Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Волновые процессы в прибрежной зоне залива Петра Великого (Японское море), их оценка и значение для решения вопросов рационального природопользования и охраны природы

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Волновые процессы в прибрежной зоне залива Петра Великого (Японское море), их оценка и значение для решения вопросов рационального природопользования и охраны природы"

РГ6 ОА

лит 1О0К российская академия наук - о 01\ i '^"дальневосточное отделение

тихоокеанский институт географии

на правах рукописи УДК 504.062 + 551.466.32

ДУБЕИКОВСКИИ Леонид Викторович

ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЕ ЗАЛИВА ПЕТРА ВЕЛИКОГО (ЯПОНСКОЕ МОРЕ), ИХ ОЦЕНКА И ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ВОПРОСОВ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ И ОХРАНЫ ПРИРОДЫ.

11.00.11 — охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

ВЛАДИВОСТОК 1996

Работа выполнена в Тихоокеанском институте географии ДВО РАН

Научный руководитель: доктор геолого — минералогических наук Б.В.Преображенский.

Официальные оппоненты: доктор географических наук А.М.Короткий кандидат географических наук С.В.Гладышев

Ведущая организация: Береговой исследовательский центр ДВГУ

Защита состоится 27 сентября 1996 г. в 10 часов на заседании Диссертационного Совета Д 200.24.01 при Тихоокеанском институте географии ДВО РАН по адресу: 690041, Владивосток, ул.Радио, д.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тихоокеанского института географии ДВО РАН.

Автореферат разослан ¿¿¿луЗ'Ч___1996 г.

Ученый секретарь дисс^отадаон^гаксовета кандидат географических наук \У ' ' Г.П.Скрыльник.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Залив Петра Великого Японского моря является одной из.наиболее перспективных в хозяйственном отношении прибрежных акваторий России. В условиях интенсификации хозяйственной деятельности в этом районе, вовлечения в нее все больших пространств и расширения диапазона используемых естественных ресурсов наиболее актуальными становятся задачи рационализации системы природо — пользования и охраны природы на акватории и ее берегах. Особенно это касается прибрежной зоны, здесь влияние антропогенного фактора становится все шире из —за доступности этой части залива при современном уровне развития техники. Сочетание усиливающегося воздействия со стороны человека на морские экосистемы прибрежной зоны залива и их огромной значимости для всего прилегающего шельфа обостряет проблему рационального использования ресурсов залива и охраны его природного потенциала. Решение этой проблемы должно основываться на глубоких и объективных знаниях о функционировании, динамике природных систем этой акватории, взаимосвязях и взаимодействии их элементов и сущности естественных . процессов, лежащих в их основе.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Основная цель исследования состояла в изучении воздействия морского волнения на функционирование и пространственную структуру донных ландшафтов прибрежной зоны залива Петра Великого для выработки стратегии рационального использования природных ресурсов этой прибрежной акватории. В контексте этого было предусмотрено решение следующих задач: 1 — разработка методики количественной о — ценки волновой динамики на прибрежных участках и использование ее в применении к рассматриваемой акватории; 2 — изучение пространственной структуры и закономерностей функционирования подводных геосистем в зависимости от вол — нодинамических условий; 3 — применение полученных результатов для решения проблем геоэкологии береговой зоны и рационализации хозяйственной деятельности на акватории за — лива Петра Великого.

ИСХОДНЫЙ ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Все материалы полевых наблюдений были получены автором в ходе морских экспедиций Лаборатории морских ландшафтов ТИГ ДВО РАН на акватории залива Петра Великого в рамках выполнения работ по академической тема —

тике и хоздоговоров с различными оранизациями. В работе использовались также материалы гидрометеорологических наблюдений, проводимых Приморским управлением Гидрометслужбы, и среднемноголетние данные, опубликованные в печати. Подробные описания использованных материалов и методик приводятся в каждом разделе данной работы.

В работе, наряду с собственными данными, использовались фондовые материалы Лаборатории морских ландшафтов ТИГ ДВО РАН, а также опубликованные результаты исследований Лаборатории геоэкологии Берегового исследовательского центра ДВГУ и Лаборатории литологии Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Впервые получена полная и довольно подробная волноэнергетическая характеристика прибрежных акваторий залива Петра Великого. Была разработана совместно с Р.И.Гареевым новая волновая модель ЯЕРЯАК для оценки волнодинамических процессов, происходящих в геосистемах прибрежной зоны, и показана эффективность ее использования. Выявлена зависимость структуры донных ландшафтов от вол — нединамического фактора. Полученные материалы позволили разработать методику оценки изменений, вносимых антропогенной деятельностью в природные системы залива Петра Великого.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Работа выполнена в рамках темы ТИГ ДВО РАН "Исследование структуры и функционирования морских ландшафтов и островных экосистем с целыо определения пугей и форм их рационального использования", Проекта N 7 МАБ ЮНЕСКО "Человек и биосфера", программ "Мировой океан" и "Научные основы эколого —географической экспертизы народно — хозяйственных проектов освоения береговой зоны моря". На основе полученных результатов разработана методика оценки потока механической энергии, переносимой волнами на прибрежные акватории, и обусловленной ими динамической нагрузки на донные геосистемы прибрежной зоны залива Петра Великого.

Результаты исследований будут полезны для организации эффективной хозяйственной деятельности на побережье и в водах залива, а также могут послужить научной основой рационального использования ресурсов этой акватории и охраны ее уникальных природных комплексов.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

1. Изученные закономерности дифференциации прибрежной зоны залива Петра Великого по волнодинамической активности позволяют использовать их в качестве методической основы средне— и мелкомасштабного картирования донных ландшафтов прибрежных вод.

