МОРФОДИНАМИКА ПЕСЧАНОГО ДНА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ НЕЛИНЕЙНЫХ СВОЙСТВ ВОЛН ПО ДАННЫМ ЭКСПЕРИМЕНТА В ВОЛНОВОМ ЛОТКЕ

  • Д. В. Корзинин Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
  • М. Н. Штремель Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
DOI 10.29006/1564-2291.JOR-2025.53(4).2
Ключевые слова трансформация волн, береговая зона, песчаные валы, физический эксперимент, нелинейные свойства волн, волновой перенос наносов, формула Бейларда, профиль равновесия

Аннотация

Рассматриваются проявления нелинейных свойств волн в береговой зоне, таких, как рост высших гармоник и сдвиг фаз между второй и первой гармониками. Эти процессы являются причиной изменения симметрии волн и придонных скоростей, и, как следствие, волнового транспорта наносов. Морфодинамика песчаного дна, связанная с указанными процессами, может влиять на трансформацию волн, обусловливая, таким образом, обратную связь в системе взаимодействия волн и песчаных осадков. Анализируются результаты эксперимента в волновом лотке, в ходе которого наблюдалось формирование трех подводных валов на ровном песчаном дне. Использование ровного дна позволяет рассмотреть нелинейные процессы изолированно, без влияния обрушения волн и противотечения, что является новым подходом в экспериментальных береговых исследованиях. В ходе эксперимента формирование валов было предопределено флуктуациями высот волн вдоль лотка, что связано с отражением от волногасителя. Зафиксированы изменения вдоль пространства лотка и во времени показателей, определяемых нелинейными свойствами волн – величины второй кратной гармоники относительно первой (a2r) и сдвига фаз между ними (Δφ). Выявлено, что возникновение вала, помимо разницы высот волн, связано с высоким значением a 2r перед его гребнем, которое в дальнейшем уменьшается по мере эволюции данной формы. После прохождения гребня вала и с течением времени увеличивается сдвиг фаз между волновыми гармониками. В соответствии с формулой Бейларда, данные процессы ведут к постепенному снижению расхода наносов при формировании вала, т. е. профиль стремится к квазиравновесному состоянию.

Литература


  1. Корзинин Д. В., Штремель М. Н. О вкладе высших волновых гармоник в поперечный транспорт наносов в береговой зоне // Процессы в геосредах. 2024. № 3 (41). С. 2658–2665. EDN: RPLRGM

  2. Леонтьев И. О. Прибрежная динамика: волны, течения, потоки наносов. М: ГЕОС, 2001. 272 с. ISBN 5-89118-211-4. https://rusneb.ru/catalog/000199_000009_004420995/?ysclid=mi76xqvkg9656068849.

  3. Сапрыкина Я. В., Кузнецов С. Ю., Штремель М. Н., Сундар В. Метод оценки уязвимости береговой зоны под воздействием волнения на примере южного побережья полуострова Индостан // Процессы в Геосредах. 2015. № 3 (3). С. 76–87. EDN: VDGXWJ

  4. Штремель М. Н. Особенности околорезонансных трехволновых взаимодействий в волнах на промежуточной глубине // Океанологические исследования. 2019. Т. 47. № 1. С. 138–144. EDN: KLPCUN. https://doi.org/10.29006/1564-2291.JOR-2019.47(1).43.

  5. Abroug I., Abcha N., Jarno A., Marin F. Laboratory study of non-linear wave–wave interactions of extreme focused waves in the nearshore zone // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 2020. Vol. 20. No. 12. P. 3279–3291. EDN: PMZCFC. https://doi.org/10.5194/nhess-20-3279-2020.

  6. Atkinson A., Shimamoto T., Sheng W., Birrien F., Baldock T. E. Beach profile evolution under cyclic wave climates // Proceedings of the 22nd Australasian Coastal and Ocean Engineering Conference and the 15th Australasian Port and Harbour Conference, Auckland, New Zealand, 15–18 September 2015; Australian Coasts and Ports. https://espace.library.uq.edu.au/view/UQ:679064.

  7. Bailard J. A. An energetics total load sediment transport model for a plane sloping beach // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1981. Vol. 86. Iss. C11. P. 10938–10954. https://doi.org/10.1029/JC086iC11p10938.

  8. Beji S., Battjes J. A. Experimental investigation of wave propagation over a bar // Coastal Engineering. 1993. Vol. 19. Iss. 1–2. P. 151–162. https://doi.org/10.1016/0378-3839(93)90022-Z.

  9. Boczar-Karakiewicz B., Davidson-Arnott R. G. D. Nearshore bar formation by non-linear wave processes – a comparison of model results and field data // Marine Geology. 1987. Vol. 77. No. 3–4. P. 287–304. EDN: PVYSCT. https://doi.org/10.1016/0025-3227(87)90118-6.

  10. Chapalain G., Boczar-Karakiewicz B. Modeling of Hydrodynamics and Sedimentary Processes Related to Unbroken Progressive Shallow Water Waves // Journal of Coastal Research. 1992. Vol. 8. No. 2. P. 419–441. https://www.jstor.org/stable/4297987.

  11. Doering J. C., Bowen A. J. Parametrization of orbital velocity asymmetries of shoaling and breaking waves using bispectral analysis // Coastal Engineering. 1995. Vol. 26. No. 1–2. P. 15–33. EDN: XXVGHM. https://doi.org/10.1016/0378-3839(95)00007-X.

  12. Eichentopf S., van der Zanden J., Caceres I., Baldock T. E., Alsina J. M. Influence of storm sequencing on breaker bar and shoreline evolution in large-scale experiments // Coastal Engineering. 2020. Vol. 157. P. 103659. EDN: IWDJLC. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2020.103659.

