Моделирование транспорта донных осадков в районе Голубого залива Черного моря

Изучены процессы эрозии и седиментации донных осадков в районе Голубого залива Черного моря с использованием численной модели XBeach (eXtreme Beach behavior), которая описывает волны, течения, транспорт наносов и изменения рельефа дна. Источником энергии для прибрежных процессов являлось штормовое...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2013
Автор: Алексеев, Д.В.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2013
Назва видання:Доповіді НАН України
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/86715
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Моделирование транспорта донных осадков в районе Голубого залива Черного моря / Д.В. Алексеев // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2013. — № 12. — С. 94–100. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-86715
record_format dspace
spelling irk-123456789-867152025-02-10T01:09:10Z Моделирование транспорта донных осадков в районе Голубого залива Черного моря Моделювання транспорту донних осадкiв в районi Блакитної затоки Чорного моря Simulation of the sediment transport in the region of the Blue Bay of the Black Sea Алексеев, Д.В. Науки про Землю Изучены процессы эрозии и седиментации донных осадков в районе Голубого залива Черного моря с использованием численной модели XBeach (eXtreme Beach behavior), которая описывает волны, течения, транспорт наносов и изменения рельефа дна. Источником энергии для прибрежных процессов являлось штормовое волнение. Рассмотрены случаи набегания штормовых волн из юго-западной и юго-восточной частей моря. Установле- но, что при набегании волн из юго-восточной части моря эрозия происходит на больших глубинах (до 10 м), чем при набегании волн с юго-запада (до 5–10 м). В первом случае преобладает перенос донных осадков вдоль берега на северо-восток, а во втором — существенным оказывается перенос в направлении от берега. Накопление осадков происходит глубже областей эрозии в непосредственной близости от них. Вивчено процеси ерозiї й седиментацiї донних осадкiв у районi Блакитної затоки Чорного моря з використанням числової моделi XBeach (eXtreme Beach behavior), яка описує хвилi, течiї, транспорт наносiв i змiни рельєфу дна. Джерелом енергiї для прибережних процесiв було штормове хвилювання. Розглянуто випадки набiгання штормових хвиль iз пiвденно-захiдної й пiвденно-схiдної частин моря. Встановлено, що при набiганнi хвиль iз пiвденно-схiдної частини моря ерозiя вiдбувається на бiльших глибинах (до 10 м), нiж при набiганнi хвиль iз пiвденного заходу (до 5–10 м). У першому випадку переважає перенесення донних осадкiв уздовж берега на пiвнiчний схiд, а в другому iстотним виявляється перенесення у напрямi вiд берега. Нагромадження осадкiв вiдбувається глибше областей ерозiї в безпосереднiй близькостi вiд них. The processes of erosion and sedimentation of bottom sediments in the region of the Blue Bay of the Black Sea are studied by using the XBeach (eXtreme Beach behavior) numerical model, which describes waves, currents, sediment transport, and bottom profile changes. Storm waves are assumed to be a source of energy for the near shore processes. The cases of waves running from the south-west and south-east parts of the sea are considered. It is obtained that when waves run from the south-east, the erosion occurs on the bigger depths (up to 10 m) than when waves run from the south-west (up to 5–10 m). In the first case, the sediment transport along the shore to the north-east dominates. In the second one, the most significant transport occurs in the direction from the shore. The deposition of sediments takes place in the deeper regions than erosion ones in the near vicinity of them. 2013 Article Моделирование транспорта донных осадков в районе Голубого залива Черного моря / Д.В. Алексеев // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2013. — № 12. — С. 94–100. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/86715 551.465(262.5) ru Доповіді НАН України application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Науки про Землю
Науки про Землю
spellingShingle Науки про Землю
Науки про Землю
Алексеев, Д.В.
Моделирование транспорта донных осадков в районе Голубого залива Черного моря
Доповіді НАН України
description Изучены процессы эрозии и седиментации донных осадков в районе Голубого залива Черного моря с использованием численной модели XBeach (eXtreme Beach behavior), которая описывает волны, течения, транспорт наносов и изменения рельефа дна. Источником энергии для прибрежных процессов являлось штормовое волнение. Рассмотрены случаи набегания штормовых волн из юго-западной и юго-восточной частей моря. Установле- но, что при набегании волн из юго-восточной части моря эрозия происходит на больших глубинах (до 10 м), чем при набегании волн с юго-запада (до 5–10 м). В первом случае преобладает перенос донных осадков вдоль берега на северо-восток, а во втором — существенным оказывается перенос в направлении от берега. Накопление осадков происходит глубже областей эрозии в непосредственной близости от них.
format Article
author Алексеев, Д.В.