2. Установлена специфика процессов трансформации волнения в приурезовой полосе, вызывающая изменение пространственной структуры ландшафтных полей: линейное, субпарал — лельное изобатам распределение ландшафтов сменяется мозаичным.

3. Предлагаемые расчеты изменения волновой динамики позволяют оценивать и прогнозировать нарушения в структуре донных ландшафтов прибрежного мелководья и подтверждаются практикой гидротехнического строительства.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения данной работы обсуждались на конференции молодых ученых ТИГ ДВНЦ АН СССР в 1988г., на секции Ученого совета ТИГ ДВО АН СССР в 1989г., на IY Всесоюзной конференции по географии Мирового океана (Калининград, 1989), на Юбилейной научной конференции, посвященной 150 —летию Русского Географического Общества (Владивосток, 1995), на секции Ученого совета ТИГ ДВО РАН в 1996г. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений, изложенных на 150 страницах машинописного текста, иллюстрирована таблицами и рисунками. Список литературы содержит 96 наименований, из них отечественные — 59.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ. ВВЕДЕНИЕ.

Обосновываются актуальность, научная новизна, практическая значимость диссертации, характеризуется цель работы. ГЛАВА 1. ОБЗОР ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

В главе кратко изложены основные результаты отечественных и зарубежных исследований, посвященных вопросам оценки волновой динамики на прибрежных акваториях, ее отражению на характеристиках донных ландшафтов и проблемам рационального природопользования в береговой зоне. ГЛАВА 2. ВОЛНОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИБРЕЖНЫХ АКВАТОРИЙ ЗАЛИВА ПЕТРА ВЕЛИКОГО.

2.1. Методика и материалы. Для условий местного ветрового волнения вычисления волновых характеристик проводились на основе эмпирических соотношений, полученных по программе JONSWAP. В основу расчетов, была положена методика, предложенная для аналогичных вычислений M.Donelan (Bishop, Donelan, 1989). Для оценки энергетического потока использовалось выражение:

Р = 6.35-10"6t/7/3/4/3

где U— скорость ветра (м/с) на высоте 10м над уровнем моря, а 1 — длина разгона волнения (м). При значительном угловом отклонении последнего от формирующего его ветра, что часто наблюдается на акваториях с изрезанной береговой линией, соответствующее выражение преобразовывалось в следующий вид:

Р = 6.35-lO'6(I/-cos0)7/3/4/3,

где 8 —угол отклонения волн от направления ветра. Полученные значения перемножались с величинами повторяемости, соответствующими направлению и скорости ветра, и суммировались для оценки годового потока волновой энергии.

Для характеристики волнения открытого моря использовались результаты инструментальных наблюдений за волнением, проводившихся с 1954г. по 1962г. гидрометеостанцией на о.Большой Пелис. Расчет потока волновой энергии проводился в соответствии с выражением, предложенным автором специально для волноэнергетических вычислений в прибрежной зоне залива Петра Великого:

P = 292#„a6.27U. где Ннаб и Гнаб — высота и период волнения по данным волновых наблюдений.

Полученные значения, сгруппированные по направлениям, обрабатывались как случайные величины и с учетом повторяемости характеризовали величину волноэнергетического потока, распространяющегося из открытого моря.

Участки, для которых проводились расчеты, располагались равномерно вдоль побережья залива Петра Великого на глубинах 20м в открытых частях прибрежной зоны залива и 10м на закрытых акваториях. Общее количество расчетных участков составило 28 (рис.1).

2.2. Волноэнергетическая характеристика прибрежной зоны залива Петра Великого. По данным, полученным на ГМС о.Большой Пелис, средняя мощность волнения в открытой части за —

- 4 -

СЛ

I

№ У-¡-в, »

.аячь-й;'1>»в

Г ' «Г** &о!>усский А

Стрелок Вост<ж' оЛскольд ( —аализ'

Яаходк<23/

Участки волновых расчетов | | Приосгровкые акватории

| ] Прибрежье полуостровов '-' и открытого побережья

| | Прибрежье заливов и бухт Внутренние акватории Закрытые акватории

Рис.1 Карта-схема классификации прибрежной зоны залива Петра Великого.

лива Петра Великого составляет 718 Вт/м, что в пересчете в суммарный поток волновой энергии за год соответствует 13.18х109Дж/м. Как наиболее штормовой период выделяется вторая половина года (с августа по декабрь). В течение этих месяцев поступление волновой энергии составляет около 58% от суммарного годового потока. Более трети энергопотока (37.7%) переносится штормовыми волнами, мощность которых превышает 3000 Вт/м, при обеспеченности соответствующего волнения не более 4.0%. Наиболее энергонагруженными направлениями являются северо-западное, северное, юго-восточное и южное.

Величины волнового потока энергии на различных участках прибрежной зоны залива приведены в таблице 1. На основе анализа ее данных и общей морфологии побережья прибрежная зона залива Петра Великого была подразделена по степени подверженности морскому волнению на следующие участки:

1) Участки с высокой волновой активностью, расположенные около островов, далеко отстоящих от основной береговой линии залива. К ним также относится акватория вблизи значительно выступающего в южном направлении полуострова Гамова. Поток волновой энергии к этим участкам прибрежной зоны залива Петра Великого составляет за год более 8.5х109Дж/м, наибольшая интенсивность волнения наблюдается у о.Большой Полис.

