НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОЛОГІЧНИХ НАУК

Педан Галина Сергіївна

УДК 624.131

ЗАКОНОМІРНОСТІ РОЗВИТКУ БЕРЕГІВ

АБРАЗІЙНОГО ТА АБРАЗІЙНО-ЗСУВНОГО ТИПІВ

ПІВНІЧНО-ЗАХІДНОЇ ЧАСТИНИ ЧОРНОГО МОРЯ

Спеціальність 04.00.07 – інженерна геологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата геологічних наук

Київ-2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі інженерної геології і гідрогеології

Одеського національного університету ім. І.І.Мечникова

Науковий керівник: доктор геолого-мінералогічних наук

Одеський національний університет ім. І.І.Мечникова,

професор кафедри інженерної геології і гідрогеології

Офіційні опоненти: доктор технічних наук,

старший науковий співробітник

Демчишин Михайло Гордійович

Інститут геологічних наук НАН України,

завідувач відділу інженерної геології

доктор геолого-мінералогічних наук

Юровський Юрій Георгійович

Кримське відділення Українського державного

геологорозвідувального інституту,

старший науковий співробітник

Провідна установа:

Київський національний університет імені Тараса Шевченка,

кафедра гідрогеології та інженерної геології

Захист відбудеться “ 26 “ червня 2003 р. о 1030 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.162.05 Інституту геологічних наук НАН України за адресою: 01054, м. Київ, вул. О.Гончара, 55-б

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Інституту геологічних наук НАН України

Автореферат розісланий 24 травня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат геолого-мінералогічних наук В.М.Бублясь

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. За оцінками Національної академії наук України, Державної геологічної служби України, Держбуду за останні 25-35 років в межах території держави в 3-5 разів збільшилась кількість проявів небезпечних екзогенних геологічних процесів (НЕГП): зсувів, підтоплення, абразії берегів, карсту, просідання тощо. Прибережно-морські території відносяться до одних з найбільш вражених НЕГП та техногенно перевантажених. В зв’язку з цим виникає проблема оцінки розвитку небезпечних геологічних процесів. Інтегральна оцінка стану берегової зони повинна враховувати досить велику кількість параметрів, неоднакову їх значущість і складну просторово-часову мінливість. Розробка процедур оцінювання нерозривно пов’язана з розробкою другої складової комплексної оцінки стану геологічного середовища - прогнозуванням природних геологічних та техногенних процесів з метою зменшення негативних наслідків в береговій зоні.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає науковому напрямку і плановим завданням Проблемної науково-дослідницької лабораторії узбережжя моря, водосховищ і гірських схилів (ПНДЛ-1), кафедри інженерної геології і гідрогеології ОНУ ім. І.І.Мечникова та частково виконувалась за програмою “Екологічні проблеми моря і водних ресурсів України”, яка розроблена у відповідності з постановою Міністерства освіти України №37 від 13.02.97р. Деякі результати дисертаційної роботи увійшли в якості розділів наступних держбюджетних тем:

- “Разработка рекомендаций по оптимизации сети мониторинга экзогенных геологических процессов на побережье и шельфе Черного моря: усовершенствование математических моделей анализа и прогнозирования изменений состояния геологической среды” (звіт ПНДЛ-1, 1997, № ДР 0196U006979);

- “Прогнозування і моделювання на підставі методу природних аналогій процесів, які виникають внаслідок портового, берегозахисного будівництва і дампінгу в узбережній зоні і на шельфі” (звіт ПНДЛ-1, 1999 г., № ДР 0197U017678).

- “Совершенствование теории и методологии прогнозирования нестационарных периодических физико-геологических процессов на морских берегах” (звіт ПНДЛ-1, 2002 г., № ДР 0100U002901).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертації є виявлення закономірностей просторово-часового розвитку берегів абразійного та абразійно-зсувного типів північно-західної частини Чорного моря, встановлення причинно-наслідкових зв’язків між абразійними і зсувними процесами (АЗП) та активними берегоформуючими (клімато-гідрологічними) факторами, а також прогнозування цих процесів. Об’єкт дослідження – абразійні та абразійно-зсувні процеси в береговій зоні; предмет дослідження – закономірності їх розвитку та вплив визначальних факторів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Виявити вплив берегоформуючих факторів на розвиток АЗП; на основі статистичної обробки встановити і оцінити взаємозв’язки між визначальними факторами і параметрами, які характеризують активність абразії і зсувів.

2. Виконати інженерно-геологічну типізацію та районування берегів моря і лиманів для цілей моделювання і прогнозування динаміки абразійних та абразійно-зсувних берегів.

3. Обгрунтувати методику виділення ділянок-аналогів для цілей натурного моделювання і побудувати багатофакторні регресійні моделі абразійних та абразійно-зсувних процесів для цих ділянок.

4. На основі закономірностей змін основних клімато-гідрологічних факторів дати прогноз розвитку АЗП у північно-західній частині Чорного моря.

