Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование роли длинных волн в морфогенезе и морфодинамике береговой зоны и шельфа

ВАК РФ 11.00.04, Геоморфология и эволюционная география

Автореферат диссертации по теме "Исследование роли длинных волн в морфогенезе и морфодинамике береговой зоны и шельфа"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА,ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ, ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им.М.В.ЛОМОНОСОВА

Географический Факультет

'В од

-! На правах рукописи

ШИШЛОВА Лидия Михайловна

т.'тт/ . сг' 4-1,1т Л ЛСП

Дл: ^х. : ои! . чип

ИССЛЕДОВАНИЕ РОЖ ДЛИННЫХ ВОЛН В МОРФОГЕНЕЗЕ И МОРФОДИНАМИКЕ БЕРЕГОВ'"*! ЗОНЫ И ШЕЛЬФА

11.0 04 - геоморфология и эволюционная география

АВТОРЕФЕР А Т

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва,13У4

Работа выполнена на кафедре геоморфологии и палеогеографии Географического факультета МГУ.

Официальные оппоненты: доктор географических наук,

старший научный сотрудник Ю.С.Долотов

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник С.М.Анциферов

Ведущая организация - Южное отделение Института океанологии

Зашита состоится,-^ иси& 1994 года в 10Ц>часов на заседании специализированного совета по геоморфологии, палеогеографии, мерзлотоведению и картографии (Д-053.05.06) при Московском Государственном университете им.М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, ГСП-3,Ленинские горы, МГУ, географический факультет, 21 этаж, аудитория 21-09.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета МГУ (21 этаж).

Автореферат разослан шуи^у 1994 г.

Ученый секретарь

специализированного совета,

доктор географических наук Ю.Ф.Книжников

РАН.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Изучение процессов, происходящих в береговой зоне и на шельфе, которые давно и успешно осваиваются человеком, диктуется практическими нуждами.

В береговой зоне и шельфовых областях сосредоточена значительная доля минеральных, биологических и энергоресурсов.

Являясь областью приоритетных капиталовложений, приносящих огромный доход, береговая зона испытывает сильное воздействие со стороны хозяйственной деятельности. Хозяйственный пресс влечет за собой целый ряд негативных последствий.

Отмечаемый в последние десятилетия неуклонный подъем уровня Мирового океана привёл к повсеместному усилению процессов переформирования берегов и рельефа подводного берегового склона. Материальный уцерб, причиняемый народному хозяйству этими процессами, зачаст; то очень велик.

Этими обстоятельствами и обусловлен возросший интерес к результатам исследований на морских берегах и шельфе.

И, несмотря на то, что к качеству прогноза береговых процессов требования всегда были высокими, сейчас они ещё больше возросли. Поэтому, выявление новых общих и частных закономерностей процессов, протекающих в зоне контакта гидросферы и литосферы имеют несомненный научный и прикладной интерес.

Цель работы. За более чем полувековую историю береговая наука не раз обращалась к поиску причин, которые придают аккумулятивному рельефу берегов и дна тот или иной облик. Но несмотря на громадный опыт и теоретических и экспериментальных работ, морская геоморфология в ряде отправных моментов не продвинулась вперед.

Причина этого состоит в том, что морская геоморфология ориентирована в основном на ветровое волнение. Но ветровые волны, относящиеся к классу короткопериодных гравитационных волн, не единственная сила, воздействующая на берега и дно. В океана су-

шествуют другие типы волн, которые может быть менее заметны, но в равной мере важны в динамике океана. Обладая энергией, существенно превосходящей энергию ветрового волнения, они производят огромную морфодинамичеекую и литодинамическую работу в батиальной и, особенно, в шельфовой зоне океана. Эти волны, навиваемые захваченными или топографическими, охватывают широкий диапазон периодов - от десятков секунд до нескольких суток и более СЛе Блон,Майеек,1981]. Некоторые типы волновых движений являются не колебаниями относительно равновесного уровня, а представляют собой изменчивость полей горизонтальных движений.

Исследование морфогенетической роли волн различного диапазона посвящена настоящая работа.

Фактический материал и методика работы. Для решения поставленной задачи использовались материалы, полученные автором в ходе проведения природных экспериментов на сходных по морфологии отмелых песчаных берегах и мелководных шельфах Чёрного,Азовского и Каспийского морей. Природные эксперименты были дополнены наблюдениями в гидролотке.

Комплекс геоморфологических работ состоял из серии промеров на закрепленных профилях, определении мощности деятельного слоя, отбора взвешенных наносов на разных горизонтах в характерных точках подводного профиля и повторных съемок линии уреза на эталонных участках.

Измерения поверхностного волнения проводились одно или трех-компонентным датчиком волнения (в зависимости от поставленной задачи). Продолжительность регистрации волнения варьировала от 10 минут до одних и более суток, что диктовалось задачами исследования. Многосуточные измерения направления и скоростей течений в береговой и шельфовой зоне производились с помощью вертушек БПВ, приборов АЦИТ. В отдельных случаях аппаратурные измерения течений сопровождались съемками с помощью поплавков с нейтральной плавучестью (дискретных трассеров).

Обработка материалов наблюдений осуществлялась по стандарт-

- 3 -

иым методикам с использованием ПЭВМ.

Для решения отдельных задач исследования использовались материалы космических и аэрофотосъемок.

Новизна. Настоящая работа посвящена исследованию роли морских волн различного временного масштаба в динамике рельефа и осадков на аккумулятивных побережьях и на отмелых протяженных шельфах.

