ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТА ОСАДКОВ В БЕРЕГОВОЙ ЗОНЕ МОРЯ

  • Р. Д. Косьян Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
  • Б. В. Дивинский Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
DOI: 10.29006/1564-2291.JOR-2021.49(1).6
Ключевые слова: натурный эксперимент, взвешенные осадки, вдольбереговые потоки, математическое моделирование

Аннотация

Благодаря развитию инструментальных средств измерения стал возможен более детальный анализ пространственно-временных характеристик волнового поля и поля взвешенных наносов. Усилиями российских специалистов за последние десятилетия:

  1. Собрана уникальная база данных наблюдений за перемещением наносов в штормовых ситуациях на прибрежных акваториях в разных физикогеографических участках береговой зоны Черного, Балтийского, Северного, Средиземного, Южно-Китайского морей, дополненная обширным материалом данных лабораторных экспериментов в лучшей лаборатории Европы (Ганновер, Германия). Получен новый экспериментальный материал для определения физических особенностей транспорта наносов волновым потоком.
  2. Рассмотрены основные механизмы, контролирующие амплитудные и фазовые соотношения флуктуаций концентрации и расхода взвешенных наносов на временных масштабах, меньших периода пика спектра ветровых волн. Отмечено наличие низкочастотных флуктуаций концентрации наносов с периодом порядка нескольких периодов ветровых волн и амплитудой, в несколько раз превышающей среднее значение концентрации.
  3. Проанализирована ранее не исследованная проблема о влиянии частотного распределения волновой энергии в спектре поверхностных волн на транспорт донных осадков. Выявлены отличия в реакции размываемого дна на внешнее возмущение, представленное нерегулярным поверхностным волнением с постоянными интегральными характеристиками (значительная высота волн и период пика спектра) и переменным частотным распределением энергии волн.
  4. Исследовано влияние волн зыби на перераспределение донных осадков в прибрежной зоне моря. Показано, что разделение волнового поля на отдельные компоненты позволяет более корректно описать пространственно-временну́ю структуру поверхностного волнения, а также существенно уточнить схемы транспорта донных осадков в прибрежной зоне. На примере Анапской пересыпи показано, что возможны ситуации, при которых вдольбереговой поток донных отложений практически полностью определяется волнами зыби.

Результаты натурных и лабораторных экспериментов позволяют определить направления дальнейших исследований по созданию физически обоснованных моделей транспорта наносов волнами и волновыми течениями.

Литература


  1. Анцыферов С.М., Косьян Р.Д. Взвешенные наносы в верхней части шельфа. М.: Наука, 1986. 224 c.

  2. Дивинский Б.В., Косьян Р.Д., Грюне И. Влияние формы спектра поверхностного волнения на динамику донных осадков // Океанология. 2014. Т. 54. № 2. С. 149–160.

  3. Дивинский Б.В., Косьян Р.Д. Взвешивание донных осадков в условиях нерегулярного поверхностного волнения // Океанология. 2019. 59(4). С. 533–543. DOI: 10.31857/S0030-1574594533-543.

  4. Дивинский Б.В. Результаты измерений параметров поверхностных волн с помощью буя в районе г. Геленджика. // Динамические процессы береговой зоны моря. М.: Научный мир, 2003. С. 70–91.

  5. Косьян Р.Д., Крыленко М.В., Винсент С. Высокочастотная изменчивость вертикального распределения концентрации взвеси в береговой зоне // Материалы международной конференции «Литодинамика донной контактной зоны океана». Москва: ГЕОС, 2009. ISSN 978-5-89118-469-5. C. 103–105.

  6. Косьян Р.Д., Крыленко М.В. Характеристика мелкомасштабных турбулентных вихрей, формирующихся во внешней береговой зоне // Материалы международной конференции «Геология, география и экология океана». Ростов-на-Дону: ЮНЦ РАН, 2009. ISSN 978-902982-44-9. С. 181–183.

  7. Косьян Р.Д., Кунц Г., Кузнецов С.Ю., Пыхов Н.В., Крыленко М.В. Перемежаемость турбулентности в прибойной зоне и ее влияние на взвешивание песка // Океанология. Т. 39. № 2. 1999. С. 298–305.