  13. Elgar S., Freilich M. H., Guza R. T. Model-data comparisons of moments of nonbreaking shoaling surface gravity waves // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1990. Vol. 95. Iss. C9. P. 16055–16063. https://doi.org/10.1029/JC095iC09p16055.

  14. Elgar S., Gallagher E. L., Guza, R. T. Nearshore sandbar migration // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2001. Vol. 106. Iss. C6. P. 11623–11627. EDN: VRSBKH. https://doi.org/10.1029/2000JC000389.

  15. Grossmann F., Hurther D., Sanchez-Arcilla A., Alsina J. M. Influence of the initial beach profile on the sediment transport processes during post-storm onshore bar migration // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2023. Vol. 128. Iss. 4. P. e2022JC019299. EDN: ZSNNTM. https://doi.org/10.1029/2022JC019299.

  16. Guza R. T., Thornton E. B. Wave set-up on a natural beach // Journal of Geophysical Research. 1981. Vol. 86. Iss. C5. P. 4133–4137. https://doi.org/10.1029/JC086iC05p04133.

  17. Guza R. T., Thornton E. B. Swash oscillations on a natural beach // Journal of Geophysical Research. 1982. Vol. 87. Iss. 1. P. 483–491. https://doi.org/10.1029/JC087iC01p00483.

  18. Hoefel F. G., Elgar S. Wave-induced sediment transport and sandbar migration // Science. 2003. Vol. 299. No. 5614. P. 1885–1887. EDN: GPEZZT. https://doi.org/10.1126/science.1081448.

  19. Marchesiello P., Chauchat J., Shafiei H., Almar R., Benshila R., Dumas F., Debreu L. 3D wave-resolving simulation of sandbar migration // Ocean Modelling. 2022. Vol. 180. P. 102127. EDN: LWLSAU. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2022.102127.

  20. Roelvink D., Reniers A., van Dongeren A., van Thiel de Vries J., McCall R., Lescinski J. Modelling storm impacts on beaches, dunes and barrier islands // Coastal Engineering. 2009. Vol. 56. Iss. 11–12. P. 1133–1152. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2009.08.006.

  21. Ruessink B., Houwman K., Hoekstra P. The systematic contribution of transporting mechanisms to the cross-shore sediment transport in water depths of 3 to 9 m // Marine Geology. 1998. Vol. 152. No. 4. P. 295–324. EDN: ABWGBJ. https://doi.org/10.1016/S0025-3227(98)00133-9.

  22. Ruessink B. G., van den Berg T. J. J., van Rijn L. C. Modeling sediment transport beneath skewed asymmetric waves above a plane bed // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2009. Vol. 114. Iss. C11. https://doi.org/10.1029/2009JC005416.

  23. Ruessink B. G., Ramaekers G., van Rijn L. C. On the parameterization of the free-stream non-linear wave orbital motion in nearshore morphodynamic models // Coastal Engineering. 2012. Vol. 65. P. 56–63. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2012.03.006.

  24. Saprykina Y. V., Shtremel M. N., Kuznetsov S. Y. On the possibility of biphase parametrization for wave transformation in the coastal zone // Oceanology. 2017. Vol. 57. No. 2. P. 253–264. EDN: XMVTDG. https://doi.org/10.1134/S0001437016060126.

  25. Saprykina Y. The influence of wave nonlinearity on cross-shore sediment transport in coastal zone: experimental investigations // Appl. Sci. 2020. Vol. 10. No. 12. P. 1–14. EDN: RMYNUB. https://doi.org/10.3390/app10124087.

  26. Sharma J. N., Dean R. G. Second-order directional seas and associated wave forces // Society of Petroleum Engineers Journal. 1981. Vol. 21. No. 1. P. 129–140. https://doi.org/10.2118/8584-PA.

  27. Shtremel M., Saprykina Y., Ayat B. The method for evaluating cross-shore migration of sand bar under the influence of nonlinear waves transformation // Water. 2022. Vol. 14. No. 2. Art. 214. EDN: TKKUHX. https://doi.org/10.3390/w14020214.

  28. Stokes G. G. On the theory of oscillatory waves // Transactions of the Cambridge Philosophical Society. 1847. 8. 441–455.

  29. Tayfun M. A. Narrow-band nonlinear sea waves // Journal of Geophysical Research. 1980. Vol. 85. No. C3. 1548–1552. https://doi.org/10.1029/JC085iC03p01548.

  30. Thornton E. B., Humiston R. T., Birkemeier W. A. Bar/trough generation on a natural beach // Journal of Geophysical Research. 1996. Vol. 101. Iss. 5. P. 12097–12110. https://doi.org/10.1029/96JC00209.

  31. van der A D. A., van der Zanden J., O’Donoghue T., Hurther D., Cáceres I., McLelland S. J., Ribberink J. S. Large-scale laboratory study of breaking wave hydrodynamics over a fixed bar // J. Geophys. Res. Oceans. 2017. Vol. 122. Iss. 4. P.  3287–3310. https://doi.org/10.1002/2016JC012072.

  32. van der Westhuysen A. J. Modelling nearshore wave processes // Proceedings of the ECMWF Workshop on Ocean Waves, Reading, UK, 25–27 June 2012. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2016JC012072.

  33. Young I. R., Eldeberky Y. Observations of triad coupling of finite depth wind waves // Coastal Engineering. 1998. Vol. 33. No. 2–3. P. 137–154. EDN: YCIVPF. https://doi.org/10.1016/S0378-3839(98)00006-4.

Опубликован
2025-12-21
Выпуск
Том 53 № 4 (2025): Океанологические исследования
Раздел
Физика океана и климат

Передача авторских прав происходит на основании лицензионного договора между Автором и Федеральным государственным бюджетным учреждением науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук (ИО РАН)