Численное исследование гидродинамического режима вод Таганрогского залива Азовского моря

Полный текст

Введение

Таганрогский залив расположен в северо-восточной части Азовского моря. Длина залива составляет 135 км, характерная ширина – 30 км. По отношению к основной акватории Азовского моря Таганрогский залив довольно мелководен; средняя глубина ~ 5 м [1]. Характерными геоморфологическими формами прибрежной зоны залива, как, впрочем, и всего моря, являются песчаные косы (рис. 1). 

Р и с. 1. Батиметрическая карта и морфометрические особенности Таганрогского залива Азовского моря (сверху); примеры кардинальной перестройки кос (снизу)

F i g.  1. Bathymetry map and morphometric features of Taganrog Bay in the Sea of Azov (on the top); examples of radical reshaping of spits (on the bottom)

На северном побережье наиболее развиты, значительно выдвинуты в открытое море косы Белосарайская, Кривая и Беглицкая. При этом генеральное направление Белосарайской и Кривой кос – с востока на запад, Беглицкой – обратное. В южной части залива ко́сы Очаковская, Чумбурская, Сазальникская и Ейская морфометрически направлены с запада на восток, при этом сами оконечности всех кос, кроме Ейской, временами могут простираться и в обратном направлении. Также с востока на запад направлены подводные продолжения этих кос, хорошо прослеживаемые изобатой 2 м на рис. 1. Дистальная часть косы Долгой, непосредственно ограничивающей с южной стороны Таганрогский залив, в зависимости от гидродинамических условий выгибается то в сторону залива, то в сторону открытого моря.

Отметим, что подобная картина наблюдалась и в прошлом (рис. 2). Красным цветом на рис. 2 выделены косы, направленные с востока на запад, синим – с запада на восток. На каждой карте приведен соответствующий год издания.

Рисунок 2 наглядно демонстрирует, что указанные выше особенности морфологического облика Таганрогского залива являются устойчивыми по крайней мере последние 250 лет.

Р и с. 2. Исторические карты Таганрогского залива (источник: интернет-архивы papacoma.narod.ru; www.etomesto.ru)

F i g.  2. Historical maps of Taganrog Bay (source: internet archives papacoma.narod.ru; www.etomesto.ru)

Пространственные положения основных кос Таганрогского залива (исключая косу Долгую) сведены в таблице.

Генеральные направления кос Таганрогского залива

General directions of the spits in Taganrog Bay

*Направление оконечности В-З, З-В. /

* Direction of extremity E-W, W-E.

Еще раз укажем, что, за исключением косы Беглицкой, песчаные косы северной части Таганрогского залива (Белосарайская и Кривая) ориентированы с востока на запад. Косы южного побережья (Очаковская, Чумбурская, Сазальникская, Ейская), а также Беглицкая коса северного побережья, направлены в обратную сторону – с запада на восток. Итак, как следует из рис. 1, 2, в развитии кос северного и южного побережий залива обнаруживаются определенные закономерности, исследования которых и составляют предмет настоящей работы.

Формирование и трансформация песчаных кос происходят под влиянием морфологических (условия залегания коренных пород, гранулометрический состав осадков, наличие/отсутствие подпитки пляжей) и гидродинамических (морские течения, преобладающее ветровое волнение, уровень моря) факторов. Морфо- и литодинамические особенности песчаных кос Таганрогского залива достаточно хорошо изучены. Обобщая результаты многочисленных исследований [2–8], отметим, что косы сложены в основном мелкозернистыми песками и крупными алевритами, которые с глубиной замещаются алевритовыми илами. Подводные основания кос, прослеживаемые до глубин ~ 3–4 м, состоят из песков с примесью ракуши и детрита. В целом, согласно работе [3], абразионные склоны северного и южного побережий залива обладают типологическим сходством.

Наиболее изученными гидродинамическими характеристиками вод Таганрогского залива являются ветровые нагоны, что связано в немалой степени с развитой системой наблюдений за уровнем моря на многочисленных гидрологических постах вдоль всего побережья Азовского моря [9–13]. Основная особенность залива – значительная амплитуда сгонно-нагонных явлений. К примеру, в Таганроге за период с 1882 по 1998 г. размах колебаний уровня моря составляет более 6 м [14].

Режим ветрового волнения Таганрогского залива (как части Азовского моря) подробно исследован в работах [15–17], в которых приведены климатические оценки основных параметров ветровых волн (высот, периодов, длин) на акватории всего Азовского моря. К сожалению, при анализе не учитывался ледовый покров, частично или полностью (что зависит от суровости атмосферных условий) покрывающий акваторию моря примерно с ноября по март. Присутствие льда непосредственно влияет на условия развития и трансформации ветрового волнения.