Методи дослідження. Досягнення поставленої в роботі мети здійснювалось за комплексною методикою. Закономірності розвитку берегових геосистем як у часі, так і в просторі досліджувались імовірно-статистичними методами, а саме: багатофакторним кореляційно-регресійним, спектральним аналізами, модулем “ARIMA” в комп’ютерному пакеті “STATISTICA”. Це дозволило побудувати кількісні моделі, адекватні природним аналогам. Метод інженерно-геологічної типізації та районування, який враховує широкий комплекс факторів інженерно-геологічних умов, використовувався як підстава для природно-аналогового моделювання. Використання методу логічного моделювання дозволило представити загальну структуру берегової геосистеми у вигляді функціональних структурних моделей.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше на основі аналізу часових рядів спостережень за останні 25 років комплексно оцінено стан і напрямок розвитку берегів абразійного та абразійно-зсувного типів. Статистичними методами встановлено зв’язки між показниками АЗП, а також причинно-наслідкові зв’язки між процесами та клімато-гідрологічними факторами, які обумовлюють режим їх розвитку. Вперше побудовано кількісні та якісні моделі розвитку типових ділянок північно-західного узбережжя Чорного моря;

- дістало подальший розвиток розроблення методики типізації абразійних та абразійно-зсувних берегів та інженерно-геологічне районування узбережжя. Дана характеристика типових ділянок – природних аналогів, які достовірно представляють типи берегів, виділених в результаті інженерно-геологічного районування;

- удосконалено функціональні структурні моделі систем “абразійний берег” та

“абразійно-зсувний берег”;

- на основі мінливості клімато-гідрологічних факторів виконано прогноз розвитку абразійних та абразійно-зсувних берегів.

Практичне значення одержаних результатів. Результати досліджень готові до використання і можуть бути впровадженні під час інженерно-господарського освоєння Чорноморського узбережжя: портовому, дорожному будуванні, прокладанні комунікацій, видобутку піску на підводному схилі, рекреаційному освоєнні. Побудовані моделі і прогноз переробки берегів дозволяють заощаджувати значні грошові кошти за рахунок вірно вибраної стратегії освоєння берегової зони, оптимізації берегозахисних заходів та вирішувати екологічні задачі регіону.

Особистий внесок автора. В процесі виконання роботи використовувалась інформаційна база, створена пошукувачем. Самостійно зроблені проміжні результати і висновки. В публікації "Влияние промышленных разработок строительных песков на динамику берегов и состояние зообентоса Черного моря” із співавторами Ю.Д.Шуйським, Ф.С. Замбриборщем, А.В.Чернявським та О.І.Березкіною дисертантом представлені дослідження закономірностей розподілу концентрацій завислих наносів у Джарилгачській затоці. У роботах "Оценка и прогнозирование динамики береговой зоны северо-западной части Черного моря на основании статистической обработки данных режимных наблюдений” (співавтори Є.Г.Коніков, О.Г.Ліходедова) та “Некоторые закономерности процесса разрушения морских берегов абразионно-оползневого типа”, як і в тезах доповіді “Некоторые закономерности процесса разрушения морских берегов абразионно-оползневого типа (на примере участка режимных наблюдений в районе с. Сычавка на Черном море)” із співавторами Є.Г.Коніковим, О.Г.Ліходедовою, В.Г.Тюреминою, пошукувачем представлений аналіз клімато-гідрологічних факторів та абразійних показників, статистична обробка даних, побудовані регресійні моделі розвитку абразійного процесу. У тезах доповіді “Концентрация взвешенных наносов над подводным склоном северной части Черного моря” (співавтор Ю.Д.Шуйський) дисертантом представлені дослідження закономірностей розподілу концентрацій завислих речовин у Будакському лимані, в Одеській та Джарилгачській затоках.

Апробація роботи. Основні положення дисертації представлені на Всесоюзному семінарі “Проблеми транспорту наносів у береговій зоні моря” (Тбілісі, 1983р.), XVI конференції “Теоретичні проблеми розвитку морських берегів (Ростов-на-Дону, 1985р.), II Всеукраїнській науковій конференції “Сучасний розвиток берегової зони морів в межах України” (Херсон, 1995р.), Міжнародному симпозіумі “Одеса - берегова зона’95” (Одеса, 1995р.), на конференціях професорсько-викладацького складу та наукових співробітників ОНУ (1998, 2000, 2001, 2002 рр.), на науково-практичних конференціях “Екологічна безпека техногенно перевантажених регіонів та раціональне використання надр” (АР Крим, г. Коктебель, 2001р.), “Інженерний захист територій та об’єктів у зв’язку з розвитком небезпечних геологічних процесів” (АР Крим, г. Гурзуф, 2002 р.).

Публикації. Основні положення і результати дисертації надруковані в 6 статтях и 3 тезах доповідей. Одна стаття знаходиться в друці.

На захист виносяться основні наукові положення:

1. Режим мінливості параметрів берегових процесів та факторів, які їх визначають, характеризується нестаціонарністю та періодичністю, що підтверджено

результатами статистичного аналізу часових рядів.

2. Виявлені закономірності зв’язку між береговими абразійно-зсувними процесами та клімато-гідрологічними факторами (рівнем моря, хвильовим режимом моря, єнергією хвилювання, атмосферними опадами). Характер їх зв’язку відображається за допомогою багатофакторних регресійних моделей, побудованих для ділянок-аналогів. Можливість використання цих моделей обгрунтовується виконаною типізацією та районуванням узбережжя моря за характером та інтенсивністю абразійно-зсувних процесів.

3. Взаємозв’язок між абразійними і абразійно-зсувними процесами та берегоформуючими факторами представлений у вигляді функціональних структурних моделей систем “абразійний берег” та “абразійно-зсувний берег”, які розглядаються в якості постійно діючих моделей розвитку берегової геосистеми і дозволяють періодично уточнювати прогнози розвитку абразійно-зсувних процесів.