2) Следующие районы залива, волновая активность на которых была охарактеризована как повышенная, — это акватории, прилегающие к мысам Поворотный, Сысоева, Лихачева и Клер — ка, а также островам Трамбецкого и Лисий. Здесь поток волновой энергии составляет за год от 6.0х109Дж/м до 8.0 — 8.5х109Дж/м. Все эти районы — это или полуострова, выступающие в открытое море, но частично прикрытые от некоторых наиболее штормовых румбов соседними участками берега, или это острова, недалеко отстоящие от основного побережья. К этим же районам относятся акватории, расположенные вдоль относительно выровненных участков открытого побережья (вблизи устья реки Туманган и от полуострова Гамова до полуострова Брюса).

3) Участки залива с пониженной волновой активностью, на которые за год поступает от 3.0 — 3.5 х109 до 5.0 — 5.5 х109 Дж/м. Они расположены, главным образом, у выходов или в средних частях заливов и бухт 2 —го порядка (заливов Посьета, Амур —

- 6 -

ский, Уссурийский, Восток, Находка и Стрелок).

Таблица 1

Величины средних потоков волновой энергии за год, в 109 Дж/м *

№ Участки залива Петра Великого Направления волнения С СВ В ЮВ Ю ЮЗ 3 СЗ Сумма

1 б.Средняя 0.25 1.95 2.20

2 м.Асгафьева 0.13 0.73 1.42 0.03 2.31

3 б. Врангель 0.16 1.52 0.03 0.63 2.34

4 м.Фирсова 1.10 0.03 0.32 0.35 0.06 0.57 2.43

5 з. Стрелок 1.96 0.32 0.16 2.44

6 м.Красный 0.63 0.66 0.76 0.06 0.44 2.55

7 м. Песчаный 0.85 0.03 0.63 0.95 0.16 2.62

8 б.Миноносок 0.47 1.96 0.41 2.84

9 м.Токаревский 2.30 0.09 0.54 2.93

10 б.Алексеева 2.21 0.22 0.06 0.50 2.99

11 м.Ломоносова 0.66 0.13 0.03 0.85 1.58 0.06 3.31

12 м.Зеленый 0.03 1.51 1.95 0.16 3.65

13 з.Китовый 1.96 1.95 0.16 4.07

14 з.Восток 0.60 1.95 1.52 0.06 0.19 4.32

15 м.Брюса 0.44 0.13 0.06 1.96 1.95 0.28 4.82

16 о.Скрыплева 0.54 0.09 0.06 1.96 1.95 0.35 4.95

17 м.Лифляндский 2.24 0.98 1.01 0.09 0.95 5.27

18 м.Клерка 0.47 0.03 1.41 1.96 1.95 0.16 0.03 6.01

19 о.Лисий 0.57 1.96 1.95 1.52 0.06 6.06

20 о.Трамбецкого 0.03 1.96 1.95 1.52 0.03 0.57 6.06

21 м.Лихачева 0.03 1.96 1.95 1.52 0.28 1.33 7.07

22 м.Сысоева 1.96 1.95 1.52 0.32 2.27 8.02

23 м.Поворотный 1.41 1.96 1.95 1.52 0.63 0.76 8.23

24 о.Фуругельма 1.83 0.16 1.41 1.96 1.95 0.85 0.57 8.73

25 о.Циволько 2.78 0.95 1.96 1.95 0.60 0.19 0.57 9.00

26 м.Гамова 1.80 0.69 1.41 1.96 1.95 1.52 0.32 9.65

27 о.Аскольд 3.76 0.03 1.96 1.95 1.52 0.50 2.49 12.21

28 о. Б.Пелис 2.08 1.28 1.41 1.96 1.95 1.52 0.82 2.16 13.18

* Пустые клетки в таблице соответствуют величинам, меньшим

О.ОЗхЮ9 Дж/м

4) Все остальные районы со средними величинами волно — вого потока энергии, составляющими за год менее 3.Ох 109Дж/м,

- 7 -

относятся к прибрежным участкам с низкой волновой активностью и расположены вблизи вершинных и кутовых частей заливов 2 —го порядка.

2.3. Классификация прибрежных акваторий залива Петра Великого. Роль волновой динамики по сравнению с гидродинамическими процессами другой природы наиболее значительна в прибрежной полосе залива, располагающейся до глубин 15 — 20м. Волнение является одним из ведущих ландшафтоформи— рующих процессов в донных геосистемах залива, и величина потока волновой энергии определяет, во многом, интенсивность процессов, обеспечивающих функционирование природных систем верхней части шельфа и их динамику.

Сравнительный анализ величин волноэнергетического потока и механического состава донных осадков, определенного по материалам Ю.Д.Маркова (1983) для расчетных участков прибрежной зоны залива Петра Великого, свидетельствует о том, что по мере увеличения общего волнового энергетического потока имеет место погрубение преобладающих фракций. Если в донных осадках кутовых частей заливов и бухт, характеризуемых наименьшей волновой активностью, преобладают пелиты и алевриты, то участки дна, прилегающие к наиболее энергона — груженным мысам и островам, сложены песками, часто относящимися к крупнозернистой фракции.

