Факультет

Студентам

Посетителям

Трансформация волнения в открытой бухте

Суммарные потери волновой энергии, связанные с донным трением, относительно невелики и не превышают по проведенным расчетам 10%.

Эти небольшие значения связаны в первую очередь с малой протяженностью мелководья в бух. Пограничной, поскольку максимальное удаление изобаты 30 м, почти равной одной четверти длины волны (для Т=12 с), составляет немногим более 4 км. Величина потерь могла быть больше, если бы прибрежная зона бухты пересекалась волнами под косым углом, но, поскольку волнение, проникающее в нее, направлено почти по нормали к побережью, этот случай не входил в данное рассмотрение.

Приведен план рефракции волнения, распространяющегося с юго-востока на акваторию бух. Пограничной, с высотой Н=1,0 м и периодом Т, равным 8,0 с. Прекрасно видно снижение волновой активности в боковых частях бухты: участке прибрежной акватории, прилегающем к. перешейку, соединяющему п-ов Ликандера с основной частью о-ва Попова, и участке, где береговая линия поворачивает с основного северовосточного простирания на юго-восточное. В этих частях бухты коэффициент рефракции снижается до значений 0,4-0,6 при любых типах волнения. Уменьшение высоты волнения примерно в 2 раза в соответствии с квадратической зависимостью энергии волн от их высоты ведет к понижению энергии волновых колебаний в 4 раза, что довольно существенно. Такое снижение волновой динамики в первую очередь связано с морфологией данных участков прибрежной полосы бух. Пограничной. На них подводный береговой склон представляет собой вогнутую поверхность, что вызывает расхождение волновых лучей и снижение величины удельной волновой энергии, приходящейся на единицу площади водной поверхности. Аналогичное явление имеет место на участке акватории бухты, расположенном в тылу о-ва Змеиный, особенно с той стороны, которая обращена к основной части побережья бухты. Здесь интенсивность волнения наиболее заметно падает (Креф=0,47) при максимальном расчетном периоде 12,0 с и Т=8,0 с это значение составляет 0,62, при Т=5,3 с — 0,76.

Все приведенные значения характеризуют интенсивность волновой динамики в прибрежной полосе, непосредственно прилегающей к прибойной зоне. На участках акватории, расположенных мористее, изменение прибрежной волновой динамики относительно волн открытого моря, характеризуемое Креф., имеет в основном аналогичную тенденцию, но менее выражено. На приведенных схемах также видно, что на участках, прилегающих к мысам, не наблюдается значительного увеличения интенсивности волнения. Здесь даже не имеются в виду мысы Ликандера и Красные скалы, поскольку оба они в значительной степени перекрыты расположенными вблизи них островами: первый — о-вом Рейнеке, второй — островами Наумова и Клыкова. Увеличение волновой динамики также невелико и для полностью открытого волнам о-ва Клыкова и островка у северо-восточной оконечности о-ва Рейнеке, не защищенного от волн юго-восточного направления. На обоих участках полученные максимальные значения рефракции не превышают 1,1-1,2. Малое увеличение коэффициента рефракции свидетельствует о незначительной конвергенции волновых лучей вблизи упомянутых мысов. Но это не является особенностью лишь данной Акватории, а характерно для значительной части прибрежной зоны зал. Петра Великого и связано с ограниченной шириной мелководий, прилегающих к полуостровам и мысам залива.

Снижение волновой активности по краевым частям бухты становится более выраженным, если мы дополнительно рассмотрим схемы рефракции волн восток-юго-восточного и юго-юго-восточного румбов. Приведены схемы рефракции волнения с периодом, равным 8,0 с. Из них определенно заметно, что центральная часть прибрежной полосы бухты подвергается воздействию штормовых волн обоих направлений, а краевые прибрежные области оказываются в одном из рассматриваемых случаев в волновой тени близлежащих островов. Но даже открытый волнению краевой участок бухты испытывает пониженное волновое воздействие из-за дивергенции волновых лучей.