  8. Косьян Р.Д., Подымов И.С., Пыхов Н.В. (Ред.) Динамические процессы береговой зоны моря // М.: Научный мир, 2003. 326 с.

  9. Косьян Р.Д., Пыхов Н.В. Гидрогенное перемещение осадков в береговой зоне моря // Мос­ква: Наука, 1991. 280 с.

  10. Крыленко М.В. Влияние мелкомасштабной турбулентности на вертикальное распределение взвешенных наносов в береговой зоне // Материалы международной конференции «Динамика прибрежной зоны бесприливных морей». Калининград: Терра Балтика, 2008. С. 74–78.

  11. Крыленко М.В., Грюне Й., Косьян Р.Д., Подымов И.С. Особенности взвешивания песчаных частиц под воздействием регулярного волнения // Материалы XXIV Международной конференции «Морские берега – эволюция, экология, экономика». Краснодар: Из-во «Юг», 2012. С. 224–228.

  12. Крыленко М.В., Косьян Р.Д. Возможность оптимизации измерений концентрации взвешенных наносов в береговой зоне моря // Синергия наук. 2017. № 16. С. 1108–1113. URL: http://synergy-journal.ru/archive/article1034.

  13. Крыленко М.В., Косьян Р.Д., Крыленко В.В., Бондарева Е.В. Влияние мелкомасштабной турбулентности на распределение взвешенных наносов в береговой зоне // Вклад фундаментальных исследований в развитие современной инновационной экономики Краснодарского края: Сборник тезисов. Краснодар, 2009. C. 49–50.

  14. Крыленко В.В. Динамика морского берега Анапской пересыпи // Океанология. 2015. Т. 55, № 5. С. 821–828. DOI: 10.7868/S0030157415050081.

  15. Ackers P., White W.R. Sediment Transport: New Approach and Analysis // Journal of the Hydro. Div. 1973. ASCE. Vol. 99. No. HY11.

  16. Aziz J.J., Ling M., Rifai H.S., Newell C.J., Gonzales J.R. MAROS: A Decision Support System for Optimizing Monitoring Plans // Ground Water. 2003. 41(3). P. 355–367.

  17. Bailard J.A. An energetic total load sediment transport model for a plane sloping beach // J. Geophys. Research. 86(C11). 10938–10954. 1981.

  18. Bijker E.W. Littoral Drift as a Function of Waves and Current // Delft Hydraulics Laboratory. Delft.The Netherlands. 1969. Publication No. 58.

  19. Coastal Engineering Manual. Engineer Manual 1110-2-1100, U.S. Army Corps of Engineers, Washington, D.C. (in 6 volumes). 2002.

  20. Davies A.G., Li Z. Modelling sediment transport beneath regular symmetrical and asymmetrical waves above a plane bed // Continental Shelf Research. 1997. 17(5). P. 555.

  21. DHI Water & Environment. MIKE 21. Spectral Wave Module. 2007.

  22. Divinsky B.V., Kosyan R.D. Bottom Sediment Suspension under Irregular Surface Wave Conditions // Oceanology. 2019. Vol. 59. No. 4. P. 482–490. DOI: 10.1134/S0001437019040039.

  23. Divinsky B.V., Kosyan R.D. Influence of the climatic variations in the wind waves parameters on the alongshore sediment transport // Oceanologia. 2020. Vol. 62. Iss. 2. P. 190–199. DOI: 10.1016/j.oceano.2019.11.002.

  24. Divinsky B., Kosyan R. Parameters of wind seas and swell in the Black Sea based on numerical modeling // Oceanologia. 2018. 60. P. 277–287. https://doi.org/10.1016/j.oceano.2017.11.006.

  25. Divinsky B.V., Kosyan R.D. Spatiotemporal variability of the Black Sea wave climate in the last 37 years // Continental Shelf Research. 2017. 136. P. 1–19. IF 2.369. http://dx.doi.org/10.1016/j.csr.2017.01.008.

