Морской гидрофизический журнал. 2021; 37: 85-97
Математическое моделирование динамики гранулометрического состава донных отложений Балаклавской бухты под воздействием штормового волнения
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-1-85-97Аннотация
Цель. На основе математического моделирования оценено влияние ветрового волнения на перераспределение песчаных фракций донных отложений полузамкнутой акватории эстуарного типа на примере Балаклавской бухты.
Методы и результаты. Применялся двухмерный вариант морфодинамической модели XBeach с постоянным шагом сетки 10 м. Характеристики ветрового волнения на мористой границе расчетной области задавались с помощью спектра JONSWAP. Расчеты выполнялись для штормового волнения, возможного один раз в год. При проведении численных экспериментов использовались данные о гранулометрическом составе, полученные в ходе выполнения мониторинговых наблюдений в районе Балаклавской бухты.
Выводы. Результаты моделирования подтвердили, что основными определяющими факторами, регулирующими перераспределение донного материала, являются глубина и уклон дна. Отмечено, что при резком изменении угла наклона дна между изобатами 6–7 и 7–8 м происходит осаждение крупных и средних фракций, а на участке между изобатами 9–10 и 10–12 м – осаждение мелкозернистого песка. Установлено, что в акватории Балаклавской бухты основное перераспределение песчаного материала, вызванное штормовым волнением, происходит в пределах южного бассейна и на выходе из бухты в береговой зоне залива Мегало-Яло. Такой характер перераспределения песчаного материала определяется особенностями орографии берега бухты, а именно коленовидной узостью, разделяющей северный и южный бассейны. Тем не менее в северном бассейне под воздействием проникающего сюда волнения происходят незначительные перемещения фракций донных отложений от западного берега к центральной части бассейна и к восточному берегу.
Список литературы
1. Ломакин П. Д., Попов М. А. Океанологическая характеристика и оценка загрязнения вод Балаклавской бухты. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2013. 218 с.
2. Вериго А. А. Исследование целебной грязи из мелководной Балаклавской бухты // Отчеты о деятельности Одесского бальнеологического общества. Одесса, 1888. Вып. 3 : С июня 1883 по октябрь 1887 года / Под ред. д-ра М. Погребинского. С. 22–26.
3. Миронов О. Г., Кирюхина Л. Н., Алёмов С. В. Комплексные экологические исследования Балаклавской бухты // Экология моря. 1999. Вып. 49. С. 16–21.
4. Organic matter and grain-size distribution of the modern bottom sediments in the Balaklava Bay (the Black Sea) / N. A. Orekhova [et al.] // Physical Oceanography. 2018. Vol. 25, iss. 6. P. 479–488. doi:10.22449/1573-160X-2018-6-479-488
5. Тихонова Е. А., Котельянец Е. А., Гуров К. И. Содержание органических веществ и тяжелых металлов в донных отложениях Балаклавской бухты (Черное море) // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2019. Вып. 3. C. 82–88. doi:10.22449/2413-5577-2019-3-82-89
6. Ovsyany E. I., Kotelyanets E. A., Orekhova N. A. Arsenic and heavy metals in the bottom sediments of the Balaklava Bay (Black Sea) // Physical Oceanography. 2009. Vol. 19, iss. 4. 254. https://doi.org/10.1007/s11110-009-9048-4
7. Pollutants in Bottom Sediments in the Balaklava Bay (the Black Sea) / E. A. Kotelyanets [et al.] // Physical Oceanography. 2019. Vol. 26, iss. 5. P. 414–424. doi:10.22449/1573-160X-2019-5-414-424
8. Modelling storm impacts on beaches, dunes and barrier islands / D. Roelvink [et al.] // Coastal Engineering. 2009. Vol. 56, iss. 11–12. P. 1133–1152. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2009.08.006
9. Van Rijn L. C., Tonnon P. K., Walstra D. J. R. Numerical modelling of erosion and accretion of plane sloping beaches at different scales // Coastal Engineering. 2011. Vol. 58, iss. 7. P. 637–655. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2011.01.009
10. Impacts of wave and tidal forcing on 3D nearshore processes on natural beaches. Part I: Flow and turbulence fields / R. Bakhtyar [et al.] // Ocean Systems Engineering. 2016. Vol. 6, iss. 1. P. 23–60. http://dx.doi.org/10.12989/ose.2016.6.1.023
11. Леонтьев И. О. Моделирование берегового профиля, сформированного штормовым циклом // Океанология. 2018. Т. 58, № 6. С. 973–981. doi:10.1134/S0030157418060084
12. Леонтьев И. О. Штормовые деформации берегового склона с подводными валами // Океанология. 2019. Т. 59, № 1. С. 125–132. https://doi.org/10.31857/S0030-1574591125-132
13. Кузнецова О. А., Сапрыкина Я. В. Моделирование изменчивости песчаного пляжа при взаимодействии волн с подводным валом // Геоморфология. 2019. № 3. С. 57–67. doi:10.31857/S0435-42812019357-67
14. Кубряков А. И., Попов М. А. Моделирование циркуляции и распространения загрязняющей примеси в Балаклавской бухте // Морской гидрофизический журнал. 2005. № 3. С. 49–61.