Все вместе это свидетельствует в пользу следующей схемы пространственного распределения волновой активности на акватории бухты: наличие затишных зон в краевых участках и динамически нагруженной центральной части бухты. Эта качественная схема находит свое отражение в характеристиках донных биоценозов. Например, при наибольшем распространении по акватории бухты мелкозернистых песков в краевых частях было зарегистрировано качественное увеличение относительного содержания в донных осадках илистых частиц. Изменение волновой динамики акватории также довольно близко коррелирует с пространственным распределением одного из важнейших элементов биогенного комплекса природных систем — морской травы Zostera.

Летом 1995 г. Л. И. Дубейковским была проведена площадная съемка зарослей этой травы в прибрежной полосе бухты. Наблюдения проводились по 10 трансектам, расположенным в основном в направлении, поперечном линии берега, от уреза до глубин 8-10 м. глубже которых морская трава уже не обнаруживалась. По наблюдениям следует, что первые кустики Zostera появлялись с глубин 2-4 м, причем если на трансекте 2 в северовосточной оконечности бухты и трансектах 7, 8 и 9 в юго-западной части они появлялись с глубин 2-3 м, то в центральной части (трансекты 3, 4, 5 и 6) — лишь с глубин 3-4 м.

С увеличением глубины по всем трансектам (кроме 1 и 10, где зостера обнаружена не была) наблюдалось увеличение количества зостеры, скопления или куртины, образованные этими травами, становились все более обширными и сливались в сплошные поля. Для количественной поселения оценки зостеры использовалась величина относительного проективного покрытия, выражаемая в процентах. По наблюдениям на всей литорали бухты, максимума эта величина достигала на глубинах 5-7 м. На трансектах 2, 7, 8 и 9. располагавшихся в краевых частях, на этих глубинах были обнаружены почти сплошные травяные поля, лишь иногда прерываемые узкими (до 1,5 м шириной) полосами мелкозернистого песка. Величина проективного покрытия превышала 70-80%. На соответствующих глубинах в центральной части бухты эта величина составляла 30-40%, и лишь на трансекте 5 — 50%. В основном в этой части литорали зостера произрастала, образуя крупные пятна, достигавшие в поперечнике 3-5 м и отстоявшие друг от друга примерно на таком же расстоянии.

Сравнение этих результатов и данных волновых расчетов демонстрирует близкую зависимость популяции морских трав от волновой динамики акватории. По всей видимости, на малых глубинах, вблизи береговой линии, основным лимитирующим фактором для этого укореняющегося растения является движение донных осадков, наиболее интенсивное в прибойной зоне. В пользу последнего говорит то, что в краевых частях бухты, где по волновым расчетам должно наблюдаться снижение волновой динамики, граница трав расположена на меньших глубинах. Это понятно, поскольку на участках акватории, где отмечаются волны с меньшими высотами, внешняя граница прибойной зоны смещается к берегу, в связи с чем возникает возможность расселения отдельных куртин зостеры на меньших глубинах, где движение донных осадков не настолько интенсивно, как на аналогичных глубинах участков акваторий с повышенной волновой динамикой. Интересно, что отношение глубин, соответствующих береговой границе пояса морских трав, в центральной и краевых частях бухты, заключенное в пределах величин 1,3-1,5, полностью отвечает отношению высот волн в точках обрушения, вычисленных для этих участков прибрежной полосы бухты.

