены от берега (компенсационный отток), поэтому взмученный модельным штормом материал уносится в море. При северовосточном и восточном ветрах наблюдается структура течений, свойственная эффекту апвеллинга - придонные течения направлены к берегу (рис. 2б), в то время как течения в поверхностном слое ориентированы вдоль берега и слегка - в море. Такой характер течений в водяной толще приводит к тому, что взмученный модельным штормом материал дрейфует и осаждается вдоль берега Вислинской косы как в районе пос. Коса (наиболее размываемого участка), так и на расстояние до десятка километров от места сброса (рис. 2а). Оптимальными, с точки зрения берегозащиты, являются северо-восточные ветры со скоростью 7-10 м/с и восточные со скоростью 10-15 м/с.
Рис. 2. Восточный ветер (90°) с максимальной скоростью 15 м/с: а) распределение материала, смытого с места сброса и перераспределенного штормом; б) придонные течения в конце штормового периода Fig. 2. Eastern (90°) wind with the maximum speed of 15 m/s: a) a bed layer thickness of sediments redistributed from the dumping site; b) bottom currents at the end of wind
action period
Отвал №2. Расчеты показали, что только ветры средней силы (7-10 м/с) с северо-восточного и сильные (10-15 м/с) с восточного направления приводят к осаждению взмученного на отвале материала вблизи берега и, соответственно, его возможному укреплению (рис. 3). Такое поведение можно объяснить теми же причинами, что и в случае отвала №1. Для северо-восточных и восточных ветров течения в придонном слое имеют заметную составляющую, ориентированную в сторону берега. Из рисунка видно, что с ростом скорости ветра увеличивается и расстояние, на которое переносится взмученный на отвале материал. Наблюдается осаждение материала как у входных молов Балтийского пролива, так и за южным молом, а также частичное проникновение материала в Вислинский залив.
Рис. 3. Толщина слоя материалов, взмученных с отвала № 2 и осевших после шторма. Восточный ветер со скоростью 10 м/с (а) и 15 м/с (б) Fig. 3. Bed layer thickness of sediments suspended at dumping site № 2 and deposited after storm. Eastern wind with the speed of 10 m/s (a) and 15 m/s (b)
Отвал №3. Отмечается целый спектр ситуаций, при которых происходит транспорт взвеси к берегу (таблица). Как видно из таблицы, для любых направлений ветра существуют скорости, при которых наблюдается необходимый эффект. Чаще всего положительный эффект дают ветры средней силы (7-10 м/с). Для северного и восточного направлений осаждение взвеси у берега отмечается и
при слабых ветрах (5 м/с). На рис. 4 приведены некоторые из ситуаций, при которых наблюдается укрепление берега.
Рис. 4. Толщина слоя материалов, взмученных с отвала № 3 и осевших после шторма. Примеры благоприятных ситуаций Fig. 4. Bed layer thickness of sediments suspended at dumping site № 3 and deposited after storm. Favorable condition examples
ВЫВОДЫ
С точки зрения потенциальной защиты берега за счет естественной транспортировки материала дноуглубления, захороненного на морских отвалах, расположенных на глубинах 8-9 м, наиболее благоприятными являются ветры средней силы со скоростями порядка 7-10 м/с, при определенных условиях - до 15 м/с.
Возможность транспортировки материала на берег зависит от благоприятного сочетания нескольких факторов: скорости ветра, его направления, простирания берега и его конфигурации. Наиболее позитивными являются ситуации, когда возникает апвеллинг и скорости течений в придонном слое имеют составляющую, направленную на берег.
Для отвалов, расположенных на западном побережье Самбийского п-ова (№1 и 2), ветры, направленные вдоль берега (на юго-восток) или в сторону моря, могут приводить к переносу взвеси к берегу, однако повторяемость подобных ветров крайне незначительна - не более 8%. Для морского отвала №3 на северном побережье Самбийского п-ова повторяемости благоприятных ветров заметно выше и составляют в сумме 34%.
БЛАГОДАРНОСТЬ
Исследования были поддержаны грантами Российского научного фонда: для морских отвалов № 1 и 2 грантом 14-17-00547 «Разработка прогноза развития аккумулятивных берегов бесприливных морей России», для отвала № 3 грантом 14-37-00047 «Геоэкологические условия морского природопользования в российском секторе Юго-Восточной Балтики», подготовка данных и модели проведена в рамках темы № 0149-2014-0017 Государственного задания ИО РАН.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Айбулатов, Н. А. Антропогенные факторы в развитии прибрежной зоны Балтийского моря / Н. А. Айбулатов, О. В. Басс // Водные ресурсы. - 1983. -№3. - С. 127-134.
2. Basinski T., Zmudzinski L., Poland. / In H.J. Walker (Ed.), Artificial structures and shorelines, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht-Boston-London. 1988. - P. 67-80.
3. Boldyrev V.L. USSR - Baltic Sea. / In H.J. Walker (Ed.), Artificial structures and shorelines, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht-Boston-London. 1988. - P. 47-52.
4. Болдырев, В. Л. Свалки и отвалы грунта в море - проблема наших дней / В. Л. Болдырев // Морская индустрия. - 1999. - № 2. - C. 41-43.
5. Gulbinskas, S., Trimonis, E., Blazauskas, N., Michelevicius, D. Sandy deposits study offshore Lithuania, SE Baltic Sea. Baltica. 2009. Vol. 22, No 1. P. 1-9.