Використаний дисертантом фактичний матеріал є узагальненням робочих результатів двадцятирічних (польових та стаціонарних) досліджень автора. У роботі використані матеріали ПНДЛ-1 Одеського національного університету, ДРГП “Причорноморгеологія”, Одеської комплексної інженерно-геологічної і гідрогеологічної партії, а також літературні дані. Дослідженнями охоплена територія північно-західного узбережжя Чорного моря довжиною близько 1000 км, включаючи морське узбережжя від гирла Дунаю до Рівнинного Криму, береги Дністровського, Сухого, Хаджибейського, Тілігульського, Бугського лиманів та Джарилгачської затоки. В процесі досліджень оброблені дані спостережень на 17 стаціонарних ділянках за період 1976-2000 рр.

Структура і об’єм роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і списку використаних джерел. Повний обсяг роботи – 224 сторінки друкованого тексту, включаючи 25 таблиць і 89 рисунків на 58 сторінках, 151 найменування використаних джерел на 12 сторінках.

Робота виконана під керівництвом академіка Міжнародної академії наук Євразії, доктора геолого-мінералогічних наук професора І.П.Зелінського. Автор виражає глибоку вдячність науковому керівнику І.П.Зелінському за допомогу в процесі роботи над дисертацією. Автор вдячний співробітникам ДРГП “Причорноморгеологія” за представлені фактичні матеріали. Дисертант також виражає вдячність співробітникам кафедри інженерної геології і гидрогеології і ПНДЛ-1 д. г-м. н. Є.Г.Конікову, д. г-м.н Є.А.Черкезу, к. г-м. н. О.Г.Ліходедовій, к. г-м.н. В.І.Шмуратко за цінні поради та рекомендації при підготовці та написанні дисертації.

ЗМІСТ РОБОТИ

АНАЛІЗ ПРОБЛЕМИ І МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ

Берегова зона, з точки зору системного підходу, представляє собою єдиний природний комплекс (геосистему), для якого характерні свої закони розвитку як у просторі, так і в часі. Механізм функціонування берегової геосистеми досить складний. В зв’язку з цим, незважаючи на довгу історію вивчення, причинно-наслідкові зв’язки між процесами переформування берегової геосистеми і факторами, які на неї впливають, залишаються не до кінця оціненими.

Основи вивчення берегової зони закладені на рубежі XIX-XX століть І.Ф.Леваковським, М.А.Соколовим, В.А.Обручевим. Серед узагальнюючих робіт слід виділити монографії В.П.Зенковича, В.В.Лонгінова, О.К.Леонтьєва, Є.Н.Невесського, Р.К.Кліге. Важливе значення у фундаментальних дослідженнях

берегової зони займають питання прогнозування. Прогнозом переробки берегів водосховищ і морів займались Є.К.Гречищев, Г.С.Золотарьов, Н.Є.Кондратьєв, Є.Г.Качугін, Б.О.Пишкін, Л.Б.Розовський. В останні роки більше уваги приділяється розробці екологічних природоохоронних проблем, цьому питанню присвячені роботи О.В.Холопцева, Є.О. Яковлєва та інших.

Оцінка розвитку абразійно-зсувних процесів розглядалась у двох аспектах:

1) вивчення механізму, закономірностей розвитку і розповсюдження АЗП; 2) вивчення факторів і їх вплив на динаміку процесів.

Розробку даної теми можна поділити на 3 етапи.

На першому етапі була створена информаційна база, яка містить:

1) Дані про берегоформуючі процеси. В якості показників активності АЗП були використані дані режимних спостережень на стаціонарних ділянках, а саме: лінійне відступання бровки (L1, м) та підошви (L2, м) схилу, об’єм відмиву абразійного схилу (Q1, куб.м/п.м в рік), ширина (S, м), висота (H, м) пляжу та об’єм наносів на пляжі (Q2, куб.м/п.м.), вертикальні та горизонтальні зміщення грунтів на схилі (м/рік), кількість нових зсувів, які виникли за рік.

2) Дані про берегоформуючі фактори. Використовувались наступні часові ряди: сонячна активність (числа Вольфа), кліматичні (температура повітря, атмосферні опади), гідрологічні (середні місячні та річні значення рівня моря, максимальні середньобагаторічні значення рівня моря, хвильова енергія, висота хвиль), гідрогеологічні (рівень грунтових вод в береговій зоні). На основі аналізу абразійно-зсувних показників була побудована карта інженерно-геологічних умов розвитку АЗП масштабу 1:1000000.

На другому етапі всі фактори розвитку берегової зони були класифіковані на глобальні астрофізичні (сонячна активність), пасивні (геологічна будова, фізико-механічні властивості порід) і активні (кліматичні та гідродинамічні). Основна увага в даній роботі приділялась третій групі факторів, тому що саме вони визначають режим активізації АЗП. В основі кількісної оцінки ролі природних факторів у розвитку АЗП використовувався метод множинної лінійної кореляції, кроскореляційний, спектральний аналізи. З урахуванням особливостей природних умов були виконані інженерно-геологічні типізація та районування північно-західної частини Чорного моря. Після цього вирішувалась задача вибору типових ділянок, які достовірно представляють територію, виділену в процесі районування. В якості типових ділянок (природних аналогів) використовувались стаціонари режимних спостережень, на яких тривалий час (20-25 років) проводились інструментальні спостереження за АЗП. Результатами роботи стали паспорти природних аналогів, які включають характеристику інженерно-геологічних умов, фізико-механічні властивості порід, літологічну і динамічну характеристику ділянки, аналіз показників АЗП та берегоформуючих факторів. Використання імовірно-статистичних методів дозволило побудувати багатофакторні регресійні моделі розвитку природних аналогів, які дозволяють прогнозувати інтенсивність розвитку АЗП.