Характеристики субстрата являются важнейшими параметрами, определяющими структуру донных биоценозов. Неподвижный субстрат (скальные выходы, крупные глыбы и валуны ) обуславливает увеличение доли в донных сообществах представителей флоры и фауны, прикрепляющихся к поверхности субстрата (водоросли, губки, асцидии, актинии, усоногие раки, некоторые виды полихет, прикрепляющиеся двустворчатые моллюски и др.). Биоценозы мелкозернистых грунтов (песок и илы) характеризуются преобладанием животных, зарывающихся в грунт, или эндобионтов (двустворки, полихеты, ежи и т.д.), и укореняющихся растений (морские травы). Кроме того, на мелкозернистых осадках по мере увеличения их дисперсности в общей биомассе бентоса значительно увеличивается доля дет — ритофагов (Кузнецов, 1980).

Все это позволило автору предложить собственную ландшафтную классификацию прибрежных акваторий залива, где каждому типу соответствовали определенные группы фациаль — ных рядов, описанные И.С. Арзамасцевым и Б.В. Преображен —

- 8 -

ским (1990) для прибрежного шельфа Японского моря. В соответствии с предлагаемой классификацией в прибрежной зоне залива Петра Великого были выделены (рис.1):

1) "Приостровные акватории", расположенные, главным образом, около наиболее удаленных от основного побережья залива островов. Повышенная волновая динамика этих акваторий обусловлена незащищенностью их от штормовых волн, формирующихся в открытой части Японского моря, и удаленностью от основного побережья залива Петра Великого, что создает возможности для развития сильного местного штормового волнения при северных и северо-западных ветрах. При отсутствии значительных источников поступления терригенного материала и складывающемся в этих условиях дефиците наносов на побережье и в прибрежной полосе имеет место относительно слабое развитие форм аккумулятивного рельефа, и более широкое распространение получают абразионные и абразионно—денудационные берега. Осадки до глубин 15 — 20 метров представлены, в основном, грубозернистыми фракциями (песок, гравий и более крупные). Донные ландшафты на этих прибрежных акваториях относятся по типологии И.С.Арзамасцева и Б.В.Преоб —■ раженского к одной из групп фаций берегов открытого моря, мысов и наветренных сторон островов (Арзамасцев, Преображенский, 1990).

2) "Прибрежье полуостровов и окрытого побережья" отею — сится к следующему типу прибрежных акваторий залива Петра Великого, открытых для волн восточного и южного секторов, и характеризуется усилением волновой активности в теплый период года. Также, как и в первой группе акваторий, довольно высокая волновая динамика является основой развития береговых процессов. При относительно большом объеме аллювия, выносимого реками Туманган, Рязановка и Пойма, на их приустьевых участках получают развитие формы берегового рельефа аккумулятивного типа: косы, бары, подводные валы и др. На большей части остальных участков берега относятся к типу абразионных или абразионно—денудационных. На подводном береговом склоне данных акваторий расположение донных геосистем подчиняется последовательности фаций группы берегов открытого моря и мысов, а также группы мысов линейных берегов в волновой тени (Арзамасцев, Преображенский, 1990).

3) "Прибрежье заливов и бухт" относится к еще менее ак —

тивным в волновом отношении акваториям, расположенным на входах и в срединных частях всех заливов и бухт 2 — го порядка. Здесь при относительно большом количестве твердого речного стока получают довольно широкое распространение аккумулятивные берега. В осадках, примерно с глубин 10 метров, преобладают тонкодисперсные, илистые фракции. Последнее создает условия для появления новой по отношению к рассмотренным выше типам прибрежных участков залива трофической группировки детритофагов и распространения на этих глубинах соответствующих донных биоценозов. Фациальные ряды подводных береговых склонов на этих акваториях относятся по используемой здесь классификации ( Арзамасцев, Преображенский, 1990) к группе берегов риасовых бухт.

4) "Внутренние акватории" относятся к следующему типу прибрежных акваторий залива Петра Великого и расположены в вершинных и кутовых частях заливов и бухт. Редко проникающие с южных направлений штормы открытого моря и невысокая интенсивность из —за малых разгонов местного волнения объясняют относительно низкое поступление механической энергии в эти части залива, что обуславливает общий низкий уровень динамики абиотических процессов на данных акваториях. *

Большое количество органики, поступающей сюда со стоком рек, является основой для преобладания на рассматриваемых акваториях донных биоценозов, значительную часть биомассы которых составляют дегритофаги. Из —за незначительности изменений механического состава донных осадков вдоль подводного берегового склона и общего низкого уровня волновой динамики ландшафты данных участков представлены наборами из 3 — 4 фаций, относящимися к группе кутовых частей тихих бухт (Арзамасцев, Преображенский, 1990).

5) "Закрытые акватории" соединены с основной частью за — лива Петра Великого узкими входами или проливами и, таким образом, защищены от интенсивного волнения открытых вод залива. Волны, формируемые под действием ветра непосредственно на акваториях, относительно невелики. На этих участках прибрежной зоны залива происходит активное накопление подавляющей части твердого стока рек, впадающих в эти акватории. Морские ландшафты, в основном, аналогичны донным геосистемам внутренних акваторий.

- 10 -

ГЛАВА 3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЛНОДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ НА ДОННЫЕ ЛАНДШАФТЫ НА ПРИМЕРЕ ОДНОЙ ИЗ БУХТ ЗАЛИВА ПЕТРА ВЕЛИКОГО.

3.1. Материалы и методика. Для анализа зависимости характеристик донных подводных комплексов от интенсивности придонной волновой динамики были использованы материалы подводной ландшафтной съемки, проведенной Н.А.Ивановым, В.Г.Папуновым, С.Л.Чижовым, а также автором в 1990г. на акватории бухты Андреева (Уссурийский залив). В процессе этой работы было описано с использованием легководолазного снаряжения 40 точек и пройдено 12 подводных ландшафтных профилей. Для оценки волновой динамики на акватории использовалась расчетная методика, аналогичная описанной в главе 2 и основанная на результатах многолетних наблюдений за ветром на ГМС Владивосток.