Параметры морских течений на акватории Таганрогского залива, полученные расчетным путем, проанализированы в нескольких научных пособиях [6, 15]. При этом основной недостаток данных заключается в том, что поля течений соответствуют только заданным направлениям и определенным градациям скорости ветра, другими словами, о климатических оценках характеристик течений речи не идет.

Итак, в предположении определенного морфологического сходства песчаных кос Таганрогского залива определим задачи настоящей работы:

• детально проанализировать гидродинамический режим вод Таганрогского залива;
• выявить возможные факторы, определяющие генеральную ориентацию кос северного побережья залива с востока на запад и южного – в обратном направлении, с запада на восток;
• предложить ответ на вопрос «Почему коса Беглицкая северного побережья не следует общему правилу и направлена с запада на восток?».

Кстати, в свое время еще известный советский исследователь В. П. Зенкович ¹ отмечал, что косы Кривая и Беглицкая повернуты друг относительно друга «ровно на 90°» (реально несколько больше), но не задавался вопросом о причинах этого.

Основной метод исследований – математическое моделирование.

Материалы и методы

Ключевыми факторами, определяющими гидродинамический режим акватории Таганрогского залива, являются морские течения, ветровое волнение, а также изменения уровня моря, вызванные штормовыми нагонами и сейшевыми колебаниями. В условиях мелководья эти факторы сильно взаимосвязаны. Повышение уровня трансформирует поля течений и волнения. Обрушение штормовых волн посредством радиационных напряжений корректирует величину и направление течений и, кроме того, увеличивает высоту нагонов. Картину усложняет возможное присутствие льда на акватории. С точки зрения моделирования протекающих гидродинамических процессов это означает, что раздельный расчет параметров течений, волнения и уровня является не совсем правильным. Более корректным является анализ всех процессов в рамках объединенной модели. Подобный метод реализован в более ранней работе автора [18] по исследованию гидродинамического режима всего Азовского моря с использованием следующих подходов:

1. Морские течения рассчитываются с помощью 5-слойной σ-координатной трехмерной модели ADCIRC, основанной на решении уравнений мелкой воды. Различные модификации модели хорошо себя зарекомендовали при исследованиях, в частности, экстремальных штормовых нагонов в Азовском море (например, в работе [9].
2. Параметры ветрового волнения рассчитываются с использованием спектральной волновой модели MIKE 21 SW Датского гидравлического института, успешно применяемой для условий Азовского и Черного морей [19].
3. Необходимые для моделирования поля атмосферного давления, компонентов приземного ветра и концентрации льда выбираются из базы данных глобального атмосферного реанализа ERA Шаг по времени – 3 ч для полей атмосферного давления и ветра, одни сутки – для полей концентрации льда.
4. Расчетная сетка сформирована на основе современной батиметрической карты Азовского моря [6].
5. Объединение моделей, учитывающее взаимодействие течений и волнения, осуществляется следующим образом: определяемые в гидродинамической модели возвышение уровня и параметры течений используются в спектральной волновой модели при расчетах параметров ветрового волнения; радиационные напряжения, генерируемые процессами обрушения волн и рассчитываемые волновой моделью, корректируют параметры течений.

Объединенная модель верифицирована с привлечением доступных экспериментальных данных по параметрам морских течений, ветрового волнения и уровня моря. Данные включают в себя результаты измерений, выполненные с помощью специализированных приборов (мареографов, RDI ADCP, зонда «Вектор-2»), а также спутниковые наблюдения.

В результате проведенных расчетов сформирована база данных ежечасных пространственных полей параметров течений и ветрового волнения, покрывающих всю акваторию Азовского моря, включая Таганрогский залив. Расчетный период – 42 года, с января 1979 по декабрь 2020 г.

Результаты и обсуждение

Вначале приведем несколько замечаний, уточняющих особенности используемого подхода к анализу гидродинамического воздействия на прибрежную зону:

1. Используются данные о характеристиках морских течений и ветрового волнения. Колебания уровня моря, точнее, штормовые нагоны, отдельно не рассматриваются, поскольку в процессе нагонов трансформируются как поля течений, так и волнения, уже непосредственно влияющие на деформации морского дна и береговой линии.
2. Применение трехмерной гидродинамической модели дает возможность анализировать именно придонные течения, ответственные за первоначальное взвешивание и перераспределение донного материала в прибрежной зоне моря.