На основе природных экспериментов, проводившихся на отмелых песчаных побережьях Каспийского, Азовского и Чёрного морей исследована роль взаимодействия поверхностного волнения "видимого" диапазона с песчаным дном а также роль инфрагравитационных волн и градиентно-вихревых образований в динамике рельефа и осадков. Природные эксперименты дополнены опытами в гидролотке.

На основе анализа массового эмпирического натурного и лабораторного материала выявлены основные закономерности взаимодействия длинных волн с донным рельефом.

Основываясь на роли длинных волн в динамике рельефа и их связи с синоптическими циклами намечены пути прогнозирования интенсивности процессов в береговой зоне и на шельфе.

Рассмотрены возможности применения результатов исследований для решения экологических задач в береговой зоне.

Практическая ценность работы. Результаты разработок могут быть использованы при решении широкого крута народнохозяйственных задач, в частности защиты берегов от размыва, гидротехнического строительства, экологического мониторинга и др.

Частично результаты исследований были использованы при написании Технико-экономического доклада и Технико-экономического обоснования "Каспий", выполненного по поручению комиссии Совета Министров РФ по чрезвычайным ситуациям а также при проведении рекогносцировочных обследований и разработке программы экологического мониторинга Еургасского залива для фирмы "Эком" (Республика Болгария).

Апробация работы. Основные результаты исследований доклады-

вались на всесоюзных совещаниях рабочей группы "Берега" комиссии по проблемам Мирового океана при президиуме РАН (г.Сочи,1978; г.Москва,1987; 1991), на всесоюзном совещании "Новее в изучении Каспия" (r.Eai^,1979), на втором съезде советских океанологов (г.Ялта,1982), на всесоюзном совещании "II Щукинские чтения" (г.Москва,1990) и др.

Публикации.

Результаты работы изложены в 11 статьях, опубликованных в периодических изданиях и в научных тематических сборниках.

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, шести глав и заключения, списка литературы и содержит 142 страниц текста, 39 рисунков. Список литературы насчитывает 118 наименований.

Основное содержание работы. Содержанке работа изложено во введении, шести главах и заключении.

Во введении формулируется основная задача диссертации и намечаются пути ее реализации.

В первой главе дано краткое описание наиболее типичных мезо-и макроформ рельефа отмелых побережий и мелководных участков шельфа бесприливных морей. Аккумулятивные формы, которые в изобилии встречаются на песчаных мелководьях, зачастую сопутствуют друг другу. Несмотря на то, что размеры их отличаются на несколько порядков, все они относятся к одному морфотипу - к формам, образованным при преимущественном влиянии важнейшего из экзогенных процессов - гидрогенного. Относясь к разряду пассивных волн, они являются отражением сложных к многообразных движений водной среды. Центральной задачей настоящей работы является изучение основных закономерностей взаимодействий длинноволновых движений в водной среде с ритмическими и иными формами донного аккумулятивного рельефа - подводными валами, песчаными волнами и грядами и т.д.

Вторая глава содержит геолого-геоморфологическое описание районов исследований. Для проведения природных экспериментов бы-

- Б -

ли выбраны сходные по морфологии участки аккумулятивных берегов. Морфологическое сходство всех экспериментальных районов на Каспийском море обусловлено тем, что они расположены в пределах обширной отмели, протянувшейся с севера на юг более чем на 300 км, в её наиболее мелководной части, севернее Мангышлакского порога, где преобладают глубины менее 10 м.

На Азовском море исследования велись на берегу Темрюкского залива. Подводный склон на участке исследований более крутой, чем на каспийских полигонах и относится по классификации В.В.Лонгинова с песчаным профилям большого уклона. Аналогичен по морфологии и участок берега Бургасского залива.

В третьей главе подробно описывается методика проведения экспериментов по определению морфогенетической роли волнения в широком диапазоне временных масштабов. Приведена схемы размещения измерителей волнения, течений и уровня моря в зависимости от поставленной задачи. Здесь же приводится краткая информация о методике обработки данных наблюдений и получения необходимых статистических характеристик наблюдаемых процессов. Изложена схема проведения экспериментов в гидролотке. Дается краткое описание комплекса морских геоморфологических работ на исследуемых участках берегов и шельфа.В заключении изложены краткие сведения об использовании аэро- и космоснимков для геолого-геоморфологического описания некоторых районов исследований.

Четвертая глава рассматривает роль низкочастотных волновых движений в морфогенезе отмелых берегов и мелководных участков шельфа. В начале главы подробно разбираются условия волнообразования вдоль западного побережья Каспийского моря от Дербента до устья Волги, где расположены 3 наиболее важных районов исследовании. Поскольку протяженность берега, для которого сделан расчет, составляет более 500 км, то отдельные участки его находятся под влиянием различных циркуляционных процессов атмосферы. Различия усиливаются и за счет морфологических особенностей отдельных участков (глубины, особенностей рельефа и характера донных

- б -

отложений). В качестве показателя распределения энергии вдоль побережья использовалась величина удельной энергии , приходящейся на единицу площади береговой зоны [Ржеплинский, Наааретский, 1974]. Она служила для оценки степени воздействия ветрового волнения на берега. Удельная энергия волнения распределялась вдоль побережья следующим образом: Дербент - 32,0; Махачкала - 4,4; Сулак - 1,8; Лагань - 0,001. Видно, что воздействие ветровых волн на берег существенно снижается с юга на север. Между тем гидро- и литодинамические процессы на протяженных мелководьях к северу от Аграханского полуострова протекают весьма энергично, о чем свидетельствует облик как надводного, так и подводного рельефа - обилие промоин, банок, островов и других форм рельефа. Многообразие различных надводных и подводных форм, размеры которых превосходят характерные длины поверхностного ветрового волнения, свидетельствует о том, что объяснение экзогенных процессы на мелководных участках акваторий только на основе энергии ко-роткопериодного ветрового волнения малоэффективно. Поэтому основное направление наших исследований было сосредоточено в сфере длинноволновой динамики береговой зоны и шельфа.