Для характеристики придонной волнодинамической нагрузки использовалось выражение:

-—- I2,

L ТР sh(kh) J

в которое подставлялись значения Hs, высоты значительной волны, и Тр, периода максимума энергии в волновом спектре, полученные по расчетным формулам JONSWAP (Bishop, Donelan, 1989). Величины V Ср.кв-2 перемножались с повторяемостью соответствующих волновых характеристик и суммировались.

3.2. Опенка волновой динамики вод бухты Андреева. Исследуемая акватория относится к типу прибрежных зон заливов и бухт (см. главу 2). Суммарный годовой поток волновой энергии на входе в бухту составляет З.бх 109Дж/м. Волноэнергетическая дифференциация акватории определяется, главным образом, морфологическими особенностями побережья (рис.2). Рефракция не учитывалась, поскольку большинство точек, где проводились ландшафтные описания и волновые расчеты, расположено за пределами глубин трансформации преобладающего волнения (0 —5м).

Полученные значения волновой динамики у дна, выражаемые в м2/с2, характеризовались высоким контрастом. Величины, близкие к нулю, отмечались как на глубинах 15 — 20м на открытых участках акватории, так и на небольших глубинах, 4 — 5 м, но в районах, наиболее закрытых от волн. Максимальные величины были получены для наиболее открытых участков

- 11 -

N

камень Алеут

<о

£>2.94

О»

СЬдмлидимй

| кЩШЩ

ЩтШШш^ ■ |^

ъЖ'лУ'^'А'м/. 'улМ""' '

л

Рис.2 Распределение волновой активности в бухте Андреева. Числа соответствуют величинам потоков волновой энергии, в 10' Дж/м,за год.

бухты с наименьшими глубинами. Здесь величины волнодина — мической нагрузки превышали значение 2000х10~6 м2/с2. 3.3. Сравнительный анализ результатов волнодинамических расчетов и материалов описания лонных ландшафтов. Ниже, в таблице 2 представлена часть материалов этого исследования. Анализ ее свидетельствовует о снижении интенсивности волновой динамики с увеличением глубины. В этой закономерной тенденции имелись некоторые исключения. Например, на мелководье в юго-западной части бухты, где местное ветровое волнение ограничено малыми разгонами волн, величины волно — динамической нагрузки относятся к диапазону слабых воздействий. По таблице 2 также прослеживается погрубение гранулометрического состава донных отложений по мере увеличения волнодинамической нагрузки. Илистые осадки наблюдаются на волнодинамическом фоне, не превышающем по интенсивности 200 х10~6 м2/с2, при больших величинах — основной фракцией является песчаная, к которой на участках, подверженных волновому воздействию, большему значения 600x10"® м2/с2, примешиваются более грубозернистые отложения.

Таблица 2

Волнодинамическая нагрузка у дна и характеристики донных геосистем.*

1 2 3 4 5 6 7

В.нагр. Глубина, Грунт Мидия Гребешок Водоросли Зостера

10"6м2/с2 м друзы ОДИНОЧ11.

2 14 ил 1 1

2 14 м.з.п. 0.6

4 5 ил + рак. + 0.5

8 12 м.з.п. 0.6 +

23 11 ил 7 - 10 +

23 11 ил 1 + ламин.

23 15 ил + м.з.п. 3 - 5 +

23 15 скальп. 2 - 3

24 11 ил 30 - 50

27 9 ил 20 +

27 9 ил + м.з.п. 0.2 ламин.

27 9 ил + песч. 0.5 + ламин.

38 10 ил + рак. 7 - 10 ламин.

38 10 ил + песч. 10 - 15

51 13 ил + песч. 0.2 0.2 ламин.

53 8 ил + песч. 0.3 пучки

1 2 3 4 5 6 7

57 8 ил 5 +

57 8 ил . + 0.2

72 9 ил 7 0.3

74 9 ил 15 - 20 лам+саргас

142 8 ил 15 - 20 +

146 10 ил + песч. + 0.3 ламин.

171 10 ил + песч. 3 1

171 10 грав.+ вал. 5 0.1

237 6 ил + М.З.П. 0.3 50%

237 6 песч.+ вал. 15 0.2 ульва

237 6 песч. 1 +

271 7 ил + песч. + 0.3 куртины

390 6 песч.+ скал. 2 - 3 0.1

390 6 ил + песч. 5 0.3 •

458 5 песч.+ рак. + 0.2 50%

500 5 пссч.+ рак. 50

652 6 песч.+ грав. 10 - 15 +

675 6 песч.+ грав. 15 10%

858 4 песч.+ грав. 20 + 10%

920 5 песч.+ рак. 10 0.2

1014 4 песч.+ ил 4 - 5 40%

1218 4 грав. + ил 20

1341 5 вал.+ скал. 100

2013 5 вал. 1 - 2

2013 5 скал. 5 - 6

2013 5 скал. 2 - 3

26292. 1.5 вал. 50

"В разделе 3, соответствующем описанию грунтов, приняты следующие сокращения: м.з.п. — мелкозернистый песок, рак. — ракуша, песч. — песчаные фракции, грав. — гравий, вал. — валунник и скал. — выходы скального монолита. В графах таблицы 4 и 5, характеризующих наличие моллюсков, численные значения соответствуют плотности их распределения на 1м2, символ " + " свидетельствует об их наличии на исследуемом участке. Величины в процентах (графа 7) характеризуют плотность относительного проективного покрытия дна морскими травами.