На рис. 3 и 4 приведены соответственно розы придонных течений и ветрового волнения (в терминах значительных высот волн) в нескольких точках акватории Таганрогского залива. Поскольку в климатическом выражении преобладают относительно слабые течения и волнение, в данных, использованных для построения рис. 3, 4, не учитывались скорости течений меньше 0,1 м/с и высоты волн меньше 0,1 м. Повторяемости по скоростям течений или высотам волн и направлениям представлены для трех кос северного побережья (Белосарайской, Кривой, Беглицкой) и пяти – южного (Очаковской, Чумбурской, Сазальникской, Ейской, Долгой).

Р и с. 3. Розы придонных течений (%) за 1979–2020 гг.

F i g.  3. Roses of bottom currents (%) in 1979–2020

Р и с. 4. Розы ветрового волнения (%) за 1979–2020 гг.

F i g.  4. Roses of wind waves (%) in 1979–2020

Как показывают данные рис. 3, в прибрежных водах Белосарайской и Кривой кос повторяемость северо-восточных придонных течений в полтора раза превышает повторяемость юго-западных. Для Беглицкой косы характерно абсолютное доминирование (почти 80 %) западных течений. В районе Очаковской косы течения (напомним: со скоростями, превышающими 0,1 м/с) почти всегда направлены с запада на восток. В водах, омывающих Чумбурскую косу, повторяемость восточных течений несколько выше, чем юго-западных (55 и 38 % соответственно), но сильные течения со скоростями больше 0,2 м/с наблюдаются именно при течениях юго-западного сектора. Аналогичная картина характерна и для Ейской косы (60 % – восточные течения, 40 % – западные). К тому же на Ейской косе довольно высока повторяемость крайне сильных (более 0,25 м/с) западных течений, составляющая почти 5 %. В районе Сазальникской косы в 50 % случаев наблюдаются западные течения, в 30 % – восточные. Для косы Долгой характерно преобладание восточных течений (58 %); сильные течения могут формироваться как со стороны открытого моря, так и со стороны залива.

Степень развития ветрового волнения зависит от множества факторов: силы, устойчивости по направлению и времени действия ветрового потока, длины разгона, батиметрических особенностей. В нашем случае наиболее сильное ветровое волнение проявляется на входе в Таганрогский залив, а также в районе косы Беглицкой (рис. 4).

Волновой режим Белосарайской косы определяет волнение восточных (33 %), юго-западных (23 %) и южных (21 %) направлений. Для косы Кривой характерно доминирование волнения восточных (45 %) и юго-западных (31 %) румбов. В отличие от Белосарайской и Кривой, третья коса северного побережья, Беглицкая, испытывает преобладающее влияние штормов юго-западного направления. Очаковская коса, в силу своего положения и мелководности прибрежной зоны, наиболее защищена от сильного волнения; волны северо-восточного направления вносят наибольший вклад в формирование волнового режима. Для трех следующих кос южного побережья залива (Чумбурской, Сазальникской и Ейской) преобладает влияние северо-восточного волнения, но при этом наиболее сильные штормы приходят, как правило, с запада. В районе косы Долгой интенсивное волнение возможно практически со всех направлений, исключая, очевидно, южные и юго-восточные секторы.

Дополним картину некоторыми статистическими характеристиками значительных высот волн и скоростей придонных течений. На рис. 5, 6 приведены «ящики с усами» распределений соответственно высот волн и скоростей течений, включающие минимальные, максимальные и средние значения параметров, а также 5- и 95-процентные квантили распределений. Распределения построены отдельно для вдольбереговых течений, направленных условно с запада на восток (синие «ящики»), и обратных течений с востока на запад (красные). Для высот волн данные статистики аналогичны с тем лишь отличием, что сектор волнения («запад» или «восток») определяется по отношению к нормали к береговой линии.

Ветровое волнение наиболее развито в проливе и на северо-западном побережье залива (рис. 5).

Р и с. 5. Статистические характеристики распределений значительных высот волн (м) за 1979–2020 гг.

F i g.  5. Statistical characteristics of the distributions of significant wave heights (m) in 1979–2020

В прибрежных водах Белосарайской и Кривой кос высоты волн восточных направлений несколько превосходят как по средним, так и по максимальным показателям высоты волн при волнении западных румбов. Косы Беглицкая, Очаковская, Чумбурская, Сазальникская и Ейская подвержены сравнительно более слабому волнению. Для этих кос наблюдается в среднем доминирование волнения западного направления, но волнение с максимальными высотами волн развивается при восточных штормах. У косы Долгой складывается обратная ситуация: средняя высота волн у волнения восточных направлений превосходит среднюю высоту, характерную для западного волнения, но максимальные волны развиваются в штормах, приходящих с запада, со стороны открытого моря.