  26. Dohmen-Janssen C., Hanes D. Sheet flow and suspended sediment due to wave groups in a large wave flume // Continental Shelf Research. 2005. 25. P. 333–347. DOI: 10.1016/j.csr.2004.10.009.

  27. Engelund F., Fredsøe J.A. Sediment transport model for straight alluvial channels // Nordic Hydrology. 1979. P. 296–306.

  28. Engelund F., Hansen E.A. Monograph on Sediment Transport in Alluvial Channels // Nordic Hydrology. 1979.

  29. Grant W.D., Madsen O.S. Movable bed roughness in unsteady oscillatory flow // Journal of Geophysical Research. 1982. 87(C1). P. 469–481.

  30. Grüne J., Kos’yan R., Oumeraci H., Podymov I., Schmidt-Koppenhagen R., Vincent C.E. Large-Scale Laboratory Modeling of Suspended Sand Concentration Fluctuations under Irregular Waves // Coastal Sediments 07. ASCE. New Orleans, 2007.

  31. Hanes D.M., Huntley D.A. Continuous measurements of suspended sand concentration in a wave dominated nearshore environment // Continent. Shelf Res. 1986. Vol. 6. No. 4. P. 585–596.

  32. Hasselmann K. et al. Measurements of Wind-Wave Growth and Swell Decay during the Joint North Sea Wave Project (JONSWAP) // Erganzungsheft zur Deutschen Hydrographischen Zeitschrift Reihe. Deutsches Hydrographisches Institut, Hamburg. 1973. A (80)’. No. 12.

  33. Jonsson J.G. On the existence of universal velocity distributions in an oscillatory, turbulent boundary layer // Report No. 12. Coast. Eng. Lab/Hydraul. Lab., Tech. Univ. Denmark. 1966. P. 2–10.

  34. Kos’yan R., Grune J., Divinskiy B., Podymov I. Nowdays Problems of Sediment Transport Modelling in the coastal zone // Proceedings of 34th Conference on Coastal Engineering, Seoul, South Korea. 2015. No. 34. Sediment. 19. ISSN: 2156-1028; ISBN: 978-0-9896611-2-6.

  35. Kos’yan R., Grüne J., Divinskiy B., Podymov I., Vincent C., Ahmari A., Oumeraci H. The dependence of suspended sand concentration on the degree of storm development // 32nd International Conference on Coastal Engineering ICCE2010, 30 June–5 July, 2010. Shanghai, China.

  36. Kosyan R.D., Divinskiy B.V., Krylenko M.V. Peculiarities of the suspended sediment concentration measurement in the coastal zone // International Conference on Coasts, Ports and Marine Structures (ICOPMAS). 31 Oct.–2 Nov. 2016. Tehran, Iran.

  37. Kosyan R.D., Divinskiy B.V., Krylenko V.V., Krylenko M.V., Kuklev S.B., Kosyan A.R. The forecast of Anapa bay-bar coast evolution and sand body thickness change // Coastal Engineering Practice. Proceedings of the 2011 Conference on Coastal Engineering Practice. San Diego, CA, 21-24.08. 2011. P. 42–55. DOI: 10.1061/41190(422)5.

  38. Kosyan R.D., Divinsky B.V., Krylenko M.V. Laboratory research of peculiarities of the suspended sediment concentration in the coastal zone // Proceedings of the 7th International Conference on the Application of Physical Modelling in Coastal and Port Engineering and Science (Coastlab18). Santander, Spain. May 22–26. 2018.

  39. Kosyan R., Divinsky B. Variability of the suspended sediment dynamics under irregular waves // EMECS'11 SeaCoasts XXVI Joint Conference. Managing risks to coastal regions and communities in a changing world. August 22–27, 2016. St. Petersburg, Russia.

  40. Kos’yan R.D., Kunz H., Kuznetsov S.Yu., Pykhov N.V., Krylenko M.V. Sand Suspension and Intermittence of Turbulence in the Surf Zone // Proc. of the 25th International Conference on Coastal Engineering, “COASTAL ENGINEERING' 96”. American Society of Civil Engineering. 4111–4119. New York, 1997.

