Геоморфология и палеогеография, 2020, № 1, стр. 68-80

ВВЕДЕНИЕ

В связи с возрастанием интенсивности природопользования в прибрежной территории растет актуальность прогноза динамики берегов, как кратко- и средне-, так и долгосрочного.

Проблема устойчивости берегов морей и крупных внутренних водоемов становится все более актуальной на фоне глобальных климатических изменений и сопряженного с ними повышения уровня Мирового океана. Медленная “ползучая” трансгрессия уровня океана (до 1.5–2 мм/год и более по различным данным) приводит к активизации абразионного процесса практически по всему периметру береговой линии. Скорость отступания зависит от штормовой активности акватории и прочности формирующих берега пород и рыхлых отложений. Например, на Каспийском море подъем его уровня с 1979 г. до 1992 г. на 2.7 м привел к росту процента берегов абразионного типа до 73%. Это вызвало значительные разрушения берегов на территориях населенных пунктов и промышленных объектов в прибрежной зоне [2]. Схожие процессы имеют место и на берегах Онежского озера, хотя подъем его уровня объясняется и другими причинами.

Вопросами прогнозирования развития берегов и оценками степени их устойчивости занимались и занимаются В.В. Лонгинов [3], И.А. Правоторов [4], Д.В. Корзинин [5], И.О. Леонтьев [6, 7], П. Бруун [8], Г. Крид [9], М. Гонсалес [10], Р. Дин [11], Д. Крибель [12] и др. Применение разработанных ими методик наряду с использованием данных полевых работ, а также фондовых и опубликованных материалов позволило оценить современную динамику большинства типов берегов Онежского озера и их устойчивость и далее перейти к составлению ее прогноза.

Сопоставление профилей равновесия подводного берегового склона для различных типов берега Онежского озера дает возможность выявить их особенности, в частности – относительный возраст и степень устойчивости, характерные черты происходящих в их пределах динамических процессов. Все это должно учитываться при управлении природопользованием в ходе их хозяйственного освоения.

Понятие устойчивости морских берегов к размыву включает в себя не только физико-геологические свойства субстрата, но и морфологические особенности береговой зоны, которая подвержена разрушению до стадии выработки профиля динамического равновесия. Считается, что на этой стадии абразионный процесс затухает или полностью прекращается за счет равномерной диссипации волновой энергии без проявления остаточных деформаций подводного рельефа [13].

Достаточно надежным индикатором подобного состояния для большинства типов берегов могут служить расчетные профили динамического равновесия. Сопоставление их с реально существующими профилями подводного берегового склона позволяет сделать выводы об интенсивности протекания динамических процессов, свойственных берегу, в будущем. Наиболее эффективно проводить сопоставление профилей для диапазона глубин от уреза до нижней границы береговой зоны, которая соответствует почти половине длины волны [14].

Для Онежского озера характерны волны длиной до 20–22 м и иногда больше [15 ] . В случае постоянного повторения волн такой длины их воздействие на дно должно ощущаться до глубин 10–11 м. Однако подобные волны встречаются на Онежском озере достаточно редко и, главным образом, на открытой воде далеко от берега. Наблюдения показывают, что чаще всего высота воздействующих на береговую зону волн не превышает 1–1.2 м, длина таких волн не свыше 10 м [15 ] , а нижняя глубина их воздействия на дно – 5 м. Положение нижней границы береговой зоны на этих глубинах подтверждают полученные в ходе полевых исследований данные по донным отложениям – на этой глубине (или даже на несколько меньшей – 3–4 м – в зависимости от участка берега) пески сменяются илами, которые, как правило, накапливаются лишь за пределами активного волнового воздействия.

Цель работы – выявить основные закономерности и тенденции литодинамики береговой зоны Онежского озера в настоящем и будущем.

Для достижения основной цели были решены следующие задачи:

1. Охарактеризовать существующие методы построения профилей динамического равновесия, их достоинства и недостатки.

2. Рассчитать для ключевых участков профили динамического равновесия, характеризующие берег, и сопоставить их с реальными профилями подводного берегового склона.

3. Проанализировать тенденции развития берегов Онежского озера на ключевых участках большинства их типов, опираясь на конфигурацию полученных профилей.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для исследования динамики берегов и определения степени устойчивости подводного берегового склона применяют как экспериментальные, так и расчетные методы, в частности, построение профилей динамического равновесия и последующее сопоставление их с профилями подводного берегового склона. Важнейшее достоинство данного метода – его дешевизна, по сравнению с натурными наблюдениями. Другое преимущество – возможность определения тенденций развития береговой зоны за многолетний период, что невозможно сделать за один полевой сезон.