Основываясь на этих выводах, можно произвести приблизительную оценку параметров волнения, которое ограничивает расселение трав в мелководной полосе. Приняв в среднем за береговую границу пояса зостеры изобату, соответствующую глубине 3 м, вычислим высоту волн, испытывающих разрушение на этой глубине. В нашем случае она будет составлять 2,3 м. Так как в центральной части бухты совместное действие процессов деформации и рефракции приводит к усилению волнения открытого моря в соотношении 1,0-1,2, т. е. в среднем имеет место увеличение высоты волн в 1,1 раза, то на глубокой воде соответствующее волнение будет характеризоваться высотой, примерно равной 2,1 м. Для полученного выше значения высоты средняя длина волн составляет около 42 м. Последняя величина соответствует волнению, характеризующемуся средним значением периода 5,2 с. Но режимная обеспеченность волнения с такими параметрами составляет в открытой части зал. Петра Великого немалую величину — за год в среднем 5%. Около 0,5-1,0% приходится на волнение юго-восточного румба, что примерно соответствует частоте наблюдения волн с таким параметрами 3-5 раз в течение года. Таким образом, относительно частое распространение прибойной зоны до линии, соответствующей изобатам 3-4 м, существенно ограничивает расселение зостеры на меньших глубинах. По наблюдениям Л. В. Дубейковского. корневая система зостеры на литорали бух. Пограничной простирается в глубь донных осадков на 10-15 см. Скорее всего, все растение удерживается в грунте при волнении, параметры которого не превышают вычисленных ранее значений высоты — около 2 м и периода — 5 с. При волнах с параметрами в открытом море, большими указанных значений, обрушение волновых гребней происходит на глубинах больше чем 2-3 м — в краевых частях и 3-4 м — в центре бухты. При этом интенсивная турбулентность воды приводит к высокой подвижности верхних слоев донных отложений, и если толщина динамически активного слоя осадков превысит определенное критическое значение, то укоренившиеся в них растения остаются практически незакрепленными и вихревыми движениями придонных вод постепенно извлекаются из грунта.

Потеря растением устойчивости в грунте может быть вызвана также в процессе приобретения осадками свойств текучести. В англоязычной литературе этот процесс обозначается термином «liquefaction», а в отечественной научной литературе — «разжижение грунтов». Это явление может иметь место при периодическом возмущающем воздействии, вызванным, например, штормовыми волнами. М. S. Rahman и F. М. Layas приводят данные о крупных авариях на подводных нефтепроводах, вызванных, по их мнению, данным процессом. Грунты (в описанных случаях пески различных фракций) под влиянием колебаний поля давления, распространяющихся также в поровые воды донных отложений, приходят в колебательное движение. Это приводит к усадке структуры, образованной твердыми частицами осадков, и повышению давления поровых вод, что создает условия для появления у грунтов свойства текучести. Понятно, что с приобретением донными осадками таких свойств они практически перестают удерживать укоренившиеся в них растения, которые после этого легко извлекаются из грунта сильными волновыми колебательными течениями. Для выраженного проявления процесса разжижения грунтов наибольшее значение имеет не только высота волн, но и их период. По численной модели М. S. Rahman и F. M. Lavas интенсивность развития описываемого процесса растет с увеличением значений этих параметров.

Вымывание растений и их последующий выброс за линию уреза на пляж бухты наблюдаются почти ежегодно во время осенних штормов. Например, Л. В. Дубейковский в октябре 1987 г. после прохождения глубокого тайфуна над северо-западной частью Японского моря наблюдал почти полное исчезновение зостеровых полей в северо-восточной оконечности бухты. При этом на прилегающем участке берега из выброшенных растений и их остатков образовался вал высотой до 1,5 м и шириной 2,0-2,5 м. Полное исчезновение зостеры из соответствующих донных биоценозов — очень редкое явление, сопровождающее катастрофические по мощности штормы. Последствия одного из них были описаны Д. И. Вышкварцевым с соавторами для участка прибрежной полосы зал. Посьета вдоль косы Назимова. По наблюдениям авторов, после шторма, сопровождавшего прохождение над акваторией тайфуна «Вера» в августе 1986 г., при котором высота волн составляла около 4-5 м, на побережье было выброшено более сотни тысяч различных иглокожих, беспозвоночных и двустворчатых моллюсков. При этом поля морских трав, главным образом Zostera asiatica, раньше протягивавшиеся широким поясом до глубин 5-6 м вдоль побережья косы, практически полностью исчезли (личное сообщение Д. И. Вышкварцева). Сравнение глубины произрастания морских трав и высоты волн указывает на то, что основной причиной уничтожения фитоценоза зостеры было распространение прибойной зоны штормового волнения на всю ширину занятой им прибрежной полосы. Ранее аналогичные катастрофические последствия для донных биоценозов прибрежной зоны зал. Посьета наблюдались также В. А. Раковым и А. В. Кучерявенко в 1976 г. и В. З. Калашниковым в 1982 г.