Часть природных экспериментов была проведена на отмелых берегах с валами. Являясь характерной, чертой рельефа прибрежных песчаных мелководий, подводные валы могут также встречаться и на большом удалении от берега на склонах банок. Наблюдения в зоне подводных валов выявили следующие закономерности. На всех точках экспериментального профиля зафиксировано асимметричное движение взвесей, которое в общих чертах определяется пространственным распределением орбитальных скоростей на поверхности моря и у дна (табл.1,2).

Анализ графиков спектральных функций ветрового короткопери-одного волнения для всех точек экспериментального профиля показал, что на пологом подводном склоне, где уклоны дна составляют 0,005, распределение энергии волнения по частотам над подводными валами и межваловыми понижениями неодинаково. Основное различие

Таблица 1

Результаты наблюдений за движением взвешенных наносов по различным направлениям (вес осадка в граммах)

Местоположение отборника на подводном склоне Глубина погружения отборника м В сторону моря d, мм 0,1 0,005 В сторону берега. с1, мм 0,1 0,005 На север d, мм 0,1 0,005 На юг d, мм 0,1 0,005

1-й вал................. Ложбина между 1-ми 2-м валами.............. 2-й вал................. Ложбина за 2-м яалом____ 0,35 1,10 0,70 1.45 0,43 14,56 0,74 2,44 0,20 9,31 1,45 5,48 0,06 5,08 1,05 2,16 0,10 3,08 1,07 4,84 0,02 1,34 0,10 0,30 0,02 1,00 0,01 0,66 0,07 0,05 0,03 1,10 0,05 1,94 0,23 0,70

Таблица 2

Значение дисперсий горизонтальной составляющей орбитальных скоростей (б , (см/с)14) по различным направлениям на поверхности моря и на глубине 10 см от дна

Точка на подводном склоне Глубина, м В море На берег На север На юг

на пов-ти У дна на пов-ти У дна на пов-ти У дна на пов-ти У дна

1-й Бал.............. 0,45 390 355 220 200 180 164 320 291

Ложбина между 1-ми

2-м валами........... 1,20 246 165 193 130 170 114 216 145

2-й вал.............. 0,80 643 514 345 276 198 158 366 293

Ложбина за 2-м валом. 1,56 315 191 315 191 175 106 175 106

состоит в появлении в спектрах над валами дополнительных максимумов энергии на суммарных и разностных частотах, равноудаленных от основного максимума, (ш0± а>рас) > где - частота максимума спектральной плотности, ± о>рас - частоты сателлитных максимумов. При этом максимум на разностной частоте по амплитуде больше пика на суммарной. По разнице частот главного максимума спектральной функции волнения и низкочастотного сателлита были вычислены расстояния между гребнями подводных валов, которые оказались близкими с измеренными.

Таблица 3

Сравнение длин, рассчитанных по величине смещения (о)ср) с длинами волн на подводном склоне

Район Ш0р= Глубина Длина Длина волны

Цэ Шрас Шо-<д)рас на валу, ветровой в сыпучей

м волны,м среде, м

Турали 1,54 0,96 0,58 1,35 41 49

1,40 0,83 0,57 0,90 33 42

1,40 0,84 0,56 0,50 25 33

Агра- 1,55 1,26 0,30 2.00 92 96

ханскии 1,53 1,24 0,29 1,30 75 88

п-ов 1,37 1,12 0,25 0,80 70 70

Эксперименты на побережьях с валами расширили круг вопросов, ответы на которые не были однозначными. Поэтому опыты по взаимодействию волн в жидкой и сыпучей средах были продолжены в гидролотке. Было проведено несколько серий опытов на "жёстком" и размываемом дне. В первом случае исключалась возможность образования волн ь сыпучей среде. Полученные по измерениям на разных глубинах лотка безразмерные спектральные функции были обобщена для трёх интервалов глубин: "глубоководной" части, с глубинами 84-94 см, зоны трансформации волн, с глубинами 21-31 см и зоны обрушения волн (зона подводных валов в случае песчаного дна) с глубинами 14-20 см. Профиль дна, сформировавшийся на песчаном откосе, представлял собой чередование пологих возвышений, высоты которых менялись от 3 до 6 см, а расстояние между ними составляло примерно 1,1 м. Сравнение спектров волн, полученных для раз-

личных участков лотка (на жестком дне) показало, что основная структура спектральной плотности не меняется по мере продвижения к урезу. Наиболее характерной особенностью спектров, полученных в точках различно удаленных от щита волнопродуктора, является то, что бимодальный максимум спектральной плотности не меняет своего частотного положения с уменьшением глубин. Изменяется лишь амплитуда пиков.

Анализ спектральной функции волнения на размываемом дне показал, что в этом случае увеличивается энергия болн в низкочастотной части спектра за счет смещения энергии максимума в область низких частот. Аналогичный вид имели и спектральные функции, рассчитанные по измерениям волнения на Азовсксм море, где уклоны дна равнялись 0,02, т.е. подводный склон был более крутым, чем на Каспийском море.

Итоги опытов в лотке дали возможность сделать важный вывод, который состоит в том, что при взаимодействии жидкой и сыпучей сред максимум взаимодействий смещается в область низких частот. Поэтому в дальнейшем натурные эксперименты строились так, чтобы получать характеристики длинных волн на различных глубинах подводного берегового склона.