Существенный недостаток используемого метода – он базируется на сформулированном В.П. Зенковичем постулате о существовании так называемого “профиля динамического равновесия” [14]. Однако для значительной части протяженности берегов мира это достаточно абстрактное понятие. В частности, профиль равновесия является скорее абстрактным, чем реально существующим для Северного Прионежья с его сложенными прочными кристаллическими породами берегами и многочисленными заливами, закрытыми от волнового воздействия.

Длительное воздействие волн на береговой склон приводит к выработке профиля, который по отношению к этому воздействию является равновесным, что подтверждается и экспериментальными данными. Завершение формирования равновесного профиля указывает на отсутствие дефицита наносов, что, в свою очередь, позволяет говорить об отсутствии интенсивного абразионного воздействия в будущем при неизменности уровня озера и его волнового режима. Если профиль подводного берегового склона близок к профилю равновесия, можно говорить о высокой степени устойчивости берега и его подводного склона при данном уровне вод озера.

Согласно В.П. Зенковичу, равновесие твердых частиц возникает как следствие баланса между влечением частиц к берегу и силой тяжести. Формирующийся в таком случае профиль имеет вогнутую форму, причем, чем крупнее наносы, тем круче линия профиля [8]. Степень вогнутости профиля косвенным образом указывает на степень устойчивости берега, между этими параметрами существует обратно пропорциональная зависимость.

Для построения профилей равновесия подводного берегового склона используются как сравнительно простые модели (например, формула П. Брууна, подтвержденная Р. Дином [4]), так и более сложные, предполагающие свои расчеты для каждой из отдельных частей профиля [10]. В целом для берегов, сложенных мелкозернистым материалом (но не глинистыми или илистыми частицами), уравнение Дина–Брууна дает приемлемые результаты [4]. Мелкозернистым материалом подводный береговой склон Онежского озера сложен практически всюду, кроме Северного Прионежья.

П. Бруун, а впоследствии Р. Дин предложили следующие формулы, позволяющие построить профиль равновесия при наличии батиметрических данных по крупности донных отложений и по морфометрическим данным:

где h – глубина, x – расстояние от берега, W_s – гидравлическая крупность наносов, выраженная в см/с^–1. Параметр A в среднем имеет величину порядка 10^–1, особенно для мелкозернистого песка, но может достаточно заметно колебаться в зависимости от крупности наносов [4, 5].

Чтобы определить W_s по среднему размеру твердых частиц d_s, можно воспользоваться зависимостью ван Рейна (табл. 1, рис. 1) [6].

Для Онежского озера выделены семь типов берегов: слабоизмененные, абразионные, абразионно-аккумулятивные, аккумулятивные, лагунные, дельтовые и антропогенные (техногенные) [1]. Большая часть региона сложена устойчивыми к размыву докембрийскими кристаллическими породами, покрытыми чехлом четвертичных отложений, преимущественно ледниковых, мощностью от первых метров до первых десятков метров, в Северном Прионежье их мощность наименьшая [17 ] . В южной части Прионежья породы кристаллического фундамента имеют палеозойский возраст. Устойчивость докембрийских кристаллических пород к волновому воздействию и малая мощность четвертичных отложений в Северном Прионежье объясняют высокий процент слабоизмененных берегов, свойственный региону. Для некоторых из типов берегов, в частности, слабоизмененных или антропогенных, сопоставление профилей подводного берегового склона и профилей равновесия смысла, по сути, не имеет, как и расчет профилей равновесия как таковых.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При построении профилей равновесия необходимо учитывать гранулометрическую размерность донных отложений. Такие данные были получены в ходе полевых работ, выполненных сотрудниками Государственного океанографического института им. Н.Н. Зубова (ГОИН) в 2014–2015 гг., в которых принимали участие авторы данной статьи. В настоящее время по некоторым ключевым участкам эти данные уточняются по результатам работ, выполняемых сотрудниками ГОИНа в 2018–2019 гг. в рамках финансовой поддержки РФФИ (научный проект № 18-302-00545\18-19). Существенных расхождений с предыдущими данными не выявлено (рис. 2). Имеются также несколько картосхем, обобщающих имеющиеся литературные данные по гранулометрическому составу донных отложений [18, 19 ] . Одна из них приведена на рис. 3.

