hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.7868/S207366731802003Xhydrophysics-750Research ArticleГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ И БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПОЛЯ И ПРОЦЕССЫHYDROPHYSICAL AND BIOGEOCHEMICAL FIELDS AND PROCESSESМеры по смягчению последствий береговой эрозии на побережье острова Котлин в Финском заливе, Балтийское мореMitigation measures of coastal erosion on the Kotlin Island’s shores in the Gulf of Finland, the Baltic SeaРябченкоВ. А.RyabchenkoV. A.

Москва

Moscow

vla-ryabchenko@yandex.ruЛеонтьевИ. О.LeontyevI. O.

Москва

Moscow

РябчукД. В.RyabchukD. V.

Санкт-Петербург

St.-Petersburg

СергеевА. Ю.SergeevA. Yu.

Санкт-Петербург

St.-Petersburg

ДворниковА. Ю.DvornikovA. Yu.

Москва

Moscow

МартьяновС. Д.MartyanovS. D.

Москва

Moscow

ЖамойдаВ. А.ZhamoidaV. A.

Санкт-Петербург

St.-Petersburg

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАНРоссияShirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of SciencesRussian FederationВсероссийский научно-исследовательский геологический институт им. А. П. Карпинского (ВСЕГЕИ); Санкт-Петербургский государственный университет, Институт наук о ЗемлеРоссияA.P. Karpinsky Russian Geological Research Institute (VSEGEI); St.-Petersburg State University, Institute of Earth ScienceRussian FederationВсероссийский научно-исследовательский геологический институт им. А.П. Карпинского (ВСЕГЕИ)РоссияA.P. Karpinsky Russian Geological Research Institute (VSEGEI)Russian Federation2018161120221123650Copyright © Рябченко В.А., Леонтьев И.О., Рябчук Д.В., Сергеев А.Ю., Дворников А.Ю., Мартьянов С.Д., Жамойда В.А., 20222022Рябченко В.А., Леонтьев И.О., Рябчук Д.В., Сергеев А.Ю., Дворников А.Ю., Мартьянов С.Д., Жамойда В.А.Ryabchenko V.A., Leontyev I.O., Ryabchuk D.V., Sergeev A.Y., Dvornikov A.Y., Martyanov S.D., Zhamoida V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/750

Интенсивная эрозия берегов вблизи острова Котлин в Финском заливе, наблюдаемая в последние 70 лет, может привести к полному исчезновению песчаных пляжей в западной части о. Котлин в ближайшем будущем. В статье оценивается интенсивность береговой эрозии в западной части о. Котлин и предлагается метод искусственной подсыпки, обеспечивающий сохранение песчаных пляжей. Геологические исследования выявили следующие особенности прибрежной зоны моря и берега в западной части о. Котлин: 1) значительный дефицит донных осадков; 2) небольшая (около 30 см) толщина активного песчаного слоя, 3) преобладание узких (10—15 м) песчаных пляжей и 4) низкий и плавный рельеф морского дна и берега. Параметры искусственного пляжа определяются из совместной модели, объединяющей модели циркуляции воды, ветровых волн и динамики осадков. Расчеты скорости течений и ветровых волн проводились с использованием трехмерной гидродинамической модели восточной части Финского залива и волновой модели SWAN, соответственно. Деформация побережья из-за штормовых нагонов была рассчитана на основе модели CROSS-P. Исходными данными были начальный профиль глубины, характеристики донных осадков, скорость ветра, изменения уровня воды и параметров волн во время шторма, его продолжительность. По заданным внешним воздействиям (атмосферный форсинг из модели HIRLAM, граничные условия на открытой водной границе из модели HIROMB, рельеф дна и пляжа в прибрежной зоне по результатам вышеуказанных геологических исследований) рассчитаны параметры профиля искусственного пляжа при максимальном штормовом нагоне, и оценен годовой объем песка, необходимый для сохранения искусственного пляжа.

The intense erosion of shores of the Kotlin Island in the Gulf of Finland during the last 70 years can lead to the complete disappearance of sandy beaches of the western Kotlin Island in the near future. We assess the intensity of the coastal erosion of the western Kotlin Island and propose the method of artificial sand nourishment in order to maintain the sandy beaches. The geological near-shore and onshore surveys revealed the following features of the western Kotlin Island coastal zone: 1) significant sediment deficit; 2) small (about 30 cm) thickness of the active sand layer, 3) predominance of narrow (10—15 m) sand beaches and 4) low and smooth offshore and onshore topography. The parameters of artificial beaches are determined by coupling the models of water circulation, waves, and sediment dynamics. Calculations of currents and waves were performed using a three-dimensional hydrodynamic model of the eastern Gulf of Finland and the SWAN wave model, respectively. The coast deformation due to storms was calculated using the CROSS-P model. Initial data were the existing depth profile, sediment characteristics, wind properties, wave parameters, the height of storm surges, and the duration of a storm. The actual external forcing (atmospheric forcing from the HIRLAM model, open boundary conditions from the HIROMB model, and bathymetry and topography of the beach obtained from geological surveys) is given, the parameters of artificial beach profiles have been calculated to withstand the maximum storm surge, and the annual volume of sand necessary for the conservation of the artificial beaches has been estimated.