author_facet Алексеев, Д.В.
author_sort Алексеев, Д.В.
title Моделирование транспорта донных осадков в районе Голубого залива Черного моря
title_short Моделирование транспорта донных осадков в районе Голубого залива Черного моря
title_full Моделирование транспорта донных осадков в районе Голубого залива Черного моря
title_fullStr Моделирование транспорта донных осадков в районе Голубого залива Черного моря
title_full_unstemmed Моделирование транспорта донных осадков в районе Голубого залива Черного моря
title_sort моделирование транспорта донных осадков в районе голубого залива черного моря
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate 2013
topic_facet Науки про Землю
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/86715
citation_txt Моделирование транспорта донных осадков в районе Голубого залива Черного моря / Д.В. Алексеев // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2013. — № 12. — С. 94–100. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series Доповіді НАН України
work_keys_str_mv AT alekseevdv modelirovanietransportadonnyhosadkovvrajonegolubogozalivačernogomorâ
AT alekseevdv modelûvannâtransportudonnihosadkivvrajoniblakitnoízatokičornogomorâ
AT alekseevdv simulationofthesedimenttransportintheregionofthebluebayoftheblacksea
first_indexed 2025-07-06T14:15:29Z
last_indexed 2025-09-17T04:36:40Z
_version_ 1844102769772855296
fulltext оповiдi НАЦIОНАЛЬНОЇ АКАДЕМIЇ НАУК УКРАЇНИ 12 • 2013 НАУКИ ПРО ЗЕМЛЮ УДК 551.465(262.5) Д.В. Алексеев Моделирование транспорта донных осадков в районе Голубого залива Черного моря (Представлено членом-корреспондентом НАН Украины Л. В. Черкесовым) Изучены процессы эрозии и седиментации донных осадков в районе Голубого залива Чер- ного моря с использованием численной модели XBeach (eXtreme Beach behavior), которая описывает волны, течения, транспорт наносов и изменения рельефа дна. Источником энергии для прибрежных процессов являлось штормовое волнение. Рассмотрены случаи набегания штормовых волн из юго-западной и юго-восточной частей моря. Установле- но, что при набегании волн из юго-восточной части моря эрозия происходит на больших глубинах (до 10 м), чем при набегании волн с юго-запада (до 5–10 м). В первом случае преобладает перенос донных осадков вдоль берега на северо-восток, а во втором — су- щественным оказывается перенос в направлении от берега. Накопление осадков проис- ходит глубже областей эрозии в непосредственной близости от них. Проблема расчета переноса донных осадков особенно актуальна для береговой зоны морей, где происходит интенсивная трансформация и рассеивание энергии прибрежных вод [1]. Основной вклад в динамические процессы здесь вносят индуцируемые ветровым волнением течения [2], возникающие в результате диссипации энергии волн при их распространении к берегу. Скорость волновых течений в прибрежной зоне значительно больше, чем скорость постояннодействующих крупномасштабных течений, таких, например, как дрейфовые или термохалинные. Для Южного берега Крыма выполнены оценки интенсивности транспорта наносов волнами и течениями с использованием полуэмпирических методик, приведенных в монографии [2]. В данном сообщении представлены результаты расчетов переноса дон- ных осадков в районе Голубого залива Черного моря с использованием численной гидро- динамической модели XBeach (eXtreme Beach behavior) [3], описывающей волны, течения, транспорт наносов и изменения рельефа дна в штормовых условиях. 1. Математическая постановка задачи. Короткие волны в численной модели XBeach можно описать нестационарным уравнением баланса волновой энергии в спектральной фор- ме [3]: ∂A ∂t + ∂(cxA) ∂x + ∂(cyA) ∂y + ∂(cθA) ∂θ = − Dw σ , (1) © Д.В. Алексеев, 2013 94 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2013, №12 где t — время; x и y — горизонтальные координаты; A = Ew/σ — плотность волнового действия; Ew — энергия волн; σ — собственная частота волн; θ — направление распростра- нения волн; Dw — скорость диссипации энергии вследствие обрушения волн; cx, cy и cθ — скорости переноса энергии в направлении осей x, y и θ. Для описания передачи энергии обрушающихся волн к роллерам используется уравне- ние баланса энергии роллеров Er [3]: ∂Er ∂t + ∂(cxEr) ∂x + ∂(cyEr) ∂y + ∂(cθEr) ∂θ = Dw −Dr. (2) Здесь в качестве источника выступает Dw, при этом скорость диссипации энергии самих роллеров Dr. Возвышение уровня η и течения, индуцированные короткими и инфрагравитационными