Анализ разделов таблицы 2, касающихся биотических компонентов донных ландшафтов, также позволил сделать некоторые заключения. Например, в распределении двустворчатых моллюсков из семейства митилид была отмечена смена типа

расселения. Если в динамическом диапазоне до 80 — 100 х10-6 м2/с2 эти двустворки отмечались, главным образом, в виде плотных скоплений, или друз, то на участках с более высокой придонной волновой динамикой для них было более характерно одиночное расселение. Из других представителей класса Bivalvia гребешок приморский Patinopecten yessoensis наиболее часто отмечался на глубинах, меньших 8 — 10 м, где волнодинамиче— екая нагрузка превышала 50—100 х10~6 м2/с2. Касаясь основных макрофитов, наиболее четко выявился характер распределения водорослей Laminaria, Sargassum и морской травы Zostera на рыхлых грунтах. Если Laminaria и Sargassum наблюдались почти на всем диапазоне динамической нагрузки, характерной для участков дна с илистыми осадками, от 0 до 150 х10_6 м2/с2, то зостера отмечалась в относительно плотных скоплениях лишь на песчаных грунтах при величине волнодинамической нагрузки, большей 150 — 200 х10~6 м2/с2.

ГЛАВА 4. ПРОЦЕССЫ ТРАНСФОРМАЦИИ ВОЛНЕНИЯ В ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЕ И ИХ ОТРАЖЕНИЕ НА РАЗЛИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ.

4.1. Краткое описание волновой модели REFRAK. К наиболее' выраженным и наиболее доступным для анализа и последующего моделирования относятся три механизма трансформации морских волн в прибрежной зоне: деформации, рефракции и процесс диссипации волновой энергии трением водных частиц о дно. Все они были положены в основу разработанной автором совместно с Р.И.Гареевым волновой модели REFRAK. Остальные трансформационные процессы учитывались лишь качественно или на уровне сравнительных оценок. Расчеты велись до внешней границы прибойной зоны. Наиболее эффективно применение модели для небольших по протяженности (несколько километров) участков прибрежной зоны, характеризующихся невысокой интенсивностью поверхностных течений.

4.2. Характеристика акватории и метолика расчетов. Дается описание модельной акватории, бухты Пограничной (о.Попова), для которой была построена сетка глубин. Расчеты велись для волн, распространяющихся на акваторию бухты с joro —востока, период которых составлял: 5.3, 8.0 и 12.0 секунд, причем для последних они проводились с учетом донного трения и без него.

4.3. Процессы трансформации волнения в прибрежной зоне б.Пограничная и их отражение на характеристиках природных систем. Из полученных планов рефракции, один из которых

- 15 -

приведен на рис.3, отчетливо вырисовывается следующая схема распределения волновой активности на акватории бухты: слабое волнение на краевых участках (/Среф = 0.4 —0.8) и повышенная волновая динамика (Креф = 0.9 —1.1) в центральной части бухты. Потери волновой энергии, связанные с донным трением, относительно невелики и не превышают 10%.

По результатам полевых исследований 1987 и 1995г. на краевых участках бухты наблюдалось заметное повышение содержания в донных осадках илистых частиц и увеличение проективного покрытия дна морскими травами из семейства 2ов1егасеае. Там оно составляло на 5 — 6м, глубинах наиболее плотного расселения, 70 — 80%, а в центральной части прибрежной полосы бухты эти величины не превышали 50% (рис.3). Минимальные глубины распространения этих трав составляли 2 — 4м и обусловлены значительным увеличением частоты разрушения ветровых волн на этих глубинах и высокой подвижностью осадков. При катастрофических по силе штормах полное уничтожение полей трав Zostera возможно при распространении прибойной зоны на глубины более 5 — 6м, но вероятность этого в краевых частях бухты из —за процесса рефракции намного ниже, чем на центральных участках. Последнее объясняет более частое обнаружение морских трав в краевых частях бухт, где обычно наблюдается дивергенция волновых лучей.

Другим проявлением трансформационных волновых процессов является усиление абразии берегов на боковых склонах полуостровов или мысов открытого побережья залива Петра Великого. Это связано с тем, что волнение испытывает рефракционное усиление над прибрежными участками, характеризующимися вдольбереговым изменением уклона дна. В то же время у оконечностей мысов динамическое воздействие волн значительно снижено из —за их отражения от крутых подводных откосов, расположенных в основании мысов. Более интенсивная абразия и развитие денудационных процессов на боковых склонах полуостровов ведут к постепенному отчленению их от основного побережья.

4.4. Значение волновых трансформационных процессов для ландшафтной структуры подводного склона. Фитоценозы ¿оя/ега имеют большое значение для донных сообществ, расположенных ниже по подводному склону, как поставщики органики, и их гибель при сильных катастрофических штормах может при — вести к существенным структурным изменениям всех донных

- 16 -

- основные скопления Zosteгa.

Числа - значения коэффицинетов рефракции.

Рис.3 Рефракция волнения и размещение полей морских трав на акватории 6. Пограничная.

биоценозов данной акватории. Ранее было показано,- что наиболее стабильными являются поля этих растений, которые размещаются в пределах бухты Пограничная и аналогичных ей акваторий на окраинных частях, в зонах рефракционного ослабления (дивергенции) волнения.