При существенной волнодинамической дифференциации прибрежных акваторий такие катастрофические явления будут наблюдаться в первую очередь на участках, характеризующихся повышенной волновой динамикой. В приложении к бух. Пограничной это участок прибрежной полосы, расположенный в центральной ее части, где коэффициент рефракции волнения над глубинами наибольшего распространения травы Zostera (5-6 м) составляет около 0,9-1,0. В то же время в условиях штормового волнения, характеризующегося периодом 8,0 или 12,0 с, по краям бухты на аналогичных глубинах его значения заключены в пределах 0,5-0,7. Таким образом, на последних наблюдается относительное снижение высот волн в 1,5-2,0 раза.

Если мы примем, что полное исчезновение полей морских трав происходит как в центре бухты, так и по ее краям при равных высотах волн, то в последних оно будет иметь место лишь при условии превышения высот волн на глубокой воде в 1,5-2,0 раза по отношению к условиям, при которых Zostera полностью исчезает в центральной части бухты. По данным «Справочника..», такое увеличение высоты волнения в диапазоне сильных и штормовых волн характеризуется резким снижением повторяемости наблюдения соответствующего типа волн (более чем в 10 раз). Из этого можно сделать вывод, что вероятность полного исчезновения морских трав Zostera в краевых частях бухты намного ниже, нежели на центральных участках, что объясняет ее более частое обнаружение в углах бухт, имеющих, как и бух. Пограничная, ковшеобразную форму. При этом часто наблюдаемые в береговой полосе краевых участков скопления выброшенной волнами морской травы не являются признаком большей, чем на других участках, убыли этих растений. Они — следствие того, что на краях бухт происходит разгрузка прибрежных вдоль береговых течений, которые переносят во взвешенном состоянии вырванные штормовыми волнами из грунта растения или обрывки листьев.

При волнении много меньшей силы, чем в рассмотренных выше ситуациях, также имеет место естественная убыль трав Zostera. В зоне заплеска и выше на пляже можно постоянно наблюдать отдельные листья этих растений и их обрывки. В приурезовой полосе бух. Пограничной Л. В. Дубейковским было собрано более 800 фрагментов зостеры. В абсолютном большинстве это были целые листья, обломанные в основании, непосредственно на одном из узелков, связывающих их с основным стеблем. Из результатов статистической обработки следует, что средняя длина листьев зостеры составляла 50-55 см, а судя по количеству имевшихся в основании узелков, обламывание происходило, как правило, по 3-4-му узлу. По-видимому, этот процесс обусловлен воздействием придонных волновых колебаний, но само место, где непосредственно происходит отделение листа, определяется его внутренней структурой, состоянием или другими внешними агентами (например, обкусывание фитофагами, механические повреждения и др.). Кроме того, обламывание листовой пластины по одному из прикорневых узлов, которые обычно являются слабым местом в растении, может быть механизмом самосохранения всего растения, потому как потеря растением листовых пластин значительно снижает суммарную силу касательного напряжения, возникающую на поверхности листьев под воздействием придонных течений. С ее уменьшением корневая система зостеры даже при условии движения верхних слоев донных осадков или их разжижении остается внутри грунта, таким образом сохраняя от гибели растение. Об этом же свидетельствует отношение биомассы листьев и побегов растения к биомассе корней и корневищ. По материалам, приводимым А. И. Кафановым и В. Н. Лысенко, отношение «листья и побеги/корневища/корни» изменяется от 2/1/2 на песке до 10/1/2 на илах. Возможным объяснением относительного снижения биомассы листьев и побегов на песчаных грунтах могут быть более частые потери листовых пластин при повышенной придонной гидродинамике, которая обычно имеет место над этим типом осадков.

Многие из высказанных положений требуют дальнейшей проработки и проведения полевых наблюдений. И. М. Распоповым с соавторами также отмечалось снижение плотности зарослей водных растений на прибрежных участках озер, характеризующихся рефракционной конвергенцией волновых лучей и повышенной волновой активностью.