волнами, находим из нелинейных уравнений мелкой воды [3, 4]: ∂u ∂t + u ∂u ∂x + v ∂u ∂y − fv + g ∂η ∂x − µ ( ∂2u ∂x2 + ∂2u ∂y2 ) = Fx − τbx ρh , (3) ∂v ∂t + u ∂v ∂x + v ∂v ∂y + fu+ g ∂η ∂y − µ ( ∂2v ∂x2 + ∂2v ∂y2 ) = Fy − τby ρh , (4) ∂η ∂t + ∂(hu) ∂x + ∂(hv) ∂y = 0, (5) где u, v — компоненты скорости течения; f — параметр Кориолиса; g — ускорение силы тяжести; µ — коэффициент турбулентной вязкости; ρ — плотность воды; h — динамическая глубина; τbx, τby — компоненты придонных касательных напряжений трения, квадратично зависящие от скоростей течений; Fx, Fy — компоненты индуцированного волнами допол- нительного импульса: Fx = − ∂(Sxx +Rxx) ∂x − ∂(Sxy +Rxy) ∂y , Fy = − ∂(Sxy +Rxy) ∂x − ∂(Syy +Ryy) ∂y . (6) Здесь Sij, Rij зависят от Ew, Er и представляют собой напряжения, обусловленные со- ответственно наличием волн и роллеров. Потоки наносов в модели XBeach определяются выражениями [3] Qx = hCu− µch ∂C ∂x , Qy = hCv − µch ∂C ∂y , (7) где C — осредненная по глубине концентрация наносов; µc — коэффициент турбулентной диффузии. Изменения C получаем из уравнения переноса и диффузии вида [3] ∂(hC) ∂t + ∂Qx ∂x + ∂Qy ∂y − h Ceq − C T = 0, (8) где Ceq — равновесная концентрация; T — время адаптации концентрации к равновесному состоянию. Далее по известным Qx, Qy можно определить деформации дна, согласно уравнению [3]: (1− p) ∂zb ∂t + ∂qx ∂x + ∂qy ∂y = 0, (9) ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2013, №12 95 где qx = Qx + α|u| ∂zb ∂x , qy = Qy + α|v| ∂zb ∂y , zb — координата донной поверхности; p — по- ристость грунта; α = 1–10. При решении уравнения (1) на твердых боковых границах полагаем, что Ew = 0. По угловой переменной используется условие периодичности Ew(θ = 0) = Ew(θ = 2π), по час- тотной переменной для σmin и σmax — условие E(σmin) = E(σmax) = 0. В численной модели XBeach для задания граничных условий на мористой границе используется двумерный час- тотно-угловой спектр вида Ew(σ, θ) = F (σ)ψ(l) cos2l ( θ − θ 2 ) , ψ(l) = 22l−1 π Γ2(l + 1) Γ(2l + 1) , (10) где l — показатель степени углового рассеивания волн; Γ — гамма-функция; F (σ) — час- тотный спектр JONSWAP (Joint North Sea Wave Project), определяемый по формуле F (σ) = 0,307αF ( hs σp ) exp(−1,23a−4) a5 γβ , (11) где a = σ σp , β = exp ( − (a− 1)2 2b ) , b = { 0,07 при a 6 1, 0,09 при a > 1, hs — высота значительных волн; σp — частота волн, соответствующая пику спектра (τp = 2π/σp — период пика спектра); γ — параметр пиковатости спектра; αF = 0,0131 — обобщенный параметр Филлипса. В уравнениях мелкой воды (3)–(5) и в уравнении транспорта осадков (8) на твердых боковых границах предполагается отсутствие потоков жидкости и осадков. На жидких гра- ницах применялось условие свободного прохождения [3]. 2. Анализ результатов численных экспериментов. Рельеф дна расчетной области иллюстрирует рис. 1. Шаги сетки по осям x и y составляют 20 м. На восточной и за- падной границах расчетной области для волнения задавались условия свободного прохож- дения. На южной границе параметры входящих волн определялись на основе соотноше- ний (10), (11). Параметры частотного спектра JONSWAP принимались следующими: высо- та значительных волн hs = 6 м; пиковый период волн τp = 11 с; параметр пиковатости спектра γ = 3,3; показатель степени углового рассеивания волн l = 10. Данные параметры соответствуют развитому ветровому волнению штормовой силы и получены из предвари- тельных численных экспериментов [5] с использованием спектральной волновой модели SWAN [6] на четырех вложенных сетках, последняя из которых соответствовала расчетной области, приведенной на рис. 1. В начальный момент времени донные осадки с диамет- ром частиц D50 = 5 · 10−4 м и плотностью 2650 кг/м3 покрывали дно равномерным слоем толщиной 25 см. Согласно 20-летним рядам данных наблюдений на океанографической платформе [7], расположенной в районе Голубого залива, наибольшей повторяемостью здесь характери- зуются ветры северо-восточного и юго-западного направлений, т. е. вдольбереговые ветры. Однако наибольший разгон имеют волны, создаваемые ветрами юго-западного направле- ния, вследствие чего они вызывают наиболее интенсивные волновые течения. Поэтому рас- смотрим процессы эрозии и седиментации донных осадков, когда волны распространяются из юго-западной части Черного моря. Для сравнения изучим случай распространения волн из юго-восточной части моря, которые также имеют значительный разгон. Интегрирование по времени выполнялось в течение одних суток. 