15. Фомин В. В., Репетин Л. Н. Численное моделирование ветровых течений и распространения примеси в Балаклавской бухте // Морской гидрофизический журнал. 2005. № 4. С. 43–58.
16. Gurov K. I., Fomin V. V. Dynamics of sediments grainsize in Limensky Gulf // Proceedings of the Thirteenth International MEDCOAST Congress on Coastal and Marine Sciences, Engineer-ing, Management and Conservation, MEDCOAST 17, 31 Oct – 04 Nov 2017 / Ed. E. Özhan. Dalyan, Mugla, Turkey : Mediterranean Coastal Foundation, 2017. Vol. 2. P. 925–935. URL: https://www.researchgate.net/publication/321035650_The_dynamics_of_sediments_grain-size_in_Limensky_Gulf (дата обращения: 21.01.2021).
17. Геология СССР. Т. 8. Крым. Ч. 1. Геологическое описание / [Гл. ред. А. В. Сидоренко]. М. : Недра, 1969. 576 с.
18. Зенкович В. П. Берега Черного и Азовского морей. М. : Географгиз, 1958. 374 с.
19. Репетин Л. Н., Белокопытов В. Н., Липченко М. М. Ветры и волнение в прибрежной зоне юго-западной части Крыма // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2003. Вып. 9. С. 13–28.
20. XBeach Technical Reference: Kingsday Release. Model description and reference guide to functionalities : report / D. J. A. Roelvink [et al.]. Delft : Deltares, 2015. 141 p. doi:10.13140/RG.2.1.4025.6244
21. Фомин В. В., Полозок А. А. Режим ветрового волнения в районе Балаклавской бухты // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2020. Вып. 2. С. 53–67. doi:10.22449/2413-5577-2020-2-53-67
22. Factors of formation and features of physical and chemical characteristics of the bottom sedi-ments in the Balaklava Bay (the Black Sea) / K. I. Gurov [et al.] // Physical Oceanography. 2015. No. 4. P. 46–52. doi:10.22449/1573-160X-2015-4-46-52
23. Зенкович В. П. Динамика и морфология морских берегов. М. ; Л. : Морской транспорт, 1946. Ч. 1 : Волновые процессы. 496 с.
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2021; 37: 85-97
Mathematical Modeling the Dynamics of the Bottom Sediments Granulometric Composition in the Balaklava Bay Affected by the Wind Waves
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-1-85-97Abstract
Purpose. Based on the mathematical modeling methods, influence of the wind waves on redistribution of the sand fractions in the semi-closed estuary-type water area is estimated using the Balaklava Bay as an example.
Methods and Results. A two-dimensional version of the XBeach model with a constant grid spacing 10 m was used. The characteristics of wind waves were preset using the JONSWAP spectrum implying fixed height, wave period and various combinations of the wave direction. The calculations were carried out for a storm event lasting about 12 hours once a year. The in-situ data on the particle size distribution in the bottom sediments resulted from the monitoring observations performed by the Marine Hydrophysical Institute, Russian Academy of Sciences, in the Balaklava Bay region was used in the numerical experiments.
Conclusions. The results of modeling showed that the basic determining factors regulating the sediments movement were the depth and the bottom slope. It is noted that changing of the bottom inclination angle between the isobaths 6–7 and 7–8 m leads to deposition of the large and medium fractions, and in the area between the isobaths 9–10 and 10–12 m – to accumulation of fine sand. It was revealed that in the Balaklava Bay water area, the main redistribution of sand material caused by the storm waves took place within the southern basin, as well as at the bay exit in the coastal zone of the Megalo-Yalo Bay. This is primarily determined by the features of the Balaklava Bay coast orography, namely, the knee-shaped narrowness separating the northern and southern basins. Nevertheless, in the isolated northern part of the Balaklava Bay being affected by the storm waves, insignificant dynamics of sand material was observed. The fractions of bottom sediments are redistributed from the western coast to the central part of the basin and to the eastern coast of the bay.
References
1. Lomakin P. D., Popov M. A. Okeanologicheskaya kharakteristika i otsenka zagryazneniya vod Balaklavskoi bukhty. Sevastopol' : EKOSI-Gidrofizika, 2013. 218 s.
2. Verigo A. A. Issledovanie tselebnoi gryazi iz melkovodnoi Balaklavskoi bukhty // Otchety o deyatel'nosti Odesskogo bal'neologicheskogo obshchestva. Odessa, 1888. Vyp. 3 : S iyunya 1883 po oktyabr' 1887 goda / Pod red. d-ra M. Pogrebinskogo. S. 22–26.
3. Mironov O. G., Kiryukhina L. N., Alemov S. V. Kompleksnye ekologicheskie issledovaniya Balaklavskoi bukhty // Ekologiya morya. 1999. Vyp. 49. S. 16–21.
