Представлены результаты выполненного в 2015–2020 гг. комплексного исследования динамики берегового участка о. Сахалин, примыкающего к шельфовым месторождениям. Установлено, что открытое воздействию экстремальных гидродинамических процессов побережье подвержено значительным локальным деформациям во время сильных штормов, во время которых высота волны может достигать 2,5 м, что необходимо учитывать при проектировании берегового примыкания морских трубопроводов.
Исследуемый участок побережья Охотского моря между заливами Старый Набиль и Луньский представляет большой интерес в связи с освоением месторождений природных ископаемых на прилегающем шельфе о. Сахалин. В районе участка располагаются действующие трубопроводы Лунского и Киринского месторождений и трассы проектируемых трубопроводов к новым месторождениям [1]. Безопасность трубопроводов во многом определяется интенсивностью литодинамических процессов и адекватной оценкой величин возможных деформаций берега и прибрежного мелководья.
Для защиты морских трубопроводов от воздействия гидродинамических и ледово-экзарационных процессов в общем случае предусматривается заглубление трубопровода на определенную глубину. Например, в российских нормативно-технических документах, относящихся к проектированию морских трубопроводов, обычно устанавливается требование по заглублению (глубине заложения трубопровода) не менее 1 м от расчетного (минимального) положения морского дна, включая участок выхода на берег [2, 3].
Отметим, что при этом существует неопределенность в понятии расчетного положения морского дна. Например, в своде правил [2] (применяется в целях Технического регламента о безопасности зданий и сооружений) говорится о «предельной границе деформации морского дна», но не определено понятие «предельной границы». В документе Российского морского регистра судоходства [3] величина заглубления отсчитывается от уровня «максимально возможной глубины размытого грунта» или «максимальной глубины борозды экзарации», но отсутствует характеристика термина «максимальный» (очевидно, что здесь существенное значение имеет рассматриваемый временной интервал, который в проектировании традиционно используется в виде периода повторяемости при назначении нормативных/расчетных значений нагрузок).
Интересно отметить, что, например, в нормативных документах США по шельфу [4] применительно к акватории Мексиканского залива (где находятся в эксплуатации более двух тысяч добычных платформ) установлено требование для трубопроводов, проходящих по акватории на глубине моря 4,6 м и менее, иметь заглубление относительно естественного дна моря не менее 0,91 м (3 фута), а на больших глубинах – на 0,76 м (2,5 фута). При этом содержится комментарий, что уровень естественного дна моря должен быть определен на основе обоснованного и общепризнанного опыта («as determined by recognized and generally accepted practices» [4]), что, конечно, также несет в себе значительный фактор неопределенности.
В любом случае, принимая во внимание, что в зоне берегового примыкания будущих трубопроводов практически всегда вследствие штормовой активности наблюдаются деформации морского дна различной интенсивности и периодичности, корректная оценка экстремальных значений вертикальных деформаций морского дна имеет важное значение с точки зрения надежности эксплуатации проектируемых трубопроводов. Ниже приводятся результаты изучения данного вопроса для участка восточного побережья о. Сахалин.
Общая характеристика динамики побережья
В последнее время наблюдается тенденция усиления размыва берегов о. Сахалин вследствие гидродинамической активности в регионе [5]. Этому способствуют экстремальные штормовые условия, которые наблюдались последние годы в связи с происходящими климатическими изменениями [6, 7]. Северо-восточное побережье острова, открытое воздействию экстремальных гидродинамических процессов в районе исследований также подвержено значительным деформациям во время сильных штормов. При этом участки с выраженным размывом берега чередуются с участками стабильного его состояния.
В статье уточняются особенности динамики рассматриваемого побережья с учетом материалов комплексных исследований берегового и прибрежного участков в 2015–2020 гг., которые включают анализ спутниковых снимков, данные аэрофотосъемок и инструментальные измерения в центральной части участка на полигоне детальных исследований, а также делается попытка связать морфолитодинамические данные с наблюдениями за гидрометеорологическими процессами в прибрежной зоне.
Экспедиции проводились осенью и в начале лета, чтобы зафиксировать изменения, произошедшие в холодный и теплый сезоны. В ходе экспедиций выполнялись маршрутные обследования состояния берегового участка, нивелирование профилей берега в створах полигона детальных исследований (ПДИ), аэрофотосъемка берегового участка в 2019–2020 гг., промеры прибрежной акватории, определение гранулометрического состава донных и пляжевых отложений. В осенний период 2015 г. и в летний период 2018 и 2019 гг. также проводилось измерение гидрологических параметров на прибрежных автономных гидрологических станциях. Были проанализированы космические снимки высокого разрешения, которые позволили оценить смещение береговой линии и границы растительности. Район работ и створы ПДИ показаны на рисунке 1 (ПДИ, где проводились инструментальные измерения, выделен контуром красного цвета).