96 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2013, №12 Рис. 1. Рельеф дна (м) в районе Голубого залива. Вертикальная ось направлена вверх, α1 и α2 — направ- ления набегания волн. На врезке звездочкой показано положение Голубого залива Пространственное распределение волновых течений становится установившимся после 3 ч интегрирования. В случае набегания волн из юго-западной части Черного моря в облас- ти с глубинами более 20 м течения направлены на северо-восток (рис. 2, а) и их скорости достаточно малы (не превышают 0,01–0,02 м/с). Приведенное на рисунке а поле отражает среднюю по глубине циркуляцию вод в исследуемом районе. Между изобатами 20 и 10 м интенсивность течений существенно больше, а в распределении их направлений заметным становится влияние конфигурации береговой линии. В области с глубинами менее 10 м вол- новые течения приобретают характер интенсивной вдольбереговой струи с юго-запада на северо-восток со скоростью более 0,1 м/с. В Голубом заливе, вследствие его мелководности, ширина струи увеличивается, а ее интенсивность уменьшается. При набегании волн с юго-востока интенсивного вдольберегового потока не возникает. В поле средних по глубине волновых течений образуется два циклонических круговорота к западу от Голубого залива (см. в на рис. 2). Непосредственно в самом заливе течения направлены на север и северо-восток, причем их скорости здесь достигают максимальных значений относительно всего рассматриваемого региона. Однако по величине максимальная скорость волновых течений при набегании волн с юго-востока оказывается меньше, чем в случае их распространения с юго-запада. Интенсивность эрозионных процессов определяется величиной и пространственным рас- пределением придонных сдвиговых напряжений. В случае набегания волн с юго-запада наибольшие по величине придонные сдвиговые напряжения имеют место в достаточно уз- кой прибрежной полосе. На востоке рассматриваемой области в Голубом заливе эта полоса ограничена изобатой 5 м, а на западе — изобатой 10 м. На начальном этапе эрозия на- чинается на глубинах до 5 м. Это приводит к увеличению концентрации донных осадков, которые вовлечены в процесс переноса волновыми течениями у дна и в толще воды. На западе придонные сдвиговые напряжения направлены практически на юг и имеют макси- ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2013, №12 97 Рис. 2. Поле скоростей (м/с) средних по глубине установившихся волновых течений (а, в) и суммарная кон- центрация переносимых донных осадков (б, г) после 24 ч воздействия волновых течений в районе Голубого залива при набегании волн с юго-запада (а, б ) и юго-востока (в, г). Изолинии глубин приведены в м мальные величины, а в Голубом заливе у них достаточно велика восточная составляющая и их величины имеют несколько меньшие значения. Все это определяет направление и ин- тенсивность переноса донных осадков. Вследствие более интенсивного переноса суммарная концентрация находящихся в подвижном состоянии донных осадков в западной части рас- сматриваемой акватории меньше, чем в восточной. При этом в первом случае область, в которой происходит перемещение осадков, значительно шире, чем во втором. На глубинах более 5–10 м придонные сдвиговые напряжения меньше значения, необходи- мого для начала процесса эрозии. Здесь начинает преобладать процесс осаждения донных осадков. Поскольку скорости придонных волновых течений быстро убывают по мере уда- 98 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2013, №12 ления от берега и на глубинах более 10 м становятся незначительными, то вынос донных осадков из областей эрозии редко происходит в районы с глубинами более 10 м. Это и опре- деляет границы области последующего осадконакопления. Поскольку продолжительность процесса эрозии ограничена запасом осадков на дне, то с течением времени концентрация переносимых осадков перестает возрастать и постепенно начинает уменьшаться за счет их выноса за границы областей эрозии и последующего осаждения. После 24 ч значительная по размерам область с высокой концентрацией имеет место только в Голубом заливе, вынос осадков из которого происходил менее интенсивно, чем в западной части акватории (см. б на рис. 2). В случае набегания волн с юго-востока придонные сдвиговые напряжения в прибрежной зоне имеют несколько большие значения, чем в случае набегания волн с юго-запада, хотя, как описано выше, для