Совместный анализ деформаций профиля подводного склона и распределения величин фазовых скоростей вдоль профиля показал, что самые динамичные участки дна совпадают с зонами минимальных значений фазовых скоростей еолн. Известно, что тленно там, где групповая скорость волн минимальна происходит резонансная передача энергии из одной среды в другую, возникает эффект захвата гравитационных волн на мелководье, аналогичный эффекту полного внутреннего отражения в оптике и образуются краевые волны [Дэ Блон, Майсек,19813 и происходит образование подводных валов. Очередным этапом исследований была постановка специальных природных экспериментов по измерению низкочастотных гравитационных волн. Такие рзботы были проведены на двух участках береговой зоны Каспийского моря и на берегу Бургасского залива.

Существование длинных волн в прибрежной зоне факт достаточна известный, но их приоритетная роль в морфо- и литодинамике не является, однако, общепризнанной. Объясняется это малочисленностью экспериментальных исследований, особенно природных, которые могли бы свидетельствовать в пользу длинноволновой динамики береговой зоны. Целенаправленно изучая в течение ряда лет роль инфрагравитационных волн е динамике береговой зоны, мы пришли к выводу, что именно они формируют основные крупные черты аккумулятивного рельефа как надводного, так и подводного. Инфраграви-тационные волны особенно ярко проявляются в прибойной зоне. Чем меньше глубина и больше скорости ветра, тем сильнее нелинейные взаимодействия вслн и тем активнее образуются длинные волны. Поэтому все существенные изменения в береговой зоне связаны со штормами.

Значительная часть экспериментов в прибрежной зоне была нацелена на исследование низкочастотных волновых движений. После строительства прорези через Аграханский полуостров, началось формирование новой дельты Терека. В момент проведения -^плери-мэнтов дельта представляла собой устьевую отмель, вдоль внешнего выпуклого края которой сформировались песчаные косы, поперечные по отношению к руслу реки. Они имели длину от 0,7 до 0,9 км. Между двумя рядами кос образовалась группа мелководных лагун.

В отличие от экспериментов в зоне подводных валов, датчики волнения устанавливались не вдоль профиля подводного склона, а вдоль мористого края внешней косы на расстоянии % 200 м один от другого. Время регистрации волнения равнялось 1,5 - 2 часам. Анализ результатов измерений показал, что сильнее всего низкочастотные волновые движения проявляются в непосредственной близости от выхода в море речной струи. Перераспределение спектральной энергии в область низких частот происходит при взаимодействии волнового потока со стоковым течением, что вполне согласуется с теоретическими представлениями [Ефимов и др., 1985], т.к., образование топографических захваченных волн идет особенно

активно вблизи неоднородностей береговой линии - в проливах, устьях рек и т.д. Сравнение масштабов низкочастотных волновых движений, рассчитанных по дисперсионному отношению, с масштабами аккумулятивных тел в дельте показало их соизмеримость.

Наиболее ценные результаты были получены в ходе эксперимента по исследованию связи инф^агравитационных волн с рельефом береговой зоны в западной части Северного Каспия у о-ва Тюлений. Запись колебаний волнового уровня не прерывалась в течение нескольких суток и охватывала штилевые условия, условия умеренных и штормовых ветров со скоростями более 15 м/с.

Реализации исследовались спектральным методом с таким расчетом, чтобы проследить эволюцию спектра в течение шторма (табл.4). Сравнение спектральных функций, характеризующих условия при слабых ветрах и условия штормового волнения показало, что основные различия спектров находятся в низкочастотной области. При шторме в низкочастотном участке существенно растет энергия, соответствующая периодам в несколько минут. Этот энергетический "всплеск" по амплитуде превышает значения спектральной плотности в диапазоне "видимых" волн. Зафиксированные в спектре низкочастотные волновые движения были рассмотрены в рамках теории краевых волн. Краевые волны должны удовлетворять дисперсионному отношению CBowen, Inman,1971]

б2- gK(2n+l)tgfl

где б - круговая частота; g - ускорение силы тяжести; К - вдоль-береговое волновое число; п - модальный номер краевой волны;, tge - уклон дна в прибрежной зоне.

Расчет с использованием наших данных показал масштабы движений для инфрагравитационных волн, период которых равен %21 мин, длину волны более 800 м. Именно этот масштаб характерен для большинства аккумулятивных форм исследуемого района (песчаные банки и сам о.Тюлений).

Из таблицы следует, что наряду с колебаниями высокочастотной моды краевых золн хорошо просматриваются и более низкочастотные

Таблица 4

Изменения основных спектральных характеристик волн и масштабов движений, рассчитанных по дисперсионному отношению по периоду максимума спектральной плотности во время шторма у о-ва Тюлений'(Каспийское море)

Ветер 1-й максимум 2-й максимум

NN Время направл. скорость м/с величина S^M^-C период мин Масштаб движений м величина S(to)M¿-C период мин Масштаб движений м

1 12ч.20мин. СЗ 3,0 0,14 6,3 205 - - -

2 15ч.11мин. СЗ 8,5 0,28 7,8 311 0,32 3.4 20

3 18ч.00мин. ССЗ 11,6 0,23 8,8 351 0,25 6,5 112 '

4 20ч.30мин. С 10,5 0,30 8,2 318 0,32 5,9 59

5 23ч.00мин. ССЗ 9,8 0,28 11,7 467 - - -

6 1ч.30мин. ССЗ 11,2 0,28 20,7 823 0,26 5,4 50

7 4ч.00мин. ССЗ 10,0 - 0,32 14,1 561 - - -

8 бч.ЗОмин. 03 11,8 0,31 7,2 264 - - -

движения. Основные низкочастотные колебания соответствуют периоду 1242 с (20,7 мин). Второй спектральный максимум соизмеримый с основным низкочастотным максимумом равен 322 с (5,4 мин). Эти два масштаба движений, связанных с краевыми волнами, прослеживаются и на реализации краевых волн после низкочастотной фильтрации. Такого вида волновые движения при взаимодействии с песчаным дном могут образовать резонансный триплет [Ле Блон, Майсек,1981] и тем саным влиять на интенсивность и направление перемещения донных отложений. По нашему мнению, именно такого рода нелинейные взаимодействия служат причиной образования специфических форм донного рельефа в прнбрежной части Северного Каспия.

