авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |

Моделирование и прогноз динамики льдистых берегов восточных арктических морей россии

-- [ Страница 2 ] --

Практическое значение работы. Развивается новое направление динамической геокриологии в области исследований береговых криогенных процессов – многофакторное математическое моделирование и прогнозирование динамики льдистых морских берегов в изменяющихся природных условиях. Исследования в рамках этой диссертации придают рассматриваемой проблеме завершенность в виде научно обоснованного количественного прогноза, который можно использовать для целей рационального природопользования, навигационного обеспечения и контроля за инженерно-техническими сооружениями и коммуникациями на побережье, а также для выработки практических решений по социально-экономическим проблемам Арктики.

Структура диссертационной работы. Диссертация включает введение, 7 глав, заключение, список использованной литературы и приложение. Содержит 231 страницу, в том числе 62 иллюстрации, 24 таблицы, 1 приложение и список литературы из 200 наименований.

В главе 1 "Изученность и обзор существующих методов” рассматривается изученность динамики берегов восточных арктических морей России. Проанализированы существующие методы прогноза развития берегов морей и больших водохранилищ в криолитозоне и вне криолитозоны. Оценены возможности применения этих методов для прогнозирования динамики льдистых морских берегов.

Многофакторный процесс разрушения льдистых морских берегов очень трудно воспроизвести в лабораторных условиях. Лабораторное моделирование даже отдельных звеньев абразионного процесса не дает приемлемых результатов, которые можно было бы сравнивать с данными измерений, полученными в естественных условиях. Представляется, что более перспективны эксперименты, поставленные в естественных условиях арктического побережья. Однако постановка натурных экспериментов на побережье арктических морей весьма проблематична. Предполагается больше внимания уделять математическому моделированию и прогнозированию развития береговых криогенных процессов в связи с изменениями природных условий. Для этого необходимо располагать комплектом данных, включающим количественные оценки природных факторов, и иметь представление об их пространственно-временных изменениях.

Исследования связей динамики льдистых берегов с природными факторами про­водятся с недавних времен. Поэтому естественно, что пио­неры теоретических исследований береговых криогенных процессов Н.Ф. Григорьев, Ф.Э. Арэ, Г.А. Сафьянов, Л.А. Жигарев, В.А. Совершаев, С.В. Томирдиаро, В.К. Рябчун, Е.С. Гоголев, А.И. Ермолаев и другие искали объяснения активного разрушения льдистых берегов в гидродинамике и свойствах многолетнемерзлых пород. Однако термоабразионный процесс оказался более сложным, что, вероятно, может служить упреком некоторым положениям общепринятой теории развития морских берегов, основанной на материалах исследований морей умеренных и южных широт. Согласно важнейшему положению этого учения, главной причиной динамики берегов являются изменения подводного берегового склона (Зенкович, 1962). Иными словами, динамика берегов жестко увязывается с морфодинамическими процессами на подводном береговом склоне. Полагается, что в дисперсных отложениях с увеличением уклона подводного профиля должна возрастать скорость разрушения берегового уступа.

По оценкам автора, льдистые берега восточных арктических морей с очень отмелым подводным склоном (уклоны 0.0003-0.002) разрушаются в 3-7 раз быстрее менее отмелых берегов Черного моря с уклонами дна 0.002-0.02 при прочих равных условиях. Исследования динамики берегов и подводного берегового слона морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, проведенные на 12 участках соискателем и с его участием (Разумов, 2000а, б; Are et al., 2000, 2001, 2002b; Grigoriev et al., 2001), показали, что упомянутые закономерности рассматриваемого учения в применении к восточно-арктическому побережью не соответствуют действительности. Скорость отступания льдистых берегов очень мало зависит от уклонов подводного берегового склона (рис. 1). Ранее было установлено незначительное влияние уклонов подводного берегового склона на скорость термоабразии льдистых берегов моря Бофорта (Hequette, Barnes, 1990).

Рис. 1. Соотношения уклонов дна и среднемноголетней скорости отступания берегов восточных арктических морей, сложенных породами ледового комплекса.

Российско-Германские исследования западного побережья дельты р. Лены (Are et al, 2002), показали, что положение песчаных берегов барьерных островов стабильно в течение последних 32 лет. Однако форма профиля подводного склона здесь не оставалась постоянной в течение этого времени. Уклоны в его верхней части увеличились примерно в 5 раз. Приведенные расхождения с общепринятым учением о развитии морских берегов требуют более тщательного и детального изучения влияния мерзлых пород на динамику береговых уступов.