Третій етап полягає в складанні функціональних структурних моделей розвитку систем “абразійний берег” та “абразійно-зсувний берег”, що дають уяву про загальну структуру берегових геосистем, характер і тип зв’язків окремих складових елементів, а також дозволяють вирішувати питання прогнозування розвитку берегових геосистем. Слід відмітити, що під абразійними берегами автор роботи розглядає також береги, розвиток яких відбувається в результаті хвильової підрізки у нижній частині і обвальних процесів у верхній частині схилу.

Представлено огляд вивченості геологічних процесів як ендогенних (тектонічні рухи, землетруси), так і екзогенних (вивітрювання, ерозія, осипи, зсуви, абразія). На північно-західному узбережжі широке розповсюдження мають зсувні процеси. Територія відноситься до південного (Причорноморського) зсувного району, який простягається між Дністровським на заході та Дніпро-Бугським лиманами на сході. В каталозі зсувів, який складений за результатами експедиційних робіт ДРГП “Причорноморгеологія”, тільки по Одеській області описано більше 5000 зсувів. Швидкість збільшення їх кількості складає в середньому 200 зсувів на рік.

Абразія є одним з провідних геологічних процесів формування берегів Чорного моря. Із 1000 км узбережжя, яке вивчається, 62% берегів відносяться до абразійних. Швидкість абразії на різних ділянках узбережжя неоднакова, що обумовлено комплексом факторів. Просторовий розвиток та інтенсивний прояв абразії відображені на карті інженерно-геологічних умов розвитку абразійно-зсувних процесів.

ХАРАКТЕРИСТИКА ФАКТОРІВ, ЩО ОБУМОВЛЮЮТЬ РОЗВИТОК БЕРЕГІВ

В основі вирішення проблеми розвитку берегів лежить аналіз природних факторів, які визначають розповсюдження АЗП та швидкість їхнього розвитку.

Північно-західне узбережжя розташоване в межах різних геоструктурних елементів земної кори, які відрізняються історією розвитку, що знайшло відбиток на інтенсивності проявлень АЗП. Територія, яка вивчається, входить до складу мел-кайнозойської Причорноморської западини. Вона виділена в межах південної окраїни Східно-Європейської платформи і Скифської плити.

Одним із основних факторів, який визначає генетичні особливості АЗП та ураженість території цими процесами, є геологічна будова. При розгляданні ролі геологічних умов вивчається широкий круг питань: історія геологічного розвитку території, склад та властивості порід, умови їх залягання тощо. Дослідження геолого-літологічної будови узбережжя Чорного моря між гирлом Дунаю та Рівнинним Кримом показують, що тут здебільшого розповсюдженні глинисті грунти неоген-антропогену. В межах зсувних схилів за руйнівними та деформаційними властивостями виділено чотири різновиди порід: лесовидні суглинки, понтичні вапняки, меотичні глини та зсувні накопичення. Враховуючи літологічні особливості глинистих порід можна говорити про недостатню продуктивність пляжеформуючої фракції, незважаючи на значну висоту кліфів, ширину бенчей та швидкість абразії.

Сучасний етап розвитку берегів, на думку багатьох авторів, пов’язаний з опусканням даного регіону та збільшенням площі Чорного моря. Середня швидкість вертикальних рухів за період голоцену складає 2 мм/рік. Слід відмітити зростання швидкостей негативних рухів вздовж узбережжя до м. Одеса (-5,2 мм/рік), як із сходу (м. Очаків - -0,9 мм/год), так і з заходу (дельта Дунаю - -1,8 мм/рік). Берегова лінія знаходиться у зоні підвищенної активності тектонічних порушень, що значною мірою обумовлює особливості схилових процесів, зокрема, сприяє посиленню абразії узбережжя.

Використовуючи інженерно-геологічну характеристику різних за генезісом і складом порід та дані спостережень за швидкістю абразії, розглядається кількісна характеристика стійкості порід, яка подається через швидкість розмиву берегового уступу. На карті інженерно-геологічніх умов розвитку АЗП виділено райони переважного розповсюдження стратиграфо-генетичних та літологічних комплексів порід, показана стійкість берегових уступів, яка визначається швидкістю їхнього відступання в рік. Виділено наступні типи берегів за їх стійкістю до абразії:

1) середньостійкі – складені вапняками, глинами, пісковиками із швидкістю абразії 0,1 м/рік, максимальна 1 м/рік; 2) нестійкі до абразії береги, складені делювіально-зсувними відкладами, представленими пластичними породами - глинами, суглинками, або пластичними та напівскельними – глинами, суглинками, глибами вапняку. Середньобагаторічна швидкість абразії до 1 м/рік, максимальна до 4 м/рік; 3) тип значно нестійких берегів представлен лесовими породами. Швидкість розмиву більше 1 м/рік, максимальна – 15 м/рік.

Наведена характеристика літологічного складу і фізико-механічних властивостей грунтів, які складають прибережні схили північно-західного узбережжя, дозволяє зробити висновок про невисоку механічну міцність, яка сприяє розвитку АЗП в береговій зоні.

В геоморфологічному відношенні дана територія є частиною Причорноморської низовини, яка сформувалась на платформенній структурі Причорноморської западини. Морфологічні і морфометричні характеристики території поряд з геолого-літологічними особливостями визначають механізм та інтенсивність прояву абразійних, зсувних та обвальних процесів в береговій зоні. В межах території виділяються такі генетичні типи рельєфу: акумулятивно-денудаційний, ерозійно-акумулятивний, абразійно-акумулятивний, зсувний.