Для подтверждения елкяния длинных волн на рельеф берега нами, кроме промеров по закрепленному профилю, нами были проведены особые работы, заключающиеся в повторных теодолитных съемках линии уреза вдоль базисной линии на берегу в умеренных гидродинамических условиях.

Реализация положения уреза с помощью обычной теодолитной съемки была получена в 1982 году на побережье северо-западной части Черного моря. Одновременно регистрировались параметры прибрежных течений с помощью дискретных трассеров и измерений течений вертушкой БПВ. Обобщенный по нескольким реализациям спектр изменчивости линии уреза, полученный методом максимальной энтропии (МЭН), в форме волновых чисел К показал, что характерной особенностью спектра является наличие 2-х максимумов, соответствующих основным периодичностям волновых чисел: длинноволновой, равной 614 м, и коротковолновой - 10 м. Соответствующий анализ слектра течений говорит о том, что длинноволновый максимум определяется воздействием одной из мод краевых еолн. Другой максимум является , следствием влияния поверхностных волк "биди-мог0"диапа80на.

Аналогичный комплекс наблюдений был осуществлен летом

хээи 1'. па иерегу одласип.ихи вампа л. ил шихинл ио! мяи1 ииу хич-

ных измерений колебаний волнового уровня моря в точке в диапазо-

не масштабов синоптической изменчивости; измерения направлений и скоростей течений, температуры воды, электропроводности (солености) с помощью АЦИТа; регистрации изменений поперечного профиля подводного берегового склона под воздействием волнения; последовательных съемок уреза от базисной линии на берегу, протяженностью 1 км.

Анализ гидрофизических параметров впервые позволил выявить для Бургасского залива основные пространственно-временные масштабы движений и отклик на эти движения со стороны берега. Основными масштабами временной изменчивости являются колебания с периодами 3 часа, 12,5 мин, 126 сек. Расчет по дисперсионному соотношению, удовлетворяющему теории краевых волн дал возможность получить для низкочастотной моды длину волны, равную 5862 м., связанную, вероятнее всего, с собственными колебаниями залива.

Анализ изменчивости линии уреза на эталонном участке также выявил два масштаба изменчивости - 660 м и 16 м. Больший из них связан с влиянием на берег краевых волн, а шестнадцатиметровый -• определяется волнами видимого диапазона, средняя длина которых на акватории залива равна примерно 16 м.

Таким образом, использование информации об инфрагравитаци-онных движениях и сравнение их с масштабами изменчивости линии урезЕ., показало, что низкочастотная составляющая движений является определяющей в формировании рельефа приуреэовой полосы дна и надвсдной части пляжа в зоне заплеска.

Ьзли краевые волны увязывают,, как правило, с прибрежной морфологией, то шельфовые волны, как это ясно из их названия, вознгкают как следствие захвата шельфом вихревых возмущений в гидре сфере. Они совершают работу по перемещению материала литосферы и по созданию различных форм рельефа как на бровке шельфа, гак И на его поверхности. Рельефообразующзя роль шельфовых волн особенно велика на отмелых протяженных шельфах.

Значительные площади восточной части Северного Каспия -отличаются предельной мелководностью. На большей ее части глуби-

ны колеблются от 1 до 5 м, и даже в самой глубокой части -Уральской бороздине - они лишь немного превышают 8 м.*5

Отличительной чертой этой части моря является сложнопостро-енный рельеф дна. Более 50 мелких островков, имеющих местное название "шалыги", Еыступзют из-под уровня моря и сильно меняют плановые очертания во время штормов.

Космические снимки обнаружили, что вся поверхность дна к востоку от Уральской бороэдины, сложенного песчаными и песча-но-ракушечными отложениями , покрыта крупными аккумулятивными формами типа гидробарханов или песчаных волн, длина гребня которых колеблется от 2 до 5 км, а расстояние между отдельными волнами (шалыгзми) составляет 1-3 км. Только часть их возвышается над водой. Пространственное рукоположение этих форм подчинено строгой закономерности. На участке от устья р.Урал до залива Комсомолец отдельные островки группируются в гряды, продольные оси которых параллельны между собой. Гряды простираются на значительные расстояния, в среднем от 20 до 40 км. В общих чертах гряды повторяют контуры береговой линии. Вдоль северного берега полуострова Бузачи число гряд меньше. Оси их сначала субпараллельны общему направлению берега, но затем круто поворачивают и ориентируются вдоль северного края отмели Тюленьих островов. Шалыги в более мористых грядах отстоят одна от другой на меньшее расстояние. С удалением от берега изменяется и ориентировка шалыг относительно оси гряды. Если на мелководных участках они ориентированы к ней под острым углом, то е более мористых грядах почти строго перпендикулярны ее продольной оси. То обстоятельство, что грядово-гривистый рельеф развит на значительных участках дна, говорит о том, что он создан процессами, едиными для этой части Каспия, а морфологические различия свидетельствуют об особенностях протекания процессов на различных глубинах и на равном удалении от берега.

*)

Iакоэ распределение глуинн относится к моменту съемки с космического корабля "Союз-22", т.е. к сентябрю 1976 г.

