Морской гидрофизический журнал. 2022; 38: 291-311
Учет локальных волновых и морфодинамических процессов в прибрежном гидротехническом строительстве
https://doi.org/10.22449/1573-160X-2022-3-271-290Аннотация
Цель. Оценки параметров волн в прибрежных акваториях имеют большое практическое значение для проектирования и эксплуатации объектов береговой инфраструктуры. В работе на примере района Сакской пересыпи (Западный Крым) излагается опыт исследования волновых и морфодинамических процессов в береговой зоне применительно к задачам проектирования и строительства защитных гидротехнических сооружений.
Методы и результаты. Для математического моделирования волновых и морфодинамических процессов в исследуемом районе использовались: спектральная модель ветрового волнения SWAN, гидродинамическая модель SWASH, комплексная морфодинамическая модель XBeach, интегральная модель эволюции береговой зоны GenCade. Волновой режим анализировался с использованием 41-летних временных рядов (1979–2019 гг.) волновых параметров, полученных на основе ретроспективных расчетов ветрового волнения по модели SWAN и данных атмосферного реанализа ERA. Получены оперативные и экстремальные характеристики ветрового волнения. Проведено моделирование пространственной структуры волновых полей для разных типов ветровых воздействий. Показано, что наиболее интенсивное волнение возникает при юго-западном ветре. Даны оценки высоты и длины наката волн на берег. Проведены расчеты деформаций профиля береговой зоны для штормов разной длительности. Получены значения суммарного за год вдольберегового потока наносов на участке проектирования за период 1979–2019 гг. Установлено, что в 70% случаев поток наносов направлен в сторону евпаторийского побережья.
Выводы. Исследования показали, что пренебрежение научно обоснованными рекомендациями при проектировании объектов прибрежной инфраструктуры может привести к нарушению существующей природной системы формирования береговой зоны и к существенным негативным последствиям для берега на участке протяженностью до 10 км. Эти последствия могут быть выражены в сокращении ширины пляжной зоны, понижении высотных отметок, в замене на некоторых участках песка на галечно-гравийные фракции, что ухудшает рекреационные свойства пляжей. С учетом планового расположения основания ограждающей стены на отдельных участках возможен подмыв и повреждение стены набережной. Эти выводы подтвердились на практике уже в ходе строительства объекта. По результатам проведенной работы были даны рекомендации по исключению из проекта сооружений, возведение которых может привести к существенным негативным изменениям в морфодинамике береговой зоны.
Список литературы
1. Шуйский Ю. Д. Основные закономерности морфологии и динамики западного берега Крымского полуострова // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2005. Вып. 13. С. 62–72.
2. Горячкин Ю. Н., Долотов В. В. Морские берега Крыма. Севастополь : ООО «Колорит», 2019. 256 с.
3. Дзенс-Литовский А. И. Пересыпи и лиманы Азово-Черноморского побережья и степного Крыма // Природа. 1938. № 6. С. 22–35.
4. Гуров К. И. Результаты мониторинга динамики береговой зоны и гранулометрического состава наносов пляжей в центральной части Каламитского залива // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2020. № 1. С. 36–46. doi:10.22449/2413-5577-2020-1-36-46
5. Booij N., Ris R. C., Holthuijsen L. H. A third-generation wave model for coastal regions: 1. Model description and validation // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1999. Vol. 104, iss. C4. P. 7649–7666. https://doi.org/10.1029/98JC02622
6. Zijlema M., Stelling G., Smit P. SWASH: An operational public domain code for simulating wave fields and rapidly varied flows in coastal waters // Coastal Engineering. 2011. Vol. 58, iss. 10. P. 992–1012. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2011.05.015
7. XBeach Technical Reference: Kingsday Release. Model description and reference guide to functionalities / D. J. A. Roelvink [et al.]. Delft : Deltares, 2015. P. 1–141. doi:10.13140/RG.2.1.4025.6244
8. GenCade version 1 model theory and user’s guide / A. E. Frey [et al.]. Vicksburg, MS : U.S. Army Engineer Research and Development Center, Coastal and Hydraulics Laboratory, 2012. P. 12–25. (Technical reports ; ERDC/CHL TR). URL: https://usace.contentdm.oclc.org/digital/collection/p266001coll1/id/4328 (date of access: 15.01.2021).
9. Extreme wind waves in the Black Sea / B. V. Divinsky [et al.] // Oceanologia. 2020. Vol. 62, iss. 1. P. 23–30. https://doi.org/10.1016/j.oceano.2019.06.003
10. Amarouche K., Akpınar A. Increasing Trend on Storm Wave Intensity in the Western Mediterranean // Climate. 2021. Vol. 9, iss. 1.
11. https://doi.org/10.3390/cli9010011 11. Estimation of extreme wind wave heights / L. J. Lopatoukhin [et al.]. Geneva, Swirzerland : WMO & IOC, 2000. (JCOMM Technical Report 9). 73 p. https://doi.org/10.25607/OBP-1495
12. Гуров К. И., Удовик В. Ф., Фомин В. В. Моделирование штормовых изменений рельефа береговой зоны и гранулометрического состава наносов в районе пересыпи оз. Богайлы (Западный Крым) // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 2. С. 185–196. doi:10.22449/0233-7584-2019-2-185-196
13. Леонтьев И. О., Акивис Т. М. О воздействии системы бун на песчаный берег // Океанология. 2020. Т. 60, № 3. С. 474–484. doi:10.31857/S0030157420030041
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2022; 38: 291-311
Accounting for the Local Wave and Morphodynamic Processes in Coastal Hydraulic Engineering
https://doi.org/10.22449/1573-160X-2022-3-271-290Abstract
Purpose. Estimates of wave parameters in the coastal waters are of great practical importance for designing and operating coastal infrastructure facilities. On the example of the Saki bay-bar region (Western Crimea), the experience of studying the wave and morphodynamic processes in the coastal zone is presented being applied to the tasks of designing and building protective hydraulic structures.