Использование комплексного подхода при исследовании динамики береговой зоны позволило рассмотреть воздействие разных факторов на возникновение экстремальных деформаций, в том числе вызванных антропогенными причинами. При выполнении работ использовались стандартные методики наблюдений, геодезические измерения осуществлялись с использованием ГНСС приемников геодезического класса, аэрофотосъемки проводились с применением квадрокоптера и геодезической привязкой опорных точек на местности. Для гидрологических наблюдений на глубине 9 и 15 м были установлены донные гидрологические станции с измерителями скорости течений, параметров волнения, колебаний уровня, температуры и солености морской воды.
Наблюдения 2015–2020 гг. в целом подтвердили ранее полученные результаты [5, 8, 9], что состояние побережья в районе исследований можно считать относительно стабильным – береговой уступ за период наблюдений на большей части побережья не изменил своего положения. В местах сильного размыва отступание уступа не превысило 2 м/год, что совпадает с оценками [5]. Об аккумулятивной тенденции берегового рельефа свидетельствуют сформированные на многих участках современные низкие террасы, причлененные к уступу и покрытые растительностью.
Вместе с тем исследования показали, что динамика побережья в районе исследований характеризуется пространственной неоднородностью – участки с преобладанием размыва чередуются с зонами относительно стабильного состояния. Чередование участков с разной литодинамической активностью побережья хорошо прослеживается по данным обработки космических снимков высокого разрешения за период 2015–2019 гг. с пространственным разрешением 0,5 м/пиксель (рисунок 2). Положение и плановые деформации береговой линии и границы растительности определялось по системе пикетов, разбитых через 100 м.
Результаты обработки космических снимков показывают, что береговая линия исследуемого участка подвижна и в большей степени подвержена размыву, зона уступа – более стабильна и здесь преобладают процессы аккумуляции. Вдоль побережья можно выделить пространственные волны большого масштаба 800–1200 м и более мелкие волны длиной 400–600 м.
Чередование участков с разной интенсивностью деформационных процессов с пространственными масштабами до 1300 м связано с характерной для побережья Сахалина мегафестонной структурой побережья – ритмическим повторением форм берегового рельефа, которое выражается в расширении и сужении зоны пляжа [5, 10].
Мегафестоны достаточно отчетливо видны на космических снимках как участки сужения и расширения пляжей, а также были отмечены визуально при полевых обследованиях. Южнее ПДИ выявлено 16 мегафестонов длиной от 165 до 1106 м, средняя их длина составила 411 м. В пределах ПДИ средняя длина мегафестонов больше и составляет 675 м, при диапазоне от 375 до 835 м. Наибольшая длина мегафестонов наблюдается севернее ПДИ: средняя 1566 м, при диапазоне1263–1685 м.
Сочетание участков берега с расширением и сужением пляжа, по мнению некоторых авторов (см., например, [11]), приводит к неравномерному распределению волногасящих параметров вдоль берега и, как правило, приводит к абразии в районах сужений пляжевой зоны и аккумуляции в районе мысов. Берег сложен неконсолидированными горными породами – песками разной крупности, зоны отступания берегового уступа за прошедший период были отмечены на локальных участках. По свежим отсевшим блокам почвенно-растительного покрова с подстилающим их грунтом можно сказать, что величина отступания за прошедший год во многих местах размыва берега достигала не менее 0,8–1,2 м. В отдельных точках средние скорости отступания берега за прошедшие несколько лет составили 1,8–2,0 м/год. О наличии в прошлом сильных штормов указывает факт заброски крупных стволов деревьев (плавник) на удаление 50–170 м от берегового уступа на поверхность пониженных участков низкой террасы – зачастую это ложбины в межгрядовых пространствах дюн. На северном участке района исследований наиболее сильное разрушение берега наблюдается на расстоянии 1 км от ПДИ (район дюны Подкова). Здесь наблюдается размыв берега со скоростью 1,8–2,0 м/год. На южном фланге в целом разрушения сильнее, наиболее сильному размыву подвержен самый южный участок, примыкающий к протоке в Луньский залив.