Такой облик донного рельефа характерен для приливных морей. Но Каспий - море бесприливное, т.е. приливные колебания уровня укладываются в первый десяток сантиметров. Не смотря на это, по обличу, характерным размерам форм и по степени распространения на поверхности дна, описанный рельеф идентичен рельефу песчаных волн и гряд в приливных морях. Генезис грядово-гривистого рельефа в этой части Каспия объясняют по разному. Наиболее распространенная и обоснованная точка зрения отводит решающую роль в рельефообразовании сгонно-нагонным течениям [Леонтьев,19613. Действительно, изолинии нагонов 110 и 120 см, возможные 1 раз в году, совпадают с двумя ближайшими к берегу зонами шалыг. Строгая закономерность, которая усматривается в пространственном размещении гряд и грив, заставляет предположить, что вся эта грандиозная система аккумулятивных форм, занимающая огромные площади дна, сформирована ритмично повторяющимися во времени процессами. Поэтому роль сгонно-нагонных явлений, как сугубо стохастических, не может быть доминирующей, равно как и роль• ветрового волнения. Обилие зачастую взаимоисключающих мнений объясняется сложностью гидродинамических процессов на предельно отмэлом и протяженном шельфе, а также отсутствием массовых измерений.

По нашему мнению, основная роль в организации рельефа на шельфе северо-восточной части Каспия принадлежит шельфовым волнам. В отличие от краевых гравитационных волн, шельфовые волны -это следствие закона сохранения потенциального вихря и образуются в результате совместного эффекта вращения Земли и переменности рельефа. Континентальные шельфовые волны имеют характерные амплитуды в несколько сантиметров, а скорости течений при прохождении этих еолн могут достигать нескольких метров в секунду что превосходит сдвиговые значения скоростей для песчаных наносов.

Для наблюдения шельфовых волн требуется постановка специальных полигонных исследований. Для построения качественной фи-.

зической модели действия механизма рельефообразования в зоне распространения щалыг были использованы единичные долговременные наблюдения за течениями вертушкой БПВ-2 в придонном горизонте при общей глубине места 2 м в районе о-вов Еороэдинный и Обсерваторский.

При обработке и анализе данных наблюдений было установлено, что течения здесь имеют реверсивный характер и в течение суток направление их меняется на 180°. Покомпонентный анализ и одновременная фильтрация равновесным скользящим средним обнаружили периодические изменения течений, близкие к 5 суткам (вдольбере-говая составляющая), а также суточные и 5-суточные изменения характеристик нормальной к берегу составляющей течений. Анализ повторяемости средних скоростей по основным румбам позволил построить эллипс течений, большая ось которого ориентирована в направлении запад-северо-запад - восток-северо-восток, т.е. вдоль берега. Средние скорости составляют 10-15 см/с.

При спектральном анализе записей течений были получены наиболее интересные результаты. Для достоверных оценок спектра в низкочастотном диапазоне ''•или использованы параметрические методы расчета спектральных характеристик течений [Седов,1988]. Ос-новнбй максимум в спектра вдольбереговой составляющей равен 113 ч, или примерно 5 сут. Достаточную достоверность имеют также максимумы 35 и 19 ч. По реализации нормальной к берегу составляющей течений эти максимумы сдвинуты в низкочастотный диапазон и соответствуют периодам 39 и 24 ч. С большой достоверностью на обеих составляющих течений проявляются полусуточные и четверть-суточные колебания, а также спектральные максимумы, равные 8 и 9ч. В высокочастотном участке спектра появляются мелкомасштабные вариации гармонических постоянных прилива, характерных для мелководных участков побережий. Таким обрааом, гидродинамический режим северо-восточной части Каспия формируется под влиянием сильных баротропных суточных течений. Специальный анализ показал, что ориентация больших осей эллипсов течений совпадает

с направлением береговой линии. Согласно теории [Ефимов и др.,1985; Ле Блон,Майсек,1981] сильные приливные течения генерируются при резонансном взаимодействии приливных колебаний бассейна с шельфовыми волнами. Сильные приливные течения, связанные с влиянием шельфовых волн вызывают в прибрежной зоне циклональ-ные и антициклональные вихри с масштабом порядка 10-20 км, вовлекая в круговорот морские воды, влияя на интенсивность и направление перемещения донных отложений и создавая условия для появления соизмеримых с ними донных аккумулятивных форм. Для проверки наших предположений был использован подход,предложенный в работе Боуэна СВсмеп,1птап, 19713, когда по параметрам рельефа вычислятся масштабы вынуждающих сил. Для мелководного шельфа, без учета вертикальной плотностной стратификации (Ш-0) с постоянным уклоном дна дисперсионное отношение для шельфовых волн имеет вид

аГ

6--

Н

2 2 К1 + К1

2

К!

где б - частота п-ной моды шельфовых волн, { - локальная инерционная частота, Г—2?2з1пч>, (52 - угловая скорость вращения Земли, ф

- широта места), Н - глубина на границе шельфа; К1 - составляющая волнового вектора на ось х .направленная на север; Кг - составляющая волнового вектора на ось у, направленная на восток; Ь

- ширина шельфа е районе исследований.

Учитывая, что резонансный эффект реализуется прежде всего при соблюдении условий группового синхронизма [Басович и др,19323 характерная длина или шаг периодичности подводных аккумулятивных образований, сформированных при участии шельфовых зслн, должны быть близки по величине к характерным масштабам вынуждающих сил. Тогда для нашего случая имеем X - 23,3 ч, т.е. приме оно 24 ч. Можно получить скорость распространения рассчи-тзккь;.: налн. Она равна 0,23 км/ч, или 0,07 м/с. Эта величина

близка к значениям фазовой скорости, рассчитанным для черноморских шельфов СЕлатов и др., 1984] где С-0,10-0,12 м/с.