Судя по описанной выше ситуации в б.Пограничная и данным Ю.Е.Петрова (1974а), на прибрежных акваториях залива Петра Великого выделяется полоса мелководья, чьи характеристики во многом определяются процессами, сопровождающими относительно частое разрушение морских волн. В пределах этой полосы на неподвижном субстрате наблюдаются наиболее плотные скопления водорослей (Петров, 1974а). В то же время на рыхлых грунтах высокая подвижность осадков, главным образом, песков разных фракций, полностью исключает возможность расселения макрофитов, как водорослей, так и цветковых растений. Ширина этой полосы определяется активностью волнения на прибрежной акватории и закономерностями процессов волновой трансформации. В прибрежной зоне бухты Погранич — ная она располагается до глубин, где начинается разрушение штормовых волн, наблюдаемых за год 3 — 5 раз, и, в зависимости от конкретного участка прибрежья, они меняются от 2 до 4 метров. •

Характер распределения морских трав в бухте Пограничная свидетельствует о том, что в пределах мелководной полосы, морская граница которой соответствует линии начала разрушения редких штормовых волн, пространственная структура ландшафтных полей приобретает мозаичный характер. Это становится возможным при условии, что параметр глубины перестает быть основным фактором волнодинамической дифференциации, как наблюдалось для большей части акватории бухты Андреева. По всей видимости, в пределах этой мелководной полосы основными дифференцирующими факто — рами становятся такие процессы, как волновая рефракция, а также возникновение зон волновой тени за различными препятствиями (полуостровами, мысами, отмелями и т.д.).

ГЛАВА 5. РОЛЬ ВОЛНОВОГО ФАКТОРА В МОРСКИХ ЛАНДШАФТАХ И ЗНАЧЕНИЕ ЕГО ОЦЕНКИ ДЛЯ ВОПРОСОВ РАЦИОНАЛЬНОГО ОСВОЕНИЯ И ОХРАНЫ ПРИРОДЫ ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЫ ЗАЛИВА ПЕТРА ВЕЛИКОГО.

5.1. Значение оценки волновой динамики для рационализации системы природопользования в прибрежных волах залива. В

- 18 -

масштабах акватории залива Петра Великого пока можно говорить лишь об учете сложившегося естественного распределения волновой динамики для наиболее эффективного выполнения задач, преследуемых тем или иным видом антропогенной деятельности. Влияние на нее волнения может осуществляться как в качестве непосредственного динамического воздействия волн на различные технические комплексы или объекты (суда, якорные системы, гидротехнические сооружения и др.), гак и в виде косвенного — через другие динамические процессы морских геосистем прибрежного шельфа (движение донных осадков, циркуляцию прибрежных вод и др.).

Одной из актуальнейших проблем береговой зоны залива Петра Великого является проблема загрязнения прибрежных под коммунально —бытовыми стоками и промышленными отходами. Так как наиболее часто загрязнители ассоциированны с тонко — дисперсным материалом, то динамика последнего, во многом связанная с волновыми процессами, определяет санитарное состояние и качество морских прибрежных вод. Оседание взвеси становится механизмом выведения антропогенных загрязнителей из вышележащей водной массы и является одним из процессов самоочищения вод.

На акваториях с повышенной интенсивностью волновой динамики этого не происходит, так как после осаждения загрязненного твердого вещества велика вероятность последующего взмучивания осадка и повторного загрязнения вышележащей водной толщи. Особенно это опасно для случаев с гонкодис — персным материалом, обогащенным радионуклидами, поскольку донный ил, характеризующийся повышенной радиоактивностью, может быть снова переведен во взвешенное состояние при сильных штормах, а затем быть включенным в систему прибрежной циркуляции и оказаться вынесенным к поверхности.

Для случая сброса сточных вод в прибрежные воды залива описанный процесс выполняет позитивную задачу, являясь механизмом, препятствующим локализации загрязняющих веществ на отдельном участке акватории, и таким образом, снижая концентрацию загрязнителя, уменьшает уровень антропогенного воздействия на донные сообщества. Поэтому повышение общей энергетики волнения на прибрежных участках, приводя к усилению интенсивности водообменных процессов, способствует более эффективному самоочищению прибрежных вод залива. 5.2. Методика оценки последствий хозяйственной леятельности

- 19 -

в прибрежной зоне залива Петра Великого. Более глубокие знания природы волновых процессов и их роли в динамике морских ландшафтов требуются для оценки хозяйственной деятельности в береговой зоне, которая ведет к изменению волно — динамических параметров акватории. Пока масштабы ее ограничены небольшими фрагментами береговой зоны залива протяженностью несколько сотен метров. Но нарушение сложившегося естественного баланса даже в этих размерах может принести значительный материальный ущерб и часто приводит к глубоким изменениям в морских экосистемах.

В качестве иллюстрации негативных последствий антропогенной деятельности в береговой зоне залива приведен пример строительства причала в юго-восточной части бухты Андреева. Возведение дачного гидротехнического сооружения привело к перестройке вдольбереговых потоков наносов и интенсификации процессов размыва на отдельных береговых участках.

Для волновых расчетов были выбраны три участка, расположенные на различном удалении от построенного причала. На каждом по соотношениям ЛСМБШАР определялись волновые параметры при преобладающих С и СЗ ветрах с учетом процессов рефракции и деформации. По ним рассчитывались суммарный поток волновой энергии и динамическая нагрузка на дно (гл. 2, 3) для трех разных вариантов: до и после строительства причала, н также с учетом изменения морфологии дна акватории после дноуглубительных работ.