Другим интересным проявлением рефракции морских волн является интенсификация процессов разрушения боковых береговых склонов полуостровов или мысов открытого побережья зал. Петра Великого. Это связано с тем, что над прибрежными участками, характеризующимися вдольбереговым изменением уклона дна, происходит относительное усиление волнения. Последнее было установлено на основе анализа результатов волновой модели REFRAK. Расчеты проводились по сетке глубин, которая близко передает особенности морфологии подводного склона, прилегающего к мысам и полуостровам открытого побережья зал. Петра Великого.

Анализ полученных данных свидетельствует о том, что по бокам полуостровов и мысов при всех расчетных углах подхода волнения имеется участок берега, где коэффициент рефракции составляет большие величины, чем на смежных с ним отрезках побережья. Рефракционная концентрация волновой энергии обусловливает значительное усиление абразии штормовыми волнами коренного берега. Рассмотренное явление в сочетании с тем, что при значительной крутизне подводного склона у оконечностей мысов открытого побережья наблюдается частичное отражение штормовых волн, приводит к развитию на боковых поверхностях мысов и полуостровов склоновых процессов и постепенному их отсоединению от основного побережья.

Побережье залива характеризуется большим обилием форм берегового рельефа, чье происхождение вполне может быть объяснено с изложенной выше точки зрения. В первую очередь к ним следует отнести полуотчлененные полуострова и мысы. Для них характерно наличие главного тела, соединенного с берегом нешироким перешейком, который часто покрыт следами современного развития денудационных процессов: осыпей, обвалов и т. п. Иногда перешеек представляет собой вытянутую низкую гряду, покрытую рыхлым грубообломочным материалом. Затем — это небольшие острова и скалы, расположенные в подавляющем большинстве напротив мысов или полуостровов, с которыми их часто связывают находящиеся под уровнем моря подводные гряды.

Предложенная схема динамики берегов ни в коей мере не претендует на универсальность, поскольку она выполняется лишь для участков побережья, вблизи которых рельеф подводного берегового склона близок к модели. Даже при их довольно широком распространении на побережье залива здесь также имеются берега с другой прибрежной морфологией. Например, на внутренних акваториях залива обширные бенчи, окружающие многие мысы, являются областью активного разрушения волн. В этих условиях описанный выше процесс не находит своего выражения. Кроме того, он является лишь одним из механизмов комплекса взаимодействия волнения и береговых структур. Его проявление может быть осложнено литологическими особенностями побережья, которые создают условия для локализации зоны активного разрушения на рассмотренном типе береговых склонов.

В применении к акватории бух. Пограничной наблюдалось также наличие волноэнергетически усиливающей зоны вблизи мыса Красные скалы. Усиление волнения было не таким значительным, как в случае модельной акватории, но для некоторых волновых условий коэффициенты рефракции, полученные для прибрежного участка сбоку от данного мыса, превышали или были сравнимы с аналогичными величинами, полученными для волновых лучей, оканчивающихся непосредственно у оконечности мыса. Сам полуостров по своему внешнему виду полностью соответствует тем полуотчлененным формам берегового рельефа, речь о которых шла выше. Почти посередине перешейка возвышается останец высотой около 5 м. Скорее всего, разрушение этой части полуострова проходило по изложенной схеме, но при более высоком положении уровня моря.

Процесс волновой рефракции над подводным склоном, прилегающим к боковым частям полуостровов, является одним из факторов, требующих внимательного рассмотрения при организации якорных стоянок маломерных судов на прибрежных акваториях. На этих участках не следует также устанавливать различное гидробиотехническое оборудование, поскольку, несмотря на кажущуюся защищенность этих акваторий от волнения, оно может быть подвержено усиленному воздействию штормовых волн.

Описанная схема динамики побережья зал. Петра Великого на его открытых участках нарушает привычную классическую тенденцию развития берегов, когда при относительном постоянстве уровня моря происходит постепенное выравнивание береговой линии: абразия мысов и оконечностей полуостровов и заполнение продуктами разрушения и твердыми речными наносами бухт и заливов. Но это только подчеркивает значимость волновых трансформационных процессов для динамики и развития мелководных зон шельфа.