Основываясь на результатах расчетов, можно сделать вывод, чтс главная рельефообрззующая сила на мелководья" северо-восточной ч?-'ТИ Каспия - суточные приливные течения, сформированные пор влияние:.-; первсй моды шельфовых волн.

Анализ волновой структуры течений дает возможность увидеть, какие именно из суточных составляющих прилива главные для исследуемой акватории. Но, вместе с тем подобный анализ не столь важен, поскольку механизм образования подводных аккумулятивных форм у. так достаточно ясен: наличие постоянных приливных течений, создающий вдоль берега циклоническую циркуляцию, составляет основу для реализации резонансного эффекта, например, при взаимодействии с нагоном. Выше указывалось, что в Северо-Восточном Каспии нагонная волна может достигать значительных еысот к сопровождаться большими скоростями течений. В тех случаях, когда регулярные течения совпадают по скорости и направлению с достаточно сильными нагонами, суммарные скорости течений могут увеличиваться на 30? [Герман. Левиков, 1586]. Естественно, что максимальные скорости течений, равные 35 см/с, в этом случае увеличиваются до значений, при которых вихревые движения могут существенно преобразовать рельеф.

Исходя из концепции об определявшей роли в гидро- и литоди-намическом режиме Северо-Восточного Каспия континентальных шельфовых волн, можно так представить схему кваэипостоянных течений: основной южный поток, обусловленный аткциклональным движением вод, сосредоточен вдоль восточного края Уральской бороздины; за пределами бороздины, в области развития грядово-гривистого рельефа, циркуляция определяется наличием циклональных вихрей, ксто-рые движутся на север, оставляя берег справа. Вихри и определяют общий вдольбереговой перенос водных масс на север. Эта схема сечений, типичная для побережий, где могут существовать шельфозые волны (например на участке побережья Атлантического океана от

залива Мэн до мыса Хатеррзс [Витриз,1973]) хорошо увязывает между собой все варианты циркуляционных течений в Северном Каспии.

Пятая глава посвящена объяснению причин вариаций межгодовой активности динамики береговой зоны , исходя из положения о приоритетной роли в динамике мелководий волн захваченного типа.

Одной из причин порождения длинноволновых движений в водной среде является движение атмосферных вихрей в масштабе синоптической изменчивости. Следовательно для объяснений вариаций межгодовой активности динамики береговой зоны необходимо использовать параметр, определяющий межгодовую активность в атмосферных процессах, в физической основе которого лежит волновая природа движений в атмосфере и основанный на учете количества гребней планетарных волн, проходящих с запада на восток в течение какого-либо отрезка времени (месяц, год и т.д.). В работе Дмитриева с соавторами [Дмитриев и др., 19893 подробно рассмотрены атмосферные процессы в северном полушарии за период с 1881 по 1988гг. и предложен один из самых современных методов расчета долгосроч-' ных метеорологических прогнозов. Основой этого метода послужили закономерности преобразования форм атмосферной циркуляции северного полушария, отражающие особенности характера и эволюции длинных термобарических волн тропосферы и связанных с ними характеристик аномалий (БК).

В диссертации приведены многолетние изменения аномалий атмосферной циркуляции (5К), согласно работе Дмитриева и морфомет-рические характеристики косы Долгой в северной части Азовского моря за тот же период. Динамика косы в начале века была восстановлена при анализе крупномасштабных картографических материалов. В последние десятилетия динамика косы отслеживалась путём проведения комплексных исследований на реперном полигоне. Совместный анализ данных показал, что стабилизация процессов в береговой зоне косы Долгой приходится на период с 1890 по 1950 гг. Именно в этот период аномалии атмосферной циркуляции (бК) не превышали нулевых значений (норма). Эти годы характеризовались

преобладанием зональных процессов в атмосфере северного полушария и отнесены, по классификации Г.А.Вангенгейма и А.А.Гирса к эпохам форм атмосферной циркуляции (И+С) и №. Интенсивный размыв тела косы происходит в период с 1950 по 1974 гг. За время с 1957 по 1965 гг. коса потеряла 65% площади. В эти годы, отнесённые к циркуляционной эпохе (Е+С), отмечалось неуклонное повышение значений 5К, связанных с активным межширотным воздухообменом на полушарии, достигшим максимальных значений в 1963 г. Уменьшение 5К до отрицательных значений в период 1966-1968 гг. привело к некоторому увеличению тела косы в 1976 г. Следующий максимум в аномалиях атмосферной циркуляции северного полушария в 1975 г. привел к самому высокому уровню размыва тела косы долгой. Существенному размыву подверглась и отмель. На ней остались всего три крохотных островка. После весьма внушительного максимума в многолетнем ходе аномалий атмосферных процессов (5К) в 1963 г. и несколько меньшего по амплитуде значений 5К в 1975 г. отмечает2Я устойчивый процесс спада, продолжающегося в настоящее время. В динамике косы в этот период, как и в начале века, вновь преобладают процессы стабилизации.

Таким образом факт существования длительных однозначных тенденций в динамике береговых процессов в зависимости от многолетней изменчивости атмосферных процессов на полушарии не вызывает сомнений. Этот пример не единичный. Систематические наблюдения за некоторыми геоморфологическими процессами на берегах других морей , охватываюпцши период от 7 до 20 лет, также указывает на колебательный характер в скоростях процессов абразии (Светлогорская бухта на Балтике, Сухой лиман на Чёрном море и др.)