Наиболее типичными донными отложениями для подводного берегового склона Онежского озера являются глины и ил (прежде всего, в северной части озера), пески, галька и гравий (распространены исключительно вдоль берегов) [18–20 ] . Как правило, для донных отложений из обычного песка принималась средняя размерность 0.5 мм. Модель профиля равновесия применима не для всех отложений – доказана невозможность ее применения для участков берегового склона, сложенных илистыми и глинистыми отложениями, либо, напротив, крупными валунами. В силу этого профили, выполненные для таких берегов (в частности, для Северного и значительной части Восточного Прионежья) были признаны нерелевантными и не принимались во внимание при анализе полученных результатов. Также данная модель не применима для слабоизмененных и антропогенных берегов.

Предварительно на основе морфогенетического анализа выполнена типизация берегов, картосхема типов берегов представлена на рис. 4. На ней же показано расположение приведенных в статье профилей.

Построены и сопоставлены с профилями подводного берегового склона несколько десятков профилей равновесия для разных типов берегов, показанных на рис. 4, пять из них приведены ниже. Они представляют разные части Онежского озера, но большинство из них относятся к Западному Прионежью. Для Восточного, и особенно Северного Прионежья характерен значительный процент слабоизмененных берегов, для которых сопоставление профилей бесполезно. В Южном Прионежье донные осадки часто представлены илистыми фракциями, для таких участков берега сопоставление профилей также безрезультатно. Лишь в западной части региона среди донных отложений преобладают пески (см. рис. 3), поэтому здесь, для устья р. Мегры, выполнено совмещение профилей равновесия и подводного берегового склона.

В целом в Западном Прионежье преобладают абразионно-аккумулятивные берега, динамика которых в будущем представляется не совсем ясной. Однако здесь встречаются и абразионные, и аккумулятивные берега (см. рис. 4), что позволяет в пределах данного региона сопоставлять профили разных типов. Только здесь – практически повсеместно для береговой зоны – характерны донные песчаные отложения (см. рис. 2, 3), поэтому совмещение профилей для Западного Прионежья наиболее показательно, и именно эти профили приводятся в статье.

Некоторые из построенных профилей равновесия оказались менее приглубыми в сравнении с реальными профилями, а часть – более отмелыми; разница между линиями профилей варьирует от участка к участку. Это указывает на чередование фрагментов берега с преобладанием то абразионных, то аккумулятивных процессов, причем разной степени интенсивности. Характер процессов и их интенсивность, в свою очередь, определяются степенью устойчивости берегоформирующих пород к волновому воздействию и высотой берегового уступа, так как волновое воздействие в пределах региона примерно одинаково.

Если говорить про берега Онежского озера в целом, сопоставление профилей равновесия и профилей подводного берегового склона позволяет говорить о малой степени их выработанности, особенно для Северного Прионежья, что объясняется относительной молодостью берегов. В свою очередь, преобладание участков с заметно несовпадающими друг с другом профилями равновесия и профилями подводного берегового склона указывают на слабую степень потенциальной устойчивости значительной части берегов Онежского озера и их подводных береговых склонов.

Конфигурация профилей равновесия зависит от крупности материала, которая учтена в формуле, используемой для построения профилей. Основные характеристики последних приводятся в табл. 2. Сопоставление профилей динамического равновесия и профилей подводного берегового склона для различных участков показано на рис. 5.

Для профилей бухты Заячья (рис. 5, а) зафиксирован существенный дефицит наносов, особенно на глубинах от 5 до 11 м, но он имеет место и на глубинах менее 5 м, следовательно, стоит ожидать дальнейшей абразии или размыва берега средней интенсивности. В целом аналогичные выводы можно сделать и для профилей бухты Шокша, которая расположена поблизости (рис. 5, б). На абразионно-аккумулятивном берегу бухты Розмегской (рис. 5, в), напротив, в будущем аккумуляция будет преобладать над абразией, так как совмещение профилей указывает на наличие некоторого избытка наносов. Аналогичные выводы можно сделать по абразионно-аккумулятивному берегу бухты Гиморецкой, совмещение профилей для которой приводится на рис. 5 (г). Наконец, на участке берега напротив устья р. Мегры (рис. 5, д) произойдет размыв сформировавшихся там пляжей (берег здесь аккумулятивный), что, впрочем, довольно типично для всего озера и связано, по всей видимости, с подъемом его уровня на 0.4 м в середине прошлого столетия [17, 20 ] .