Волновая динамика в искусственно созданной зоне волновой тени (участок 1) понизилась по отношению к естественному уровню почти на два порядка, причиной чему послужили как само строительство причала, так и проводимые дноуглубительные работы. Следствием этого явилось заиление участка и значительное ухудшение санитарного состояния вод. На участках 2 и 3 снижение волновой динамики было не столь значительным, но интересно то, что на самом удаленном из них (участок 3) оно составило большую величину (почти 40%) и было вызвано изменением глубин акватории после дноуглубительных работ. Полученные расчетные значения являются именно тем материалом, на который должен опираться прогноз динамики прибрежно — морских геосистем в условиях антропогенного вмешательства. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В ходе выполнения диссертации были разработаны методики вычисления величины волнового потока энергии в прибрежную

- 20 -

зону морей и оценки волнодинамическои нагрузки на донные геосистемы, которые были применены для акватории залива Петра Великого и входящих в его состав бухт (б.Андреева и б.Пограничная).

Для оценки трансформации волнения в прибрежной зоне автором была предложена созданная им совместно с Р.И.Гарее — вым волновая модель РЕРЯАК, которая широко использовалась для анализа естественной волнодинамической ситуации и изменения ее при проведении хозяйственной деятельности.

В рассматриваемой работе была продемонстрирована количественная связь абиотических и биотических элементов при— брежно —морских геосистем с динамикой волнения, также была показана зависимость пространственной структуры ландшафтных полей от интегральных волнодинамических параметров акваторий.

Основные выводы работы сводятся к следующему:

1. Выделенные пять типов прибрежных акваторий залива Петра Великого характеризуются следующими величинами годового потока волновой энергии:

— приостровные акватории > 8.5 хЮ9 Дж/м,

— прибрежье полуостровов

и открытого побережья 6.0 — 8.5 х109 Дж/м,

— прибрежье заливов и бухт 3.0 — 5.5 хЮ9 Дж/м,

— внутренние акватории < 3.0 хЮ9 Дж/м,

— закрытые акватории < 3.0 х109Дж/м.

2. Дальнейшая дифференциация прибрежных акваторий определяется мелкомасштабной морфологией берегов (наличие небольших бухт и заливов, полуостровов, островов, отмелей, подводных гряд и т.д.). На пространственной ландшафтной структуре подводного берегового склона сказываются, процессы волновой трансформации и глубина, которые определяют вол — нодинамические характеристики у дна.

Наиболее велики различия в волновой динамике у дна, определяемые глубиной. Это находит выражение в преобладании вдольбереговой ориентации ландшафтных полей. Но в мелководной полосе, прилегающей к береговой линии, в результате проявления процессов волновой трансформации наблюдается нарушение этой закономерности, и пространственная структура донных ландшафтов перестраивается, приобретая мозаичный характер.

3. На основе предложенной методики сделана оценка изме —

- 21 -

нения волновой активности на одном из участков прибрежной зоны залива Петра Великого после строительства причала .и дноуглубительных работ. Для рассмотренного случая снижение составило значительную величину (до 98%) и вызвало серьезные нарушения в динамике и структуре прибрежно —морских геосистем.

Полученные результаты и разработанные методики могут стать важным инструментом для проведения экологических экспертиз различных проектов освоения прибрежной зоны залива Петра Великого еще на стадии их разработки.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Трансформация волновой энергии в морских ландшафтах прибрежной зоны //География Мирового океана на службе рационального использования морских ресурсов (Тез. докл. IY Всесоюзн. конф. по географии Мирового океана, Калиниград, сентябрь 1989). Ленинград, 1989. С. 136.

2. Wave transformation in the Zaliv Petra Velyikovo Bay (Sea of Japan) //J. Waterway, Port, Coastal and Ocen Eng. (в печати).

3. Роль оценки динамики вод для решения проблем охраны природы и рационального использования ресурсов прибрежной зоны шельфа // Тез. докл. научн. конф., поев. 150 —летию Русского Географического Общества. Владивосток, 1995 (в печати).

4. Методика оценки природно —ресурсного потенциала лагун Приморья (на примере лагуны Лебяжья) // Тез. докл. научн. конф., поев. 150 —летию Русского Географического Общества. Владивосток, 1995 (в печати). Соавтор —Жариков В.В.

5. Энергетическая оценка волнения в прибрежной зоне залива Петра Великого / РАН. Дальневост. отделение. Тихоокеан. ин —т географии. Владивосток, 1996. 15с. Деп. в ВИНИТИ 26.06.96, № 2105-В96.

6. К вопросу о выполнимости классической схемы рефракции морского волнения на акватории залива Петра Великого / РАН. Дальневост. отделение. Тихоокеан. ин —т географии. Владивосток, 1996. 20с. Деп. в ВИНИТИ 26.06.96, № 2106-В96.

7. Процессы волновой трансформации и их выражение в динамике берегов залива Петра Великого // Вестник ДВО РАН. N3. 1996. С.47 - 52.

Леонид Викторович ДУБЕЙКОВСКИЙ

ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЕ ЗАЛИВА ПЕТРА ВЕЛИКОГО (ЯПОНСКОЕ МОРЕ), ИХ ОЦЕНКА И ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ВОПРОСОВ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ И ОХРАНЫ ПРИРОДЫ

Автореферат

Лицензия ЛР №040118 от 15.10.91г. Формат 60x84/16. Подписано к печати 25.06.1996г. Печать офсетная. Усл. п. л. 1,562. Уч. —изд. л. 1,5. Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии издательства "Дальнаука" ДВО РАН 690041, г.Владивосток, ул.Радио, д.7