Примеры математического моделирования береговых процессов можно найти в работах отечественных исследователей (Качугин, 1961, 1975; Кирлис, 1968; Бертман и др., 1971; Попов, 1981; Шадрин, 1981; Есин, 1981; Арэ, 1985; Новичихин, 1987; Косьян, Пыхов, 1991; Павлидис, Леонтьев, 2000; Леонтьев, 2002). Представлены они также в ряде зарубежных публикаций (Bruun, 1954; Hanson, Kraus, 1986, 1989; Watanabe et al, 1986; Tsujimoto, Hayakawa, 1986; Larson, Kraus, 1989; Bodge, 1992; Dean, 1997; Komar, 1998; Thieler et al., 2000). Подавляющее количество исследований с применением моделирования проведено вне области криолитозоны, т.е. без учета специфики развития льдистых морских берегов. Задачи по прогнозированию отступания берегов решаются в основном путем измерений движения донных наносов в естественных и лабораторных условиях, а также разработки методов расчета по параметрам волнения и потокам наносов с учетом изменений уровня моря (Косьян, Пыхов, 1991; Леонтьев, 2002). Кроме указанных направлений существуют методы аналитической геометрии, с помощью которых формирование предельного профиля подводного берегового склона увязывается со скоростью углубления дна и скоростью относительных изменений уровня моря (Есин, 1981; Есин и др., 1981).

Для восточных арктических морей, в связи с наличием мерзлых пылеватых пород, слабой изученностью динамики берегов и проблемами определения внешней границы подводного берегового склона (Are et al., 1999) прогнозирование такими методами выполнить нереально. Как отмечает Ф.Э. Арэ (1985), пылеватость и избыточная льдистость слагающих берега пород препятствует формированию предельного профиля. Кроме того, в исходной постановке задач климатические условия остаются неизменными в течение прогнозируемого интервала времени, что далеко от действительности.

Некоторые ученые большое внимание уделяют измерениям профиля дна в береговой зоне в естественных и лабораторных условиях для вывода математических уравнений, описывающих его форму (Komar, 1998). Базовым понятием этого подхода является профиль равновесия подводного берегового склона, который формируется при постоянном уровне моря и, по определению П. Брюна (Bruun, 1954), представляет собой среднестатистический профиль, сохраняющий свою форму на фоне колебаний, обусловленных изменениями волнового режима. Профиль равновесия подводного берегового склона отступающих берегов, сложенных рыхлыми породами, при решении прикладных задач обычно описывается уравнением, которое связывает его форму с крупностью донных наносов (Bruun, 1954; Are et al., 2001). Чем крупнее наносы, тем больше уклон дна. Таким образом, форма профиля подводного берегового склона определяется гранулометрическим составом пород и гидромеханическим воздействием на них. Формирование равновесного профиля в качественном отношении следует классической схеме Зенковича - Брюна: интенсивный размыв берегового уступа с отложением продуктов размыва на подводном береговом склоне. Математическое описание формы профиля равновесия служит основой современных расчетных методов прогноза отступания берегов (Thieler et al., 2000).

Основным предметом исследований в диссертации являются берега, сложенные рыхлыми многолетнемерзлыми породами, включающими массивные льды. Для льдистых морских берегов зависимость крупности наносов от глубины на подводном склоне выражена чрезвычайно слабо (Груздева и др., 2004). Поэтому формулы, описывающие равновесный профиль подводного склона с учетом изменений крупности донных отложений по глубине, нельзя применять для районов распространения ледового комплекса. Зависимость подвижности донных наносов от интенсивности волнения проявляется только для достаточно крупных частиц, поведение которых в водном потоке определяется силой тяжести. В связи с этим теория развития морских берегов оперирует понятием «наносов волнового поля», к которым относятся пески и более крупнозернистые разности, т.е. частицы крупнее 0.05 мм. Следовательно, в формировании равновесного профиля подводного берегового склона, сложенного рыхлыми наносами, участвуют только пески и более крупнозернистые отложения.

В рассматриваемых районах арктических морей береговые уступы и подводный склон сложены в основном тонкодисперсными пылеватыми породами с подавляющим преобладанием частиц размером менее 0.05 мм (Томирдиаро и др., 1978; Томирдиаро, Черненький, 1987; Куницкий, 1998; Разумов, 2000б). Доля наносов волнового поля здесь весьма мала. В процессе отступания таких берегов в рыхлых мерзлых породах вырабатывается слабонаклонная поверхность - глинисто-алевритовый бенч. Он обычно покрыт активным слоем тонкодисперсных осадков, содержащих до 79-93% алевритовых и глинистых частиц. Следовательно, классическое понятие “профиль равновесия” неприменимо к изучаемым берегам.