4. Organic matter and grain-size distribution of the modern bottom sediments in the Balaklava Bay (the Black Sea) / N. A. Orekhova [et al.] // Physical Oceanography. 2018. Vol. 25, iss. 6. P. 479–488. doi:10.22449/1573-160X-2018-6-479-488
5. Tikhonova E. A., Kotel'yanets E. A., Gurov K. I. Soderzhanie organicheskikh veshchestv i tyazhelykh metallov v donnykh otlozheniyakh Balaklavskoi bukhty (Chernoe more) // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon morya. 2019. Vyp. 3. C. 82–88. doi:10.22449/2413-5577-2019-3-82-89
6. Ovsyany E. I., Kotelyanets E. A., Orekhova N. A. Arsenic and heavy metals in the bottom sediments of the Balaklava Bay (Black Sea) // Physical Oceanography. 2009. Vol. 19, iss. 4. 254. https://doi.org/10.1007/s11110-009-9048-4
7. Pollutants in Bottom Sediments in the Balaklava Bay (the Black Sea) / E. A. Kotelyanets [et al.] // Physical Oceanography. 2019. Vol. 26, iss. 5. P. 414–424. doi:10.22449/1573-160X-2019-5-414-424
8. Modelling storm impacts on beaches, dunes and barrier islands / D. Roelvink [et al.] // Coastal Engineering. 2009. Vol. 56, iss. 11–12. P. 1133–1152. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2009.08.006
9. Van Rijn L. C., Tonnon P. K., Walstra D. J. R. Numerical modelling of erosion and accretion of plane sloping beaches at different scales // Coastal Engineering. 2011. Vol. 58, iss. 7. P. 637–655. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2011.01.009
10. Impacts of wave and tidal forcing on 3D nearshore processes on natural beaches. Part I: Flow and turbulence fields / R. Bakhtyar [et al.] // Ocean Systems Engineering. 2016. Vol. 6, iss. 1. P. 23–60. http://dx.doi.org/10.12989/ose.2016.6.1.023
11. Leont'ev I. O. Modelirovanie beregovogo profilya, sformirovannogo shtormovym tsiklom // Okeanologiya. 2018. T. 58, № 6. S. 973–981. doi:10.1134/S0030157418060084
12. Leont'ev I. O. Shtormovye deformatsii beregovogo sklona s podvodnymi valami // Okeanologiya. 2019. T. 59, № 1. S. 125–132. https://doi.org/10.31857/S0030-1574591125-132
13. Kuznetsova O. A., Saprykina Ya. V. Modelirovanie izmenchivosti peschanogo plyazha pri vzaimodeistvii voln s podvodnym valom // Geomorfologiya. 2019. № 3. S. 57–67. doi:10.31857/S0435-42812019357-67
14. Kubryakov A. I., Popov M. A. Modelirovanie tsirkulyatsii i rasprostraneniya zagryaznyayushchei primesi v Balaklavskoi bukhte // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2005. № 3. S. 49–61.
15. Fomin V. V., Repetin L. N. Chislennoe modelirovanie vetrovykh techenii i rasprostraneniya primesi v Balaklavskoi bukhte // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2005. № 4. S. 43–58.
16. Gurov K. I., Fomin V. V. Dynamics of sediments grainsize in Limensky Gulf // Proceedings of the Thirteenth International MEDCOAST Congress on Coastal and Marine Sciences, Engineer-ing, Management and Conservation, MEDCOAST 17, 31 Oct – 04 Nov 2017 / Ed. E. Özhan. Dalyan, Mugla, Turkey : Mediterranean Coastal Foundation, 2017. Vol. 2. P. 925–935. URL: https://www.researchgate.net/publication/321035650_The_dynamics_of_sediments_grain-size_in_Limensky_Gulf (data obrashcheniya: 21.01.2021).
17. Geologiya SSSR. T. 8. Krym. Ch. 1. Geologicheskoe opisanie / [Gl. red. A. V. Sidorenko]. M. : Nedra, 1969. 576 s.
18. Zenkovich V. P. Berega Chernogo i Azovskogo morei. M. : Geografgiz, 1958. 374 s.
19. Repetin L. N., Belokopytov V. N., Lipchenko M. M. Vetry i volnenie v pribrezhnoi zone yugo-zapadnoi chasti Kryma // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa. Sevastopol' : EKOSI-Gidrofizika, 2003. Vyp. 9. S. 13–28.
20. XBeach Technical Reference: Kingsday Release. Model description and reference guide to functionalities : report / D. J. A. Roelvink [et al.]. Delft : Deltares, 2015. 141 p. doi:10.13140/RG.2.1.4025.6244
21. Fomin V. V., Polozok A. A. Rezhim vetrovogo volneniya v raione Balaklavskoi bukhty // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon morya. 2020. Vyp. 2. S. 53–67. doi:10.22449/2413-5577-2020-2-53-67
22. Factors of formation and features of physical and chemical characteristics of the bottom sedi-ments in the Balaklava Bay (the Black Sea) / K. I. Gurov [et al.] // Physical Oceanography. 2015. No. 4. P. 46–52. doi:10.22449/1573-160X-2015-4-46-52
23. Zenkovich V. P. Dinamika i morfologiya morskikh beregov. M. ; L. : Morskoi transport, 1946. Ch. 1 : Volnovye protsessy. 496 s.