Methods and Results. Mathematical modeling of the wave and morphodynamic processes in the area under study was done using the following: spectral model of the wind waves SWAN, hydrodynamic model SWASH, complex morphodynamic model XBeach and integral model of the coastal zone evolution GenCade. The wave regime was analyzed using the 41-year time series (1979–2019) of wave parameters resulted from the retrospective calculations of wind waves based on the SWAN model and the ERA atmospheric reanalysis data. The operational and extreme characteristics of wind waves were obtained. Spatial structure of the wave fields for different types of the wind effects was modeled. The most intense waves are shown to occur during the southwest wind. The height and length of wave run-up on the coast and the coastal zone profile deformations for the storms of different durations were estimated. The values of the total annual along-coastal sediment flow in the design area were obtained for 1979–2019. In 70% of the cases, the sediment flow was established to be directed towards the Evpatoriya coast.
Conclusions. The studies have shown that neglecting scientifically based recommendations when designing coastal infrastructure facilities can lead both to disruption of the existing system of the coastal zone natural formation, and to significant negative consequences for the coastline of almost 10 km length. These consequences can be manifested in a reduction of the beach zone width, a decrease in elevation marks and replacement of sand with the pebble-gravel fractions in some areas that worsen recreational features of the beaches. Having been analyzed and taken into account, the planned location of the base of the enclosing wall shows that in some parts, the embankment wall can be possibly washed away and damaged. These conclusions were confirmed in practice already during the facility construction. Based on the results of the performed study, the constructions contributing significantly to the changes in the coastal zone morphodynamics were recommended for exclusion from the project.
References
1. Shuiskii Yu. D. Osnovnye zakonomernosti morfologii i dinamiki zapadnogo berega Krymskogo poluostrova // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa. Sevastopol' : EKOSI-Gidrofizika, 2005. Vyp. 13. S. 62–72.
2. Goryachkin Yu. N., Dolotov V. V. Morskie berega Kryma. Sevastopol' : OOO «Kolorit», 2019. 256 s.
3. Dzens-Litovskii A. I. Peresypi i limany Azovo-Chernomorskogo poberezh'ya i stepnogo Kryma // Priroda. 1938. № 6. S. 22–35.
4. Gurov K. I. Rezul'taty monitoringa dinamiki beregovoi zony i granulometricheskogo sostava nanosov plyazhei v tsentral'noi chasti Kalamitskogo zaliva // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon morya. 2020. № 1. S. 36–46. doi:10.22449/2413-5577-2020-1-36-46
5. Booij N., Ris R. C., Holthuijsen L. H. A third-generation wave model for coastal regions: 1. Model description and validation // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1999. Vol. 104, iss. C4. P. 7649–7666. https://doi.org/10.1029/98JC02622
6. Zijlema M., Stelling G., Smit P. SWASH: An operational public domain code for simulating wave fields and rapidly varied flows in coastal waters // Coastal Engineering. 2011. Vol. 58, iss. 10. P. 992–1012. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2011.05.015
7. XBeach Technical Reference: Kingsday Release. Model description and reference guide to functionalities / D. J. A. Roelvink [et al.]. Delft : Deltares, 2015. P. 1–141. doi:10.13140/RG.2.1.4025.6244
8. GenCade version 1 model theory and user’s guide / A. E. Frey [et al.]. Vicksburg, MS : U.S. Army Engineer Research and Development Center, Coastal and Hydraulics Laboratory, 2012. P. 12–25. (Technical reports ; ERDC/CHL TR). URL: https://usace.contentdm.oclc.org/digital/collection/p266001coll1/id/4328 (date of access: 15.01.2021).
9. Extreme wind waves in the Black Sea / B. V. Divinsky [et al.] // Oceanologia. 2020. Vol. 62, iss. 1. P. 23–30. https://doi.org/10.1016/j.oceano.2019.06.003
10. Amarouche K., Akpınar A. Increasing Trend on Storm Wave Intensity in the Western Mediterranean // Climate. 2021. Vol. 9, iss. 1.
11. https://doi.org/10.3390/cli9010011 11. Estimation of extreme wind wave heights / L. J. Lopatoukhin [et al.]. Geneva, Swirzerland : WMO & IOC, 2000. (JCOMM Technical Report 9). 73 p. https://doi.org/10.25607/OBP-1495
12. Gurov K. I., Udovik V. F., Fomin V. V. Modelirovanie shtormovykh izmenenii rel'efa beregovoi zony i granulometricheskogo sostava nanosov v raione peresypi oz. Bogaily (Zapadnyi Krym) // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2019. T. 35, № 2. S. 185–196. doi:10.22449/0233-7584-2019-2-185-196
13. Leont'ev I. O., Akivis T. M. O vozdeistvii sistemy bun na peschanyi bereg // Okeanologiya. 2020. T. 60, № 3. S. 474–484. doi:10.31857/S0030157420030041