Наиболее сильные придонные течения с максимальными скоростями ~ 0,8 м/с образуются в западной части залива (рис. 6).

Р и с. 6. Статистические характеристики распределений скоростей придонных течений (м/с) за 1979–2020 гг.

F i g.  6. Statistical characteristics of the distributions of bottom current velocities (m/s) in 1979–2020

В прибрежных водах Белосарайской и Кривой кос западные и восточные потоки вод практически сопоставимы по скоростям, при этом среднемноголетние значения скоростей течений восточных потоков незначительно превосходят скорости течений западных направлений. В районе косы северного побережья Беглицкой, а также кос Очаковской, Чумбурской, Сазальникской и Ейской южной части залива заметно доминирование течений с запада, причем как по средним скоростям, так и по максимальным. При этом крайне небольшое исключение составляет режим вод у Сазальникской косы, где наибольшие скорости развиваются при восточных течениях. У косы Долгой климатические средние скорости восточных и западных течений равны, но максимальные скорости потоков характерны для течений из основной акватории моря в Таганрогский залив, превышая скорости течений обратных направлений почти в полтора раза.

Заметим, что пространственное положение Таганрогского залива, а имен-но вытянутость по линии ЗЮЗ – ВСВ, соответствует направлениям преобладающих ветров над акваторией залива, что способствует развитию сгонно-нагонных явлений, во многом определяющих циркуляцию вод. На рис. 7 в качестве примера представлены схематические карты, отображающие магнитуду и направление придонных течений во время прохождения сильного ЮЗ шторма (а); ослабления ЮЗ шторма (b); развития СВ ветра (c); ослабления СВ ветра (d).

Р и с. 7. Поля скоростей (м/с) придонных течений Таганрогского залива в условиях: а – сильно-го ЮЗ ветра; b – ослабления ЮЗ ветра; c – сильного СВ ветра; d – ослабления СВ ветра

F i g.  7. Velocity fields (m/s) of bottom currents in Taganrog Bay under conditions of: a – strong SW wind; b – weakening of SW wind; c – strong NE wind; d – weakening of NE wind

Как следует из рис. 7, а, во время прохождения ЮЗ шторма на всей акватории залива устанавливается однородное по направлению придонное течение с ЮЗ на СВ, вызванное ветровым нагоном. В заливах между основными телами Белосарайской, а также Кривой косы и материком образуются небольшие циклонические завихрения, вызывающие движение вод обратного направления. С ослаблением ЮЗ ветра (рис. 7, b) ветровой нагон уступает место сгону, при этом циркуляция в заливе существенно перестраивается. Районы Белосарайской, Кривой и Долгой кос находятся под влиянием течений, направленных с СВ на ЮЗ, Беглицкой, Очаковской, Чумбурской, Сазальникской и Ейской – обратных, с ЮЗ на СВ. Развитие СВ ветра (рис. 7, c) у Белосарайской, Кривой, Сазальникской, Ейской и Долгой кос формирует вдольбереговой поток, направленный в сторону открытого моря. В этой же ситуации у Беглицкой косы образуется локальная циркуляция вод: у западной части косы поток направлен на ЮЗ, у восточной – на СВ. В прибрежной зоне Очаковской и Чумбурской кос вдольбереговой поток ориентирован на СВ. Затухание СВ ветра (рис. 7, d) приводит к ослаблению течений почти на всей акватории залива, за исключением вод пролива, где развиваются заметные потоки только у Белосарайской (направленных на ЮЗ) и Долгой (на С, СВ) кос. В прибрежных водах остальных кос складываются местные системы течений, состоящие, как правило, из встречных слабых потоков.

Заметим, что схемы, приведенные на рис. 7, служат лишь некими графическими иллюстрациями конкретных гидродинамических ситуаций и не отображают все разнообразие возможных структур течений на акватории залива. Вместе с тем рис. 7 дает представление о важной особенности придонной циркуляции вод: непосредственно в прибрежной зоне, точнее в небольших заливах между косами, могут формироваться противотечения по отношению к генеральному потоку вод в основном русле Таганрогского залива.

Выводы

Объекты нашего исследования – песчаные косы Таганрогского залива Азовского моря, вернее, особенности их пространственного положения. Генеральное направление Белосарайской и Кривой кос северного побережья – с востока на запад, Беглицкой – обратное, с запада на восток. Также с запада на восток вытянуты ко́сы южной части залива: Очаковская, Чумбурская, Сазальникская и Ейская. Исходя из этого, возникают закономерные вопросы:

1) Какие факторы способствуют ориентации кос северного побережья залива с востока на запад и южного – в обратном направлении, с запада на восток?