Научная литература, в которой затрагиваются вопросы количественного описания динамики льдистых берегов арктических морей, как многофакторного процесса, представлена, пожалуй, единственной часто цитируемой соискателем монографией Ф.

Э. Арэ (1985) и несколькими десятками публикаций в отечественных и зарубежных изданиях. Проблема зависимости ско­рости термоабразии берегов арктических морей от климатических факторов наиболее четко была поставлена в 1980-е годы Ф.Э. Арэ (1985), однако реального прогресса в прогнозировании развития льдистых морских берегов тогда достигнуто не было. Подходы к решению этой задачи ограничивались в основном качественными рассуждениями о влиянии изменений отдельных климатических и мерзлотно-геологических характеристик на берегоформирующие процессы. Комплексное влияние сопряженных в пространстве и времени климатических, мерзлотно-геологических, геоморфологических и гидролитодинамических факторов на развитие береговых криогенных процессов не рассматривалось.

Ф.Э. Арэ один из первых отметил характерную особенность морской термоабразии - ведущую роль волнения в развитии этого процесса, обусловленную большими размерами и повышенной ветровой активностью у побережья. Вследствие этого практически не наблюдается чисто тепловое разрушение льдистых морских берегов, превалирует механический размыв. Энергия волн определяется их высотой, которая зависит не только от скорости ветра и длины разгона, но и от глубины мо­ря. Ф.Э. Арэ (1985) приводит пример из работ А.П. Браславского и, ссылаясь на этого автора, делает вывод, что ввиду мелководности арктических морей увеличение пространств открытой воды при потеплении климата не приведет к усилению разрушения берегов.

Данные исследований Н.Д. Шишова (1949) и Л.Н. Иконниковой (1971), а также измерений волн в Восточно-Сибирском море (Разумов, 1996в) и в море Лаптевых (Are et al., 2000a; Grigoriev et al., 2001; Razumov, Grigoriev, 2003) показывают серьезные расхождения с выводами А.П. Браславского. Увеличение пространства открытой воды, также как и продолжительности безледного времени при потеплении климата, вызовет усиление воздействий моря на берега и повышение термоабразионной активности, особенно если учесть развитие в рассматриваемых районах Арктики высоких ветровых нагонов. Аналогичные выводы были сделаны Ю.А. Павлидисом и И.О. Леонтьевым (2000).

Некоторые выводы Ф.Э. Арэ не обоснованы фактическим материалом, являясь умозрительными, поэтому вызывают сомнения. Так, Ф.Э. Арэ (1985) доказал, что при потеплении климата будет возрастать скорость термоденудации береговых уступов, сложенных ледовым комплексом и другими сильно льдистыми породами. Но почему-то при этом он утверждает, что размыв волноприбойных ниш, обрушения берегов и отвесные береговые уступы будут наблюдаться реже, так как, по его мнению, отношение скорости термоабразии к скорости термоденудации при потеплении климата уменьшится. Между тем имеющиеся фактические данные и материалы литературных источников, в том числе из цитируемой монографии (Арэ, 1985; Григорьев, 1993; Разумов, 2000а; Are et al, 2000a; Grigoriev et al, 2001; Razumov, 2003), не подтверждают этот тезис. Соискатель показал (Разумов, 2005), что при потеплении климата, когда средняя температура воздуха безледного периода превысит 3.5-4.0 °C, скорость разрушения оснований уступов будет выше темпов термоденудации (рис. 2).

Достижения в области моделирования и прогноза развития берегов водохранилищ и морей криолитозоны, связанные с именами Ф.Э. Арэ, С.В. Томирдиаро, Г.А. Сафьянова, Е.С. Гоголева, А.И. Ермолаева, Ю.А. Павлидиса, И.О. Леонтьева, А.А. Васильева и других, были очень значительными. Однако центральную проблему - количественное описание комплексного воздействия природных факторов на динамику берегов - до сих пор нельзя было считать ре­шенной. Тем не менее, были сделаны выводы для критического рассмотрения существующих методов прогнозирования.

Ф.Э. Арэ (1985) разработал универсальную методику прогнозирования термоабразии берегов водохранилищ. Суть ее заключается в совместном применении метода Е.Г. Качугина (1959) и теплофизических расчетов оттаивания и просадки мерзлых пород с помощью уравнений В.Т. Балобаева (Арэ и др., 1974). Вместе с тем Ф.Э. Арэ говорит о своей методике как о первом приближении в решении проблем прогнозирования. Например, при прогнозе на один год расчет потока энергии волн выполняется по среднемноголетним характеристикам ветра, т.е. межгодовые изменения энергии волн зависят только от величины предполагаемой просадки дна. При такой постановке задачи невозможно учитывать влияние многолетних изменений климата на динамику берегов.