Предложенный подход для объяснения вариаций процессов в динамике береговой зоны морей и океанов, позволяет рассматривать их с позиций климатической изменчивости. Это дает вовможность найти логическое объяснение случаям катастрофических изменений в береговой зоне (катастрофический нагон в р-не Темрюка в 1968 г., разрушение м.Пицунда в 1969 г., штормовое разрушение берега в

окрестностях Калининграда в 1980 г. и некоторые другие случаи).

В последней главе, на основе анализа гидрофизических процессов в прибрежной зоне Чёрного и Каспийского морей, показана определяющая роль вихревых образований различной направленности (циклоническая-антициклоническая) в движении наносов и рельефо-образовании, чему имеются многочисленные подтверждения в снимках из космоса. В зависимости от направления вращения, вихри создают различные типы виргенций и тем самым способствуют либо депонированию загрязняющих веществ в донных отложениях, либо разносу их со взвесями на различные расстояния, влияя на геоэкологическую ситуацию в береговой зоне. Основываясь на приоритетной роли вихревых образований в динамике береговой зоны, можно дать рекомендации по прогнозу геоэкологических ситуаций и геоэкологическому мониторингу прибрежно-морских систем.

В заключении изложены следующие основные выводы диссертационной работы:

- анализ спектральных функций волнения, полученных по натур-' ным и лабораторным измерениям на песчаном дне в зоне подводных валов показал, что при взаимодействиях на контакте жидкой и сыпучей сред максимум взаимодействий смещается в область низких частот;

- совместный анализ деформаций профиля подводного склона и распределения величин фазовых скоростей вдоль профиля показал, что саше динамичные участки дна совпадают с зонами минимальных значений фазовых скоростей;

- сравнение масштабов низкочастотных волновых движений, рассчитанных по дисперсионному отношению, с масштабами аккумулятивных, тел (кос) в районе пионерной дельты Терека показало их соизмеримость;

- нелинейные взаимодействия нескольких мод низкочастотных волновых движений с песчаным дном приводят к образованию резонансного триплета и тем самым влияют на направление перемещения донных осадков и создают условия для образования аккумулятивных

форм различного масштаба;

- сравнение масштабов инфрагравитационных волновых движений с масштабами изменчивости линии уреза показало, что низкочастотная составляюшэя является определяющей в формировании рельефа приуреэовой полосы дна и надводной части пляжа в зоне заплеска;

- генезис грядово-гривистого рельефа на протяженных отмелых шельфах неприливного моря с высокой степенью достоверности может быть объяснен совокупным действием шельфовых волн, приливных и сгонно-нагонных течений.

- установленная связь процессов в атмосфере и гидросфере, проявляющаяся в генерации шельфовых и других волн захваченного типа, позволяет перейти к прогнозированию морфодинамических процессов б береговой зоне и на шельфе, основываясь на долгосрочных климатических прогнозах;

- вихревая структура низкочастотных движений является основой геоэкологических ситуаций, определяя пространственное распределение загрязняющих веществ в донных осадках и перенос их во взвешенном состоянии (в зависимости от направления вращения вихря).

Содержание диссертации опубликовано в следующих основных работах автора:

1. Исследование взаимодействия морских волн с песчаным дном в зоне подводных валов// Вестн.Моск.ун-та,N 1, 1976, с.78-85

2. Опыт определения количества и направления перемещения взвешенных наносов при орбитальных движениях воды в волновом по-токе//Информационное письмо N 4, 1980,ГОШ, с.23-36. (соавтор Л. А.Ещенко)

3. 'Особенности трансформации волнения в гидролотке с песчаным и нераэмываемым дном// Труды ГОИНа, вып.161, 1982, с.25-30 (соавторы Л.А.Ещенко, Р.Вимер).

4. Применение космических снимков при составлении геоморфологических и литологических карт северо-восточной части Каспия//

Геолого-геоморфологические исследования Каспийского моря. М.: Наука, 1983, с.139-146. (соавторы В.И.Кравцова,О.К.Леонтьев, Л. А.Ушакова) .

5. О резонансном возбуждении волн в песчаной среде при нелинейном взаимодействии поверхностных волн разного масштаба// Проблемы транспорта наносов в береговой зоне моря. Изд-во Тбилисского ун-та, 1983, с 44-46 (соавтор Л.А.Ещенко).

6. Волновые процессы на отмелых побережьях и их роль в образовании аккумулятивных донных форм// Теоретические проблемы развития морских берегов. М.: Наука, 1989, с.11-17 (соавтор Л.А.Ещенко).

7. Морфогенетическая роль волн захваченного типа// Экзогенный морфогенез в различных типах природной среды. М.: Изд-во Моск.ун-та, 1990, с.24-26. (соавтор Л.А.Ещенко).

8. О рельефообразующей роли шельфовых волн// Каспийское море. Вопросы геологии и геоморфологии. М.: Наука,1990, с.87-96 (соавтор Л.А.Ещенко).

9. О причинах вариаций межгодовой активности динамики береговой зоны// Эволюция берегов в условиях поднятия уровня океана. М., 1992, с.57-69 (соавтор Л.А.Ещенко).

10. Волновые процессы/ Раздел в монографическом сборнике "Каспийское море.Гидрология устьев рек Терека и Сулака"/ М.: Наука, 1993, с.45-47.(соавтор Л.А.Ещенко)

11.Низкочастотные волновые движения и их связь с рельефом мелководий // Геоморфология, 1994, N 3. (в печати) (соавтор Л.А.Ещенко).

Подписано к печати -К.Заказ Зс Объем 1, 5 п.л. . Формат 60x84 1/16 Тираж /сс

Ротапринт ВНИРО. 107140, Москва, В.Красносельская,17