  41. Kos’yan R., Kunz H., Kuznetsov S., Pykhov N., Krlenko M. Intermittence of turbulence and sand suspending events during storm. // Abstr. of the 25th Intern. Conf. "Coastal Engineering 96". Orlando, USA, 1996.

  42. Kos’yan R., Kunz H., Kuznetsov S.Yu., Pykhov N.V., Krylenko M.V. Sand suspension and intermittence of turbulence in the surf zone. // Proc. of the 25 Int. Conference on Coastal Engineering, “coastal engineering”96”, American Society of Civil engineering. New York. 1997. P. 4111–4119.

  43. Kos'yan R., Kunz H., Kuznetsov S., Pykhov N., Podymov I., Vorobyev P. Physical regularities of suspended sand concentration and transport under irregular waves based on field data // Die Küste. 1999. 64. P. 161–200.

  44. Kosyan R., Krylenko M. Peculiarities of instantaneous vertical distribution of suspended sediment in the surf zone // Abstr. of 30th International Conference on Coastal Engineering (ICCE). San Diego, 2006. P. 106.

  45. Kos’yan R.D., Krylenko M.V., Vincent C.E. Fluctuations of instantaneous vertical distribution of suspended sediment in the surf zone // Proc. of the 30th International Conference on Coastal Engineering (ICCE). 2007. P. 2524–2536.

  46. Kos’yan, I. Podymov N. Pykhov. Investigations of Suspended Sediment Dynamics in the Course of the Nearshore Experiment in the Ob Sea // MEDCOAST’99 – EMECS’99 Joint Conference, 1999. Land- Ocean Interactions: Managing Coastal Ecosystems. Antalya, Turkey.

  47. Kos’yan R. Vertical distribution of suspended sediment concentrations seawards of the breaking zone // Coastal Engineering. 1985. Vol. 9. P. 171–187.

  48. Krylenko M.V. Peculiarities of the small-scale turbulence in the coastal zone // Proc. Of the 3rd International Short Course and Workshop on APPLIED COASTAL RESEARCH. Lecce, Italy, 2008. P. 134–140.

  49. Kunz H., Kos’yan R. German-Russian nearshore dynamics experiment on Norderney island // Proc. of the Third International Conference on the Mediterranean Coastal Environment, “MEDCOAST' 97”. Malta, 1997. 1301–1315.

  50. Kuznetsov S.Yu., Pykhov N.V. Spectral Test of the Energetic Approach for Suspended sand Transport in the Surf Zone // Proceedings of the International Conference on Coastal Research in Terms of Large Scale Experiments, “Coastal Dynamics’ 97”. Plimouth, 1998. 227–234.

  51. Larson M., Kraus N.C.SBEACH: numerical model for simulating storm-induced beach change // Tech. Rep. CERC-89-9. 1989. US Army Eng. Waterw. Exp. Station. Coastal Eng. Res. Center. 1989.

  52. Larson M., Hoan L.X., Hanson H. Direct formula to compute wave height and angle at incipient breaking // J. Waterway, Port, Coast, Ocean Eng. 2009. 136 (2). 119–122.

  53. Longuet-Higgins M.S. Alongshore currents generated by obliquely incident sea waves // Jour. Geophys. Res. 1970. 75. 6788–6801.

  54. Meyer-Peter E., Müller R. Formulas for Bed-Load Transport. Proceedings // Second Congress IAHR, 1948. Stockholm, Sweden.

  55. Murray R., Hodgson D., Thorne P. Wave groups and sediment resuspension processes over evolving sandy bedforms // Continental Shelf Research. 2012. 46. P. 16–30. DOI: 10.1016/j.csr.2012.02.011.

  56. Newe J., Dette H. Simulation of dune and nourished berm erosion during storm surges // Int. Conf. “Coastal Dynamics’95”. Gdansk, 1995. P. 850–861.

  57. Nguen Manh Hung, Kos’yan R.D., Podymov I.S., Sokolov V.A. A Vietnam-Russia field survey for studying of the near shore dynamic and sediment processes at the Red river delta // In book “International cooperation on investigation and research of marine natural resource and environment”. Publishing house for science and technology. Hanoi, 2011. P. 152–162.