Механізм та швидкість руйнування схилу при вирішальній ролі абразійного підрізування залежать від властивостей порід, які складають береговий уступ, а також від морфометричних характеристик (його висоти, крутизни та форми профілю). Особливості будови берегового уступу та швидкості абразії відображені на карті інженерно-геологічних умов розвитку АЗП.

В зв’язку з тим, що береги північно-західної частини Чорного моря складені в основному пухкими породами, які легко розмиваються, пляжі є єдиним природним захистом берегів від руйнування. Живлення пляжів комплексне, тобто джерелом наносів є розмив кліфів і бенчей. В залежності від ширини пляж повністю або частково гасить енергію хвиль. Відомо, що при сучасному гідрологічному режимі пляж шириною 35-40 м має властивість повністю захищати берег від розмиву. При меншій ширині берег руйнується з різною інтенсивністю. Аналіз матеріалів показує, що на даному узбережжі ширина пляжів, як правило, невелика – до 15-20 м, зменшуючись на деяких ділянках в окремі роки до 2-4 м. Тільки там, де процеси акумуляції призвели до відмирання кліфів, ширина дорівнює 40 м (Одеська затока, північно-східна частина Дністровського пересипу). Такі ділянки займають всього 2% загальної довжини абразійних берегів. На решті узбережжя ширина пляжів настільки мала, що допускає інтенсивний вплив хвиль на берегові схили, це сприяє стало високим швидкостям відступання кліфів. Змінювання параметрів пляжів носить циклічний характер. Встановлені такі значущі періоди 2,0-2,4; 5,5; 7,3; 9 років.

В гідрогеологічному відношенні дана територія розташована в межах північного крила Причорноморського артезіанського басейну. Для вирішення поставлених задач інтерес представляють четвертинні, пліоценові, і частково міоценові водоносні горизонти. Змінення загальних гідрогеологічних умов в багаточасовому розрізі тісно пов’язане із зміненням загальних кліматичних умов, а коливання рівня і витрат підземних вод, зокрема, в береговій зоні, - з особливостями погоди та рівнем моря.

Проблема вивчення кліматичних чинників, як однієї з компонент інженерно-геологічних умов, представляє великий інтерес. Клімат даного району помірно-контитентальний з м’яким температурним режимом, підвищеними значеннями сумарної радіації, відрізняється посушливостю. На клімат приморських районів впливають різні величини теплового балансу моря і суші. Вплив моря проявляється в зменшенні контрастів річного та добового ходу температур, збільшенні туманів, хмарності, вологості. Найбільш помітно це в прибережній полосі суходолу шириною 10-12 км. Аналіз температурного режиму показав, що за період спостережень (1867-1996 рр.) відбулося підвищення температури повітря на 0,640. Істотну роль в розвитку АЗП відіграє режим атмосферних опадів. Для північно-західної частини Чорного моря виявлені наступні періоди: 2-4; 5-6 і 9-12 років.

Джерелом енергії морських хвиль, які впливають на берег, є енергія потоків повітря, що проходять над морем. В північно-західній частині вітрові хвилі мають переважне розповсюдження, їх повторюваність складає 97%. На протязі року переважають північні і північно-західні вітри. Вітри морського сектору складають близько 55%. Середньорічна швидкість вітру – 3,3 м/с. Розподіл вітрів по румбах, а також сезонність повторюваності швидкостей та напрямків вітру визначають закономірності розвитку інших гідрометеорологічних факторів: хвильовий режим, режим рівня моря, і як наслідок – динаміку берегових процесів.

Серед активних сил, негативно діючих на берег і сприяючих його руйнуванню, значне місце займають коливання рівня моря. При високому стоянні рівня хвилі підходять до підніжжя кліфу і інтенсивно його руйнують. При низькому рівні великі хвилі не досягають обриву, лінія урізу переміщується в бік моря. В цьому випадку енергія витрачається на переформування прибережної мілини, переміщення та стирання наносів. Виявлена періодична структура багаторічних коливань рівня. Основні періоди коливань рівня північно-західної частини Чорного моря є рівними 2,4; 3,3-3,6; 4-5; 9 років. Високим стоянням рівня моря виділяються 1979-1980, 1988-1989, 1997-1998 рр. Враховуючи інерційність берегової геосистеми можна передбачити, що такими наступними роками будуть 2007-2008 рр.

Хвилі є найважливим гідродинамічним фактором, який має вплив на режим АЗП. Розвиток хвилювання в північно-західній частині Чорного моря залежить головним чином від режиму вітру, а також від експозиції берега, рельєфу дна, уклонів підводного схилу. Розподіл хвилювань в багаторічному розрізі часу відбувається відповідно до вітрового режиму. Найбільш активним за повторюваностю сильного хвилювання є узбережжя на захід від Одеси, зменшується в східному напрямку. Абразія високих кліфів відбувається під час штормових ситуацій. Збільшення штормової діяльності моря відбивається на амплітуді коливань рівня моря, що веде до збільшення швидкостей абразії.

Вивчення режиму вздовжберегових потоків наносів є однією з актуальних задач, тому що вони пов’язують абразійні та акумулятивні процеси в береговій зоні. В роботі подається схема потоку наносів в північно-західній частині Чорного моря. Для уточнення напрямків вздовжберегових потоків наносів на ділянці від м.Очаківський до Жебріянської бухти автором даної роботи був виконаний розрахунок хвильоенергетичних характеристик за методом Р.Я.Кнапса. Розподіл основних наносопереміщуючих характеристик відбувається в зв’язку з особливостями вітрохвильового режиму та експозиції берегової лінії і коливається в широких межах як в середньому по роках, так і в просторовому відношенні.