Следует уточнить, что сделанные выводы не обязательно распространяются на все побережье вышеупомянутых бухт, а только на те участки берега, для которых выполнено профилирование. Фигура, которая образуется тремя линиями: профилем подводного берегового склона, профилем равновесия и линией глубины замыкания, представляет собой графическое отображение объема дефицита или избытка (первый имеет место в случае, если линия профиля равновесия проходит над линией реального профиля подводного берегового склона) наносов. Разнообразие соотношений фактического профиля подводного берегового склона и профилей равновесия отображает не только разнообразие типов берегов озера, но и различия в размерности частиц наносов. В реальных условиях наносы имеют сложный гранулометрический состав разнородных частиц, который трудно учесть в расчетных формулах [17 ] . Использование такого параметра, как медианный диаметр частиц наносов не компенсирует этот недостаток, так как показывает только одну величину и не отражает полностью все разнообразие размерности частиц состава наносов. Неточности, допускаемые при усреднении размера частиц донных отложений, используемых для расчета конфигурации профиля равновесия, снижают точность последней.

Достаточно значительная разница в положении большинства профилей равновесия и профилей подводного берегового склона может быть объяснена “молодостью” берегов и прочностью большинства берегоформирующих пород, особенно в Северном Прионежье, это приводит к тому, что во многих районах на текущий момент подводный береговой склон слабо изменен под влиянием береговых процессов. Другими словами, его конфигурация не просто не приблизилась к конфигурации профиля равновесия, но и даже не начала приближаться к ней. Часто он защищен от воздействия волн озера так называемой “валунно-глыбовой отмосткой” – чехлом из крупнообломочного моренного материала, который его покрывает.

ВЫВОДЫ

Каждому из семи выделенных для Онежского озера типов берегов свойственны свои особенности профилей подводного берегового склона и профилей динамического равновесия, в том числе и различная степень их устойчивости. Наибольшей устойчивостью обладают аккумулятивные берега с профилем подводного берегового склона, близким по форме к профилю динамического равновесия. Сравнительно устойчивы также лагунные и дельтовые, в несколько меньшей степени – абразионно-аккумулятивные. В наибольшей степени профиль равновесия отличается от профиля подводного берегового склона для слабоизмененных и абразионных берегов; для аккумулятивных и дельтовых, напротив, они близки друг к другу (но бывают и исключения).

Анализ полученных профилей приближает к возможности прогнозирования их поведения в долгосрочной перспективе (на несколько десятилетий), и оценке степени устойчивости подводного берегового склона, но здесь имеется немало трудностей. За это время могут измениться уровень озера (устойчивые участки берега после этого могут стать неустойчивыми), крупность донных отложений, сила волнового воздействия.

Совмещение профилей подводного берегового склона и профилей равновесия позволяет примерно оценить расстояние, на которое берег может потенциально отступить или наступить при сохранении текущего уровня озера и размерности донных отложений. Также анализ совмещенных профилей дает возможность оценить примерный объем аккумуляции береговых отложений на подводном береговом склоне, но не темпы их накопления. Последние зависят от наличия впадающих рек и объемов их твердого стока, общей циркуляции вод озера, силы и направления ветров и волнения.

Значительное несовпадение профилей динамического равновесия и фактических профилей подводного берегового склона для большинства берегов Онежского озера указывает на имеющий место дефицит наносов (реже их избыток). Дефицит даже при неизменном уровне озера и отсутствии других значимых для динамики берегов изменений обусловливает потенциальную активность абразионных процессов. Дополнительно активизирует их подъем уровня Онежского озера на 0.4 м, который имел место вследствие строительства Свирской ГЭС [20 ] , что снижает степень устойчивости его берегов в целом и их подводного берегового склона и осложняет ее оценку.

Изучение имеющейся литературы и полевые исследования позволили выявить сдерживающие факторы, которые существенно замедляют абразионные процессы для большей части берегов Онежского озера. К ним относятся сильная изрезанность берега, существенно ослабляющая волновое воздействие в многочисленных губах и заливах, даже широких, а также прочность кристаллических берегоформирующих пород, преимущественно докембрийского возраста, прикрытых лишь тонким слоем четвертичных ледниковых отложений. Важную роль в сдерживании абразии играет также “валунно-галечная отмостка”, распространенная на многих участках, особенно в Северном Прионежье, которая сдерживает волновое воздействие.

На примере берегов Онежского озера показана возможность применения метода построения профилей равновесия для прогноза динамики берегов и оценки устойчивости берега и подводного берегового склона для крупных озер, водохранилищ и морских берегов, что актуально для всех побережий, используемых человеком.