  58. Nielsen P. Dynamics and geometry of wave‐generated ripples // Journal of geophisical research. 1981. Vol. 86. Iss. C7. P. 6467–6472. doi.org/10.1029/JC086iC07p06467.

  59. O’Donoghue T., Doucette J.S., van der Werf J.J., Ribberink J.S. The dimensions of sand ripples in fullscale oscillatory flows // Coastal Engineering. 2006. 53. 997–1012.

  60. Okayasu A., Katayama H. Distribution of undertow and long-wave component velocity due to random waves // 23rd Int. Conf. on Coastal Eng. 1992. Venice. P. 883–893.

  61. Osborn Ph.D., Greenwood B. Sediment suspension under waves and currents time scales and vertical structure // Sedimentology. 1993. Vol. 40. P. 599.

  62. Pykhov N.V., Kos’yan R.D., Kuznetsov S.Yu. Field research of time scales and mechanisms of sandy sediment suspending by irregular waves // Oceanologiya. 1997. Vol. 37. No. 2. P. 202.

  63. Roelvink J.A., Reniers A.J.H.M., Walstra D.J.R. Medium-term morphodynamic modelling // MAST 68-M Final Workshop. Gdansk,1995. P. 7-3 – 7-6.

  64. Roelvink J.A., Stive M.J.F. Bar-generating cross-shore flow mechanisms on a beach // J. of Geophys. Res. 1989. Vol. 94. No. C4. P. 4785–4800.

  65. Soulsby R.L. Dynamics of Marine Sands // Thomas Telford Publications. London, 1997. ISBN 07272584X.

  66. Stive M.J.F., Wind H.G. Cross-shore mean flow in the surf-zone // Coastal Eng. 1986. Vol. 10. P. 325–340.

  67. Svendsen I.A., Schaffer H.A., Buhr Hansen J. The interaction between the undertow and the boundary layer flow on a beach // J. of Geophys. Res. 1987. Vol. 92. No. C 11. P. 11845–11856.

  68. Van Rijn L.C. Sediment transport, part II: suspended load transport // Journal of Hydraulic Engineering. 110:1613–1641, 1984.

  69. Van Thiel de Vries J.S.M. Dune erosion during storm surges // PhD thesis, PhD thesis, Delft Unversity of Technology. Delft, 2009.

  70. Vincent C.E., Hanes D. The accumulation and decay of near-bed suspended sand concentration due to waves and wave gropes // Continental Shelf Research. 2002. Vol. 22. P. 1987–2000.

  71. Walton T. Coastal Engineering Manual, Part III, Coastal Sediment Processes, Chapter III-6, Engineer Manual 1110-2-1100. 2002. U.S. Army Corps of Engineers. Washington, DC. P. 72.

  72. Wang H., Miao G., Lin L.-H. A time-dependent nearshore morphological response model // 23rd Int. Conf. on Coastal Eng. 1992. Venice. P. 2513–2527.

  73. Wiberg P.L., Harris C.K. Ripple geometry in wave-dominated environments // Journal of Geophysical Research. 1994. 99 (C1). 775–789.

  74. Williams J.J., Rose C.P., Thorne P.D. Role of wave groups in resuspension of sandy sediments // Marine Geology. 2002. Vol. 183. P. 17–29.

  75. Zou S., Dalrymple R., Asce F., Rogers B. Smoothed particle hydrodynamics simulation on sediment suspension under breaking waves // Ocean waves measurement and analysis, Fifth Inter. Symposium Waves-2005, Madrid, Spain. 2005. P. 186–192.

  76. Zyserman J., Fredsøe F. Data Analysis of Bed Concentration of Suspended Sediment // J. of Hydr. Eng. 1994. ASCE. Vol. 120. No. 9.
Опубликован
2021-04-26
Выпуск
Том 49 № 1 (2021): Океанологические исследования
Раздел
ОГЛАВЛЕНИЕ ВЫПУСКА ЖУРНАЛА

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)