6. О динамике береговой зоны моря в районе оградительных молов Калининградского морского канала / В. А. Чечко и [др.] // Водные ресурсы. -2008. - Т. 35, № 6. - С. 681-691.
7. Chechko, V., Sokolov, A., Chubarenko, B., Dikii, D., Topchaya, V. Dynamics of sediments disposed in the marine coastal zone near the Vistula Lagoon inlet, south-eastern part of the Baltic Sea // Baltica - 2015. - 28 (2). - P. 189-199.
8. MIKE 21 & MIKE 3 Flow Model FM Hydrodynamic and Transport Module. Scientific Documentation. DHI Water and Environment, Horsholm. - 2005. -48 p.
9. Seifert T., Kayser B. A high resolution spherical grid topography of the Baltic Sea // Meereswissenschaftliche Berichte, 1995, № 9, P. 72-88.
10. Sokolov A., Chubarenko B. Wind Influence on the Formation of Nearshore Currents in the Southern Baltic: Numerical Modelling Results // Archives of Hydroengineering and Environmental Mechanics. - 2012. - 59 (1-2). - P. 37-48.
11. Соколов, А. Н. Анализ возможного влияния климатических изменений на параметры ветрового волнения в прибрежной зоне Юго-Восточной Балтики / А. Н. Соколов, Б. В. Чубаренко // Известия КГТУ. - 2014. - №34. - С. 43-51.
REFERENCES
1. Ajbulatov N. A., Bass O. V. Antropogennye faktory v razvitii pribrezhnoj zony Baltijskogo morja [Anthropogenic factors in the development of the Baltic Sea coastal zone]. Vodnye resursy, 1983, no. 3, pp. 127-134.
2. Basinski T., Zmudzinski L., Poland. In H. J. Walker (Ed.), Artificial structures and shorelines, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht-Boston-London. 1988, pp. 67-80.
3. Boldyrev V. L. USSR - Baltic Sea. In H.J. Walker (Ed.), Artificial structures and shorelines, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht-Boston-London. 1988, pp. 47-52.
4. Boldyrev V. L. Svalki i otvaly grunta v more - problema nashih dnej [Damping sites and heaps in the sea - a problem of today]. Morskaja industrija, 1999, no. 2, pp. 41-43.
5. Gulbinskas S., Trimonis E., Blazauskas N., Michelevicius D. Sandy deposits study offshore Lithuania, SE Baltic Sea. Baltica. 2009, vol. 22, no 1, pp. 1-9.
6. Chechko V. A., Chubarenko B. V., Boldyrev V. L., Bobykina V. P., Kurchenko V. Ju., Domnin D. A. O dinamike beregovoj zony morja v rajone ograditel'nyh molov Kaliningradskogo morskogo kanala [Dynamics of the marine coastal zone of the sea near the entrance moles of the Kaliningrad Sea Canal]. Vodnye resursy, 2008, vol. 35, no. 6, pp. 681-691.
7. Chechko V., Sokolov A., Chubarenko B., Dikii D., Topchaya V. Dynamics of sediments disposed in the marine coastal zone near the Vistula Lagoon inlet, south-eastern part of the Baltic Sea. Baltica, 2015, no. 28 (2), pp. 189-199.
8. MIKE 21 & MIKE 3 Flow Model FM Hydrodynamic and Transport Module. Scientific Documentation. DHI Water and Environment, Horsholm. 2005, 48 p.
9. Seifert T., Kayser B. A high resolution spherical grid topography of the Baltic Sea. Meereswissenschaftliche Berichte, 1995, no. 9, pp. 72-88.
10. Sokolov A., Chubarenko B. Wind Influence on the Formation of Nearshore Currents in the Southern Baltic: Numerical Modelling Results. Archives of Hydroengi-neering and Environmental Mechanics. 2012, no. 59 (1-2), pp. 37-48.
11. Sokolov A. N., Chubarenko B. V. Analiz vozmozhnogo vlijanija klimaticheskih izmenenij na parametry vetrovogo volnenija v pribrezhnoj zone Jugo-Vostochnoj Baltiki [Analysis of possible influence of climate changes on the wind wave parameters in the nearshore zone of the South-Eastern Baltic]. Izvestija KGTU, 2014, no. 34, pp. 43-51.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Соколов Андрей Николаевич - Атлантическое отделение Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН, старший научный сотрудник; БФУ им. Канта, кандидат технических наук, доцент; E-mail: [email protected]
Sokolov Andrei Nikolaevich - Atlantic Branch of the P. P. Shirshov Institute of Oceanology of Russian Academy of Sciences, Senior Researcher; Immanuel Kant Baltic Federal University, Associate Professor; Ph.D; E-mail: [email protected]
Чубаренко Борис Валентинович - Атлантическое отделение Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН, заведующий лабораторией прибрежных систем; БФУ им. Канта, старший научный сотрудник; кандидат физ.-мат. наук;
E-mail: [email protected]
Chubarenko Boris Valentinovich - Atlantic Branch of the P. P. Shirshov Institute of Oceanology of Russian Academy of Sciences, Head of the Laboratory of Coastal Systems Study; Immanuel Kant Baltic Federal University, Senior Researcher; Ph.D;
E-mail: [email protected]