Рис. 2. Зависимость скорости разрушения льдистых берегов восточных арктических морей от средней температуры воздуха безледного периода: 1 – в процессе термоденудации (Арэ, 1985); 2 и 3 – термоабразии (2 - рассчитанные при среднемноголетней повторяемости штормов 4.7 %, 3 - измеренные на ключевых участках побережья морей Лаптевых и Восточно-Сибирского).

По мнению Ф.Э. Арэ, процессы оттаивания и тепловой осадки многолетнемерзлых пород могут играть большую роль в формировании профиля подводного берегового склона арктических морей (Are, 1996; Are et al., 2000b). Имеющиеся данные не подтверждают это предположение. При обычных гидрометеорологических условиях средний уровень арктических морей ниже оснований уступов, урез моря отделен от них осушками, а преобладающее умеренное волнение быстро нивелирует тепловые просадки дна, если таковые имеют место. Условия развития берегов водохранилищ существенно отличаются от морских, прежде всего, отсутствием многолетних дрейфующих льдов в безледный период, гидрологическими характеристиками и зависимостью колебаний уровня от режима эксплуатации. Таким образом, с помощью методов прогнозирования, разработанных для берегов водохранилищ криолитозоны, нельзя более или менее достоверно предсказать тенденцию развития льдистых берегов арктических морей в изменяющихся климатических условиях.

Существующие методы прогноза динамики морских берегов в средних и низких широтах не учитывают влияния многолетнемерзлых пород, температуры воздуха безледного периода и наличия морского льда. Поэтому одной из основных задач изучения берегов арктических морей в плане разработки прогноза скорости термоабразии является количественная оценка влияния криогенных факторов на их динамику. Результаты этих исследований позволят четко ответить на вопрос о возможности применения существующих методов прогноза к берегам высоких широт. Современные теоретические исследования в этом направлении ограничиваются главным образом использованием методов математической статистики (в основном парной и множественной корреляции), например, в работах (Hequette, Barnes, 1990; Огородов и др., 2004). Их применение необходимо, но недостаточно для правильного математического описания механизмов или закономерностей физических процессов, развивающихся на побережье арктических морей в переменных природных условиях. Примеры количественных прогнозов разрушения морских берегов в криолитозоне с использованием математического моделирования малочисленны (Павлидис, Леонтьев, 2000; Леонтьев, 2002; Васильев, Остроумов, 2005; Разумов, 1996в, 2004).

Методика прогноза, разработанная Ю.А. Павлидисом и И.О. Леонтьевым, была применена ими для исследования тенденций развития песчаных берегов Восточно-Сибирского моря в районе мыса Биллингса. По сути, это математическая модель динамики аккумулятивного песчаного вала в условиях многолетних изменений пространств открытой воды и уровня моря при неизменных мерзлотно-геологических условиях и атмосферной циркуляции. Исходной предпосылкой расчетов является предположение, что подъем уровня моря в результате потепления климата в XXI в. будет происходить равномерно и к 2100 г. достигнет 1 м. Равновесный профиль берегового склона формируется под действием достаточно сильных штормов, а время его стабилизации зависит от скорости осаждения наносов. И.О. Леонтьев (2002) предложил морфодинамическую модель развития аккумулятивных берегов Баренцева и Карского морей. В отличие от наиболее ледовитых восточно-арктических морей, изменения площади дрейфующих льдов здесь не окажут заметного влияния на развитие волнения. Поэтому в модели допускается относительное постоянство волновой активности. В связи с малой льдистостью пород, слагающих берега, и удаленностью границы дрейфующих льдов, изменения термической составляющей климата и мерзлотных условий при прогнозировании не учитываются. Результаты моделирования позволили И.О. Леонтьеву сделать важные выводы: при неизменных условиях активность процесса переформирования берегов будет убывать с течением времени, темпы разрушения берегов обнаруживают четкую зависимость от высоты уступа. Однако решить задачу прогнозирования темпов разрушения льдистых берегов, сложенных в основном тонкодисперсными пылеватыми породами, с помощью этих моделей невозможно. При разрушении таких берегов вырабатывается не профиль равновесия подводного берегового склона, а глинисто-алевритовый бенч, и преобладает взвешенный материал. Следовательно, гидравлическая крупность и время стабилизации профиля в этом случае не имеют смысла.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.