2) Почему коса Беглицкая северного побережья не следует общему правилу и направлена с запада на восток?

Мы предлагаем ответы на эти вопросы с гидродинамической точки зрения, т. е. нами исследованы климатические характеристики морских течений и ветрового волнения, непосредственно влияющие на формирование и трансформацию береговой линии. Не учитываются различия кос в литодинамическом отношении, а также вполне возможное техногенное воздействие на прибрежную зону (изъятие песка, возведение защитных сооружений).

Анализ проведен на основе результатов численного моделирования гидродинамических параметров всего Азовского моря за 42 года – с 1979 по 2020 г. Сформированный массив данных состоит из ежечасных пространственных полей скоростей и направлений придонных течений, а также значительных высот и направлений распространения ветровых волн.

В результате проведенной работы установлено, что:

1. В прибрежных водах Белосарайской и Кривой кос (северное побережье) преобладает повторяемость течений с востока. Для Беглицкой (северное побережье), Очаковской и Сазальникской (южное побережье) кос характерно доминирование течений с запада. В водах, омывающих Чумбурскую и Ейскую косы (южное побережье), повторяемость восточных течений несколько выше, чем юго-западных, но сильные течения со скоростями более 0,2 м/с наблюдаются именно при течениях с запада.
2. В прибрежных водах Белосарайской и Кривой кос (северное побережье) среднемноголетние значения скоростей течений восточных потоков незначительно превосходят скорости течений западных направлений. В районе косы северного побережья Беглицкой, а также кос Очаковской, Чумбурской, Сазальникской и Ейской южной части залива заметно доминирование течений с запада, причем как по средним скоростям, так и по максимальным. При этом небольшое исключение составляет режим вод у Сазальникской косы, где наибольшие скорости развиваются при восточных течениях.
3. В прибрежных водах Белосарайской и Кривой кос (северное побережье) высоты волн восточных направлений несколько превосходят как по средним, так и по максимальным показателям высоты при волнении западных румбов. Косы Беглицкая (северное побережье), Очаковская, Чумбурская, Сазальникская и Ейская (южное побережье) испытывают в среднем доминирование волнения западного направления, но волнение с максимальными высотами волн развивается при восточных штормах.

Таким образом, установлено существенное различие в гидродинамическом режиме песчаных кос северного (Белосарайской, Кривой) и южного (Очаковской, Чумбурской, Сазальникской, Ейской) побережий. Климатические характеристики волнения (уточним: по отношению к нормали к берегу) и течений косы Беглицкой на севере залива близки к гидродинамическому режиму кос южного берега, что и определяет, вполне вероятно, ее вытянутость с востока на запад.

¹ Зенкович В. П. Берега Черного и Азовского морей. М. : Географгиз, 1958. С. 164.

Об авторах

Борис Васильевич Дивинский

Автор, ответственный за переписку.
Email: divin@ocean.ru
ORCID iD: 0000-0002-2452-1922
SPIN-код: 2027-8359

ведущий научный сотрудник, лаборатория геологии и литодинамики, кандидат географических наук

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Р и с. 1. Батиметрическая карта и морфометрические особенности Таганрогского залива Азов-ского моря (сверху); примеры кардинальной перестройки кос (снизу)

Скачать (235KB)

Метаданные

3. Р и с. 2. Исторические карты Таганрогского залива (источник: интернет-архивы papacoma.narod.ru; www.etomesto.ru)

Скачать (484KB)

Метаданные

4. Р и с. 3. Розы придонных течений (%) за 1979–2020 гг.

Скачать (165KB)

Метаданные

5. Р и с. 4. Розы ветрового волнения (%) за 1979–2020 гг.

Скачать (161KB)

Метаданные

6. Р и с. 5. Статистические характеристики распределений значительных высот волн (м) за 1979–2020 гг.

Скачать (163KB)

Метаданные

7. Р и с. 6. Статистические характеристики распределений скоростей придонных течений (м/с) за 1979–2020 гг.

Скачать (165KB)

Метаданные

8. Р и с. 7. Поля скоростей (м/с) придонных течений Таганрогского залива в условиях: а – сильно-го ЮЗ ветра; b – ослабления ЮЗ ветра; c – сильного СВ ветра; d – ослабления СВ ветра

Скачать (279KB)

Метаданные