Таким чином, дослідження просторово-часової мінливості кліматичних і гідрологічних факторів методами математичної статистики дає можливість виділити на даному узбережжі 3 тимчасових зони: 1) Жебріянська бухта - Куяльницький лиман; 2) Куяльницький лиман – мис Очаківський 3) Джарилгачська затока. Узбережжя від Дніпро-Бугського лиману до Тендровської затоки не підлягало районуванню в зв’язку з відсутністю тривалих рядів спостережень.

В першій зоні на рівень моря впливає стік р. Дунай. Для цієї зони характерний більш інтенсивний штормовий вплив в зв’зку з відкритістю акваторії. Друга зона відрізняється більш помірними штормовими характеристиками і меншею амплітудою коливань рівня моря. Джарилгачська затока має свій гідрологічний режим в зв’язку з закритістю акваторії. Для цієї зони одним із головних факторів є згонно-нагонні явища. Ці особливості гідрологічного режиму находять відображення в динаміці АЗП берегової зони.

ОЦІНКА РОЗВИТКУ АБРАЗІЙНО-ЗСУВНИХ ПРОЦЕСІВ І ЇХ ЗАЛЕЖНІСТЬ ВІД БЕРЕГОФОРМУЮЧИХ ФАКТОРІВ

Результатом прямих натурних спостережень в природних умовах є великий об’єм достовірної інформації, яка повинна зводитися до зручних для дослідження структур та схем. Тому для вивчених і всебічно охарактеризованих ділянок стаціонарних спостережень були складені інженерно-геологічні паспорти, один з яких наведено нижче. В паспорті дається стислий і всебічний аналіз залежності абразійно-зсувних показників від активних берегоформуючих факторів і, як результат, багатофакторна регресійна модель розвитку ділянки.

Паспорт ділянки-аналога “Санжейка”

Географічне положення: між Дністровським і Сухим лиманами, район с. Санжейка

Період спостережень: 1976-1997 рр.

Провідні екзогенні геологічні процеси: абразія, зсуви

Інженерно-геологічна характеристика:

Регіон: III - Північне крило Причорноморської западини.

Область: Б-1 – вододільні плоскі поверхні суперфляційної та перефляційної переробки.

Район: б1 – леси і лесовидні відкладення плейстоцену (vdQ1-III), червоно-бурі глини (N23-Q1), карбонатні породи (N1p), меотичні глини із прошарками пісків (N1m).

Підрайон: n - схил висотою 20-40 м.

Морфометрична характеристика:

Довжина (м) - 20-65

Ширина (м) - 920

Крутість схилу (градуси) - 22-28

Експозиція - ВСВ 1200

Уклон підводного схилу - 0,02 – 0,03

Фізіко-механічні властивості делювіально-деляпсивних порід

Коефіцієнт стійкості схилу (метод розрахунку КЦПС) | Природна щільність,

(г/куб.см) | Кут внутрішнього тертя, | Зчеплення,

С, МПа

0,81 | 1,95 | 22 | 0,023

Літологічна і динамічна характеристика стаціонару

Літологічний склад порід берегового схилу | Глини, суглинки

(dpQ1V)

Літологічний склад пляжу | Пісок, детрит

Ширина пляжу (S, м) | 14,1 (10,2-18,3)*

Висота пляжу (H, м) | 1,4

Об’єм наносів на пляжі (Q2, куб.м/п.м) | 19,4 (11,1-24,7)

Відступання бровки (L1, м/рік) | 0,5 (0,0-1,7)

Відступання підошви (L2, м/рік) | 0,6 (0 -2,12)

Об’єм відмиву абразійного схилу (Q1, куб.м/п.м за рік) | 4,0 (0 -14,5)

Величина відступання бровки за весь період спостережень (L, м) | 11,2

* - в дужках - мінімальні і максимальні значення

Оцінка стійкості берега: нестійкий

Результати кореляційного аналізу

Фактори | L1 | Q1 | Q1max

Сума атмосферних опадів за рік, мм

ГМС “Іллічівськ” (1976-1997рр.) | R= 0,60

p=0,015

n=20 | R=0,51

p=0,02

n=20 | R=0,62

p=0,004

n=20

Сума атмосферних опадів за рік, мм. Дані зміщенні на 1 попередній рік.

ГМС “Іллічівськ” | R=0,71

p=0,000

n=20 | R=0,58

p=0,007

n=20

Результативний потік вітрохвильової енергії (Е, умовні одиниці/рік) (1976-1988 рр.).

Дані зміщенні на 1 попередній рік. | R=0,57

p=0,04

n=13 |

R=0,59

p=0,03

n=13

Повторюваність хвилювання з висотою хвилі більше 2 м (кількість випадків по строках).

ГМС “Іллічівськ” (1976-1985рр.) | R=0,66

p=0,038

n=10

Ширина пляжу, м | R=-0,65

p=0,001

n=22 | R=-0,62

p=0,002

n=22 | R=-0,62

p=0,002

n=22

Швидкість абразійно-зсувного процесу, показником якого в даному випадку виступає середньорічний об’єм відмиву порід, на стаціонарі “Санжейка” може бути описаний наступними регресійними моделями:

Y1(t) = 5,74 – 1,02 X1(t) + 0,03X2(t-1) ,

где X1(t) – ширина пляжу; X2(t-1) - сума атмосферних опадів (ГМС “Іллічівськ”), зміщена на один попередній рік (R=0,77; p=0,001 ).