Обращает на себя внимание усиление размыва в 2018–2019 гг. в сравнении с 2015–2018 гг., особенно в южной части полигона (к югу от действующего трубопровода). Предположительно, помимо усиления штормовой активности (общее усиление размыва на всем полигоне), данная особенность (усиление размыва именно в южной части полигона) может быть связана с перехватом вдольберегового потока наносов траншеями, которые были выработаны на подводном береговом склоне в ходе дноуглубительных работ во время строительства действующего трубопровода.
В работе [5] высказано мнение, что система областей размыва на участке действующего трубопровода сложилась в результате строительства кофердама и не изменилась после его демонтажа. В ходе исследований была отмечена устойчивость мегафестонной структуры на этом участке в течение 2015–2020 гг. В районе ПДИ хорошо выделяются область с широким пляжем в центральной части полигона и две области с сужением пляжа на расстоянии 400–600 м к северу (створы А03–А06) и югу (створы АА6–А9) от центра полигона (рисунок 1). На границах ПДИ хорошо выражены фрагменты пляжевых выступов. За период наблюдений при средней ширине пляжа 37 м наибольшие значения достигали 70 м, минимальные – 15 м. Мегафестонная структура в районе исследований характеризуется относительным постоянством. В периоды сильного штормового волнения отдельные выступы мегафестонов размываются, однако в последующем они восстанавливаются.
Наличие на исследуемом участке побережья квазиритмических форм может быть связано с влиянием захваченных краевых волн, которые называют в качестве причины образования фестонов [5, 10]. В ходе измерения волнения на АГС в прибрежной зоне ПДИ в летний период 2019 г. получено экспериментальное подтверждение существования краевых волн на изучаемом участке побережья и выполнена оценка их волновых характеристик. В течение двух месяцев два волнографа были расположены вдоль берега на глубинах около 9 м, третий – по нормали к ним на глубине 15 м. Оценивались когерентности и фазовые сдвиги волновых регистраций приборов, которые позволяют оценить характеристики волн. Измерения показали, что краевые волны присутствуют постоянно при различной интенсивности волнения и при различных направлениях подхода ветровых волн. Диапазоны периодов и скорости распространения захваченных длинных волн характеризовались значительной изменчивостью. Чаще всего фиксировались короткие краевые волны с длинами около 40–50 м и 80–100 м, а также волны сравнительно крупного масштаба, около 1 км. Последние сравнимы с размерами береговых мегафестонов.
Особенности берегов в районе полигона детальных исследований
В пределах полигона ПДИ были выполнены детальные инструментальные измерения берегового участка и прибрежной акватории. Измерения профилей пляжа позволили оценить запас песка на метр ширины пляжа. Эта величина характеризует ширину и мощность пляжа. По данным измерений профилей пляжа, запас песка в створах ПДИ значительно изменяется как во времени, так и от створа к створу (рисунок 3). Среднее значение объема песка в пределах ПДИ с сентября 2015 по июнь 2020 гг. составило более 127 тыс. м3. Наименьший запас отмечен в октябре 2015 г. после двукратного воздействия экстраординарных штормов редкой повторяемости, в результате которых объем песка в теле пляжа сократился до 64 % от среднего значения. Наибольший запас песка отмечен в августе 2019 г. – порядка 120 % от среднего. В 2018 г. пляж полностью восстановился от воздействия мощнейших штормов октября 2015 г.
В июне 2019 г. запасы песка были на уровне средних значений, а к июню 2020 г. практически на всех профилях запас сократился в среднем на 16 % по сравнению с августом 2019 г. При этом на северном участке размыва (створы А-03–А-06) запасы песка сократились до значений октября 2015 г. Предположительно, это связано с воздействием на берег сильного продолжительного шторма в начале декабря 2019 г.
В пределах ПДИ минимальные запасы песка (15–20 куб. м/м) зафиксированы на участках с наименьшей шириной пляжа на севере и юге ПДИ, а максимальная изменчивость запасов наблюдается в центральной части полигона, где ширина пляжа наибольшая и запасы песка достигают 80 куб. м/м. На участках с минимальной шириной пляжа размыв приводит не только к разрушению самого пляжа, но велика вероятность разрушения берегового уступа. В зоне максимального размыва отмечено разрушение берегового уступа, в районе створов А05–А06 на севере и АА9–АА10 на юге берег отступил на 3–4 м (рисунок 4а).