средних по глубине течений отмечается обратная закономерность. Это приводит к возникновению больших по площади областей эрозии, границы которых располагаются мористее, относительно рассмотренного случая. Причем, поскольку данные границы практически всюду совпадают с изобатой 10 м, то в Голубом заливе располагается самая обширная область эрозии. Расширение областей эрозии и наличие в поле средних по глубине течений районов, где они направлены от берега, приводят к образованию суще- ственно больших по площади областей со значительными концентрациями перемещаемых донных осадков, чем в случае набегания волн с юго-запада (см. б и г на рис. 2). Таким образом, для района Голубого залива Черного моря рассмотрены особенности эрозионных процессов в штормовых условиях. При набегании волн из юго-восточной части моря эрозия происходит на больших глубинах (до 10 м), чем при набегании волн с юго-запа- да (до 5–10 м). В первом случае преобладает перенос донных осадков вдоль берега с юго-за- пада на северо-восток, а во втором — существенным оказывается перенос в направлении от берега. Накопление осадков происходит мористее областей эрозии в непосредственной близости от них. 1. Блатов А.С., Иванов В.А. Гидрология и гидродинамика шельфовой зоны Черного моря. – Киев: Наук. думка, 1992. – 244 с. 2. Иванов В.А., Фомин В.В. Математическое моделирование динамических процессов в зоне море – суша. – Севастополь: НПЦ “ЭКОСИ-Гидрофизика”, 2008. – 363 с. 3. XBeach model description and manual. – UNESCO-IHE Institute for Water Education. – Deltares; Delft: Deltares and Delft Univ. Technology, 2010. – 106 p. 4. Черкесов Л. В., Иванов В.А., Хартиев С.М. Введение в гидродинамику и теорию волн. – Санкт-Пе- тербург: Гидрометеоиздат, 1992. – 264 с. 5. Михайличенко С.Ю., Фомин В.В. Расчеты нестационарного ветрового волнения в акватории Го- лубого залива на основе модели SWAN // Экол. безопасность прибреж. и шельф. зон и комплекс. использование ресурсов шельфа. – 2011. – 2, вып. 25. – С. 275–280. 6. SWAN technical documentation. – Delft: Delft Univ. Technology, 2007. – 98 p. 7. Иванов В.А., Репетин Л.Н., Мальченко Ю.А. Климатические изменения гидрометеорологических и гидрохимических условий прибрежной зоны Ялты. – Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2005. – 164 с. Поступило в редакцию 25.06.2013Морской гидрофизический институт НАН Украины, Севастополь ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2013, №12 99 Д.В. Алексеєв Моделювання транспорту донних осадкiв в районi Блакитної затоки Чорного моря Вивчено процеси ерозiї й седиментацiї донних осадкiв у районi Блакитної затоки Чорного моря з використанням числової моделi XBeach (eXtreme Beach behavior), яка описує хвилi, течiї, транспорт наносiв i змiни рельєфу дна. Джерелом енергiї для прибережних проце- сiв було штормове хвилювання. Розглянуто випадки набiгання штормових хвиль iз пiвден- но-захiдної й пiвденно-схiдної частин моря. Встановлено, що при набiганнi хвиль iз пiв- денно-схiдної частини моря ерозiя вiдбувається на бiльших глибинах (до 10 м), нiж при набiганнi хвиль iз пiвденного заходу (до 5–10 м). У першому випадку переважає перенесення донних осадкiв уздовж берега на пiвнiчний схiд, а в другому — iстотним виявляється пере- несення у напрямi вiд берега. Нагромадження осадкiв вiдбувається глибше областей ерозiї в безпосереднiй близькостi вiд них. D.V. Alekseev Simulation of the sediment transport in the region of the Blue Bay of the Black Sea The processes of erosion and sedimentation of bottom sediments in the region of the Blue Bay of the Black Sea are studied by using the XBeach (eXtreme Beach behavior) numerical model, which describes waves, currents, sediment transport, and bottom profile changes. Storm waves are assumed to be a source of energy for the near shore processes. The cases of waves running from the south-west and south-east parts of the sea are considered. It is obtained that when waves run from the south-east, the erosion occurs on the bigger depths (up to 10 m) than when waves run from the south-west (up to 5–10 m). In the first case, the sediment transport along the shore to the north-east dominates. In the second one, the most significant transport occurs in the direction from the shore. The deposition of sediments takes place in the deeper regions than erosion ones in the near vicinity of them. 100 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2013, №12