Якщо ввести в модель параметр Е, вона матиме вигляд:

Y2(t)= -1,81 – 1,07 X1(t) + 0,03X2(t-1) + 0,63Х3(t-1) ,

где Х3(t-1) – результативний потік вітрохвильової енергії, зміщений на 1 попередній рік.

Друга модель при більш високому коефіцієнті кореляції (R=0,84; р=0,008) є менш стійкою в зв’язку з коротким рядом параметра Е (13 років). Але вона дає уявлення про тісноту та напрямок зв’язку (прямий чи зворотній), коефіцієнти рівняння свідчать про вклад кожного фактора в даний процес.

Треба відмітити, що для показників абразійно-зсувного процесу характерна періодична компонента 2,3; 3,6; 5,6, 9 років, що відповідає періодам клімато-гідрологічних факторів.

Таким чином, застосування математичного моделювання дає можливість

оцінити ступінь впливу факторів на АЗП, виділити із них найбільш суттєві, визначальні, основні. Даний метод дозволяє вивести важливі закономірності, знання яких необхідне при раціональному використанні берегової зони і прогнозуванні її розвитку, а також дає можливість перенесення цих закономірностей на інші ділянки, схожі за своїми умовами розвитку.

Одержана на стаціонарах інформація була зведена у загальні функціональні структурні моделі розвитку систем “абразійний берег” та “абразійно-зсувний берег”, які дають уявлення про загальну структуру берегової геосистеми, показують характер і тип зв’язків її окремих субсистем, а також взаємодію основних факторів розвитку з показниками абразійно-зсувного процесу (рис.1).

Астрофізичні і глобальні кліматичні фактори

Кліматичні і гідродинамічні фактори

Показники абразійно - зсувного процесу

1

2

3

4

Рис.1. Функціональна структурна модель системи “абразійно-зсувний берег” на ділянці узбережжя “Одеса-Очаків”.

Статистично достовірні і тісні звязки: 1 – прямі; 2 – взаємозвязані; 3 – логічні звязки (не підтверджені значущими

коефіцієнтами кореляції або не вивчені); 4 – часовий лаг (t-1 – 1 рік; t-2 – 2 роки).

ПРОГНОЗ РОЗВИТКУ БЕРЕГІВ

В ПІВНІЧНО-ЗАХІДНІЙ ЧАСТИНІ ЧОРНОГО МОРЯ

Прогноз екзогенних геологічних процесів – одна з найважливіших задач інженерної геології. Дисертантом подається характеристика стану питання і методика складання просторового та часового прогнозу АЗП. В даній роботі прогноз швидкозмінних факторів дається до 2011-2015 рр. При прогнозуванні рядів метеорологічних та гідрологічних факторів, а також динаміки абразійно-зсувних процесів використовувався клас інтегрованих моделей Бокса-Дженкінса в комп’ютерному пакеті “STATISTICA”. Прогнози деяких часових рядів виконані в модулі “Експоненціальне згладжування та прогнозування”.

Аналіз досліджень показує, що даний період часу сприятливий для активного розвитку АЗП на берегах морів і лиманів району, який вивчається. Глобальне підвищення рівня Світового океану, а разом з ним Чорного моря, сприяє активізації розвитку берегової зони. Але в регіональному масштабі цей вплив неоднозначний. Нема сумніву в тому, що підвищення рівня Чорного моря приведе до змін в береговій зоні, таких, як підсилення абразії, підтоплення, засолення грунту на низьких ділянках. Потенційно найбільш небезпечними ділянками в північно-західній частині Чорного моря, які в майбутньому можуть бути пасивно затопленими, є берега між р. Дніпро та Бакальською косою. Сумарна довжина небезпечних берегів складає близько 450 км, що становить 28% довжини Чорноморських берегів України.

На основі впливу різних факторів та активності абразійно-зсувних процесів на північно-західному узбережжі виділено райони, де активізація цих процесів буде відбуватися в різні періоди. Прогноз розвитку процесу складається на основі прогнозу змін визначальних факторів.

Активізація абразійно-зсувних процесів на ділянці узбережжя від дельти Дунаю до Одеської затоки пов’язана з енергією хвилювання та атмосферними опадами, а також шириною пляжу. Ця ділянка берегової зони відрізняється більш широкими і об’ємними пляжами. Підвищення енергії хвилювання в цьому районі спостерігалось у 1984, 1989, 1994, 1998 рр., буде спостерігатися у 2002, 2006 - 2007 роках, підсилюючись в період максимуму атмосферних опадів з лагом в 1-2 роки, тобто в 2008-2009 рр.

Розвиток берегів, що знаходяться на схід від Одеської затоки, залежить від рівня моря та атмосферних опадів. За високим стоянням рівня моря виділяються 1979-1980, 1988-1989, 1997-1998 рр. Враховуючи періодичність можна припустити, що максимальний підйом рівня моря в цьому районі буде у 2007-2008 рр. Передбачається, що 2006 р. буде роком підвищеної кількості атмосферних опадів. В зв’язку з тим, що між атмосферними опадами і показниками процесу існує часовий лаг в 1-2 роки, можна припустити, що на даній ділянці узбережжя активізація абразійно-зсувного процесу буде спостерігатися в 2007-2008 рр.

Активізація абразійних процесів в Джарилгачській затоці очікується в 2006-2007, 2010-2011 рр., в періоди найбільш високих річних значень нагонного рівня води в затоці та атмосферних опадів.

Таким чином, на основі прогнозу розвитку абразійно-зсувного процесу по районах можна стверджувати, що період активізації у 2007-2011 рр. є загальним для всього північно-західного узбережжя Чорного моря.

Процент підтвердження прогнозу для ділянок, де природний хід АЗП не ускладнений техногенним фактором, дорівнює 65%. Це є допустимим при інженерно-геологічних попередніх прогнозах та розрахунках, які потім зазвичай виправляються з урахуванням коефіцієнту запасу.

ВИСНОВКИ

В дисертації наведені теоретичні узагальнення та нові рішення наукової проблеми, яка полягає у визначенні закономірностей розвитку абразійних та абразійно-зсувних берегів північно-західної частини Чорного моря. Проведені дослідження дозволяють сформулювати наступні основні висновки роботи.

1. Північно-західне узбережжя Чорного моря є складною гідродинамічною системою і характеризується широким комплексом геологічних процесів (абразія, зсуви, вивітрювання, ерозія, підтоплення тощо), розвиток яких як у просторі, так і в часі носить закономірно-випадковий характер. Вивчення і пронозування динаміки розвитку повинно відбуватися за комплексною методикою, яка включає різні методи. Це дозволяє представити результати роботи у вигляді постійно діючих моделей (ПДМ), які є математичним або логічним відображенням розвитку берегової геосистеми.

2. Вивчення АЗП повинно проводитися у двох аспектах: визначення механізму, закономірностей розвитку і розповсюдження АЗП; вивчення факторів, які впливають на динаміку процесів. Карта інженерно-геологічних умов повинна містити відомості про особливості будови берегового схилу та розповсюдження АЗП. Використання кореляційно-регресійного методу дозволяє встановити закономірності просторово-часової залежності параметрів берегової зони (лінійне відступання берега, об’єм відмитих порід, об’єм наносів на пляжі, ширина пляжу і т.і.) і активних клімато-гідрологічних факторів (рівень моря, хвилювання, атмосферні опади). Спектральний аналіз часових рядів як параметрів абразійно-зсувних процесів, так і берегоформуючих факторів показав, що дані містять систематичну (регулярну) і випадкову складову. Регулярна складова відноситься до двох класів: вона є або трендом, або періодичною чи сезонною складовою. Представлені закономірності мінливості абразійно-зсувних показників за багаточасовий період підтверджують циклічний характер загального ходу АЗП і їх зв’язок з періодичністю клімато-гідрологічних характеристик. Таким чином, режим розвитку і активізації АЗП є результатом впливу на берегову систему комплексу берегоформуючих факторів, найбільш вагомими із яких є режим рівня моря, хвильовий режим, енергія хвилювання, атмосферні опади.

3. Інтегральна оцінка стану берегової зони представлена у вигляді інженерно-геологічних паспортів типових ділянок-стаціонарів (природних аналогів), які мають свій інженерно-геологічний індекс. Паспорти включають геологічну, геоморфологічну, гідрогеологічну, гідрологічну характеристики, геоморфологічну схему та інженерно-геологічний розріз, а також багатофакторні регресійні моделі розвитку АЗП, які описують залежність абразійно-зсувних показників від провідних берегоформуючих факторів. Роль окремих факторів на різних ділянках узбережжя нерівноцінна. На ділянках, розташованих на захід від Одеси, процес абразії описується моделлю залежності об’єму відмитих порід від повторюваності хвилювання та атмосферних опадів. Для абразійно-зсувних берегів, розташованих на схід від Одеси, найбільш обгрунтованими моделями є залежність АЗП від рівня моря та атмосферних опадів. Для закритих акваторій, таких як лимани і Джарилгачська затока, провідними факторами є згонно-нагонні коливання рівня води та атмосферні опади. Між показниками АЗП та деякими факторами (атмосферні опади, енергія хвилювання) спостерігається метахронний режим, тобто режим запізнювання, який дорівнює 1-2 рокам. Усі виявлені закономірності представлені у вигляді лінійних залежностей із значущими коефіцієнтами кореляцїї. Виділена періодична компонента рядів режимних спостережень дозволяє прогнозувати етапи активізації в розвитку берегових процесів. Створений каталог природних аналогів можна використовувати при прогнозуванні розвитку недостатньо вивчених ділянок.

4. Запропонований один із логічних методів моделювання АЗП – загальні функціональні структурні моделі систем “абразійний берег” і “абразійно-зсувний берег”, які створені на основі аналізу окремих ділянок узбережжя і є логічним відображенням розвитку берегової зони в північно-західній частині Чорного моря.

5. Довгостроковий прогноз переконує в подальшому прогресуючому розвитку АЗП в зв’язку з негативними тектонічними рухами, відносним підвищенням рівня моря, дефіцитом наносів, посиленням антропогенної діяльності.

Список опублікованих праць

1.

2.

3.

4.

5.

закономерности процесса разрушения морских берегов абразионно- оползневого

типа //Геологічний журнал. – Київ, 2002. - №4. – С.115-119.

6.

береговой зоне северо-западной части Черного моря // Физическая география и

геоморфология.- 1985. – Вып.32 . - С.115-120.

7.

8.

9.

Анотація

Педан Г.С. Закономірності розвитку берегів абразійного та абразійно-зсувного типів північно-західної частини Чорного моря. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата геологічних наук за фахом 04.00.07 – інженерна геологія. – Інститут геологічних наук НАН України, Київ – 2003.

Дисертаційна робота присвячена виявленню закономірностей просторово-часового розвитку берегів абразійного та абразійно-зсувного типів північно-західної частини Чорного моря. В роботі статистичними методами встановлено зв’язки між