Эрозия береговтеченияветровые волныдинамика осадковмоделированиеискусственный пляжостров КотлинФинский заливБалтийское мореCoastal erosioncurrentswind wavessediment dynamicsmodellingartificial beachKotlin IslandGulf of FinlandBaltic SeaThis research was a part of the project «Development of General Scheme of Coast Protection of the marine coasts of Saint-Petersburg City» funded by the Committee for Natural Use, Environmental Protection and Ecological Safety of Saint-Petersburg. The results of sections 2.2, 5.1 and 5.2 where obtained in the framework of the state assignment of FASO Russia (theme No. 0149-2018-0014). V.A. Ryabchenko and S.D. Martyanov were supported by the grant 14-50-00095 of the Russian Science Foundation. A.Yu. Dvornikov, V.A. Ryabchenko and S.D. Martyanov were supported by the grant 16-55-76021 of the Russian Foundation for Basic Research (RFBR). I.O. Leont’yev was supported by the grant 15-05-08239 of RFBR. A.Yu. Sergeev and D.V. Ryabchuk were supported by the Russian Science Foundation for retrospective analysis of coastal deformations (grant 17-77-20041). The authors are sincerely grateful to the reviewers for valuable comments that have made it possible to improve the paper.ReferencesHanson H. GENESIS: a generalized shoreline change numerical model // J. of Coastal Res. 1989. V. 5, N 1. P. 1—27.Hanson H. GENESIS: a generalized shoreline change numerical model // J. of Coastal Res. 1989. V. 5, N 1. P. 1—27.Dean R. G. Beach Nourishment: Theory and Practice. World Scientific Inc., 2002. 399 p.Dean R. G. Beach Nourishment: Theory and Practice. World Scientific Inc., 2002. 399 p.Van Rijn L. C. et al. Numerical modeling of erosion and accretion of plane sloping beaches at different scales // Coastal Engineering. 2011. V. 58. P. 637—655.Van Rijn L. C. et al. Numerical modeling of erosion and accretion of plane sloping beaches at different scales // Coastal Engineering. 2011. V. 58. P. 637—655.Leont’yev I. O. Morphodynamic Processes in the Coastal Zone of the Sea. Saarbrücken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2014. 251 p.Leont’yev I. O. Morphodynamic Processes in the Coastal Zone of the Sea. Saarbrücken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2014. 251 p.Ryabchuk D. et al. Long term and short term coastal line changes of the Eastern Gulf of Finland. Problems of coastal erosion // Journal of Coastal Conservation. 2012. V. 16, N 3, P. 233—242.Ryabchuk D. et al. Long term and short term coastal line changes of the Eastern Gulf of Finland. Problems of coastal erosion // Journal of Coastal Conservation. 2012. V. 16, N 3, P. 233—242.Van Rijn L. C. et al. The predictability of cross-shore bed evolution of sandy beaches at the time scale of storms and season using process-based profile models // Coastal Engineering. 2003. V. 47. P. 295—327.Van Rijn L. C. et al. The predictability of cross-shore bed evolution of sandy beaches at the time scale of storms and season using process-based profile models // Coastal Engineering. 2003. V. 47. P. 295—327.Roelvink D. et al. Modelling storm impacts on beaches, dunes and barrier islands // Coastal Engineering. 2009. V. 56. P. 1133—1152.Roelvink D. et al. Modelling storm impacts on beaches, dunes and barrier islands // Coastal Engineering. 2009. V. 56. P. 1133—1152.Романовский С. И. Физическая седиментология. Ленинград: «Недра», 1988. 239 с.Романовский С. И. Физическая седиментология. Ленинград: «Недра», 1988. 239 с.Ryabchenko V. et al. Modelling ice conditions in the easternmost Gulf of Finland in the Baltic Sea // Continental Shelf Research. 2010. V. 30. P. 1458—1471. Doi: 10.1016/j.csr.2010.05.006Ryabchenko V. et al. Modelling ice conditions in the easternmost Gulf of Finland in the Baltic Sea // Continental Shelf Research. 2010. V. 30. P. 1458—1471. Doi: 10.1016/j.csr.2010.05.006Рябченко В. А., Коноплев В. Н., Кондратьев С. А., Поздняков Ш. Р., Лыскова У. С. Оценка изменения качества воды Невской губы после введения в эксплуатацию Юго-западных очистных сооружений Санкт-Петербурга (по данным математического моделирования) // Изв. Русского Географического Общества. 2006. Т. 138, Вып. 5. С. 48—57.Рябченко В. А., Коноплев В. Н., Кондратьев С. А., Поздняков Ш. Р., Лыскова У. С. Оценка изменения качества воды Невской губы после введения в эксплуатацию Юго-западных очистных сооружений Санкт-Петербурга (по данным математического моделирования) // Изв. Русского Географического Общества. 2006. Т. 138, Вып. 5. С. 48—57.Андреев П. Н., Дворников А. Ю., Рябченко В. А., Цепелев В. Ю., Смирнов К. Г. Воспроизведение штормовых нагонов в Невской губе на основе трехмерной модели циркуляции в условиях маневрирования затворами Комплекса Защитных Сооружений // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2013. Т. 6, № 4. С. 23—31.Андреев П. Н., Дворников А. Ю., Рябченко В. А., Цепелев В. Ю., Смирнов К. Г. Воспроизведение штормовых нагонов в Невской губе на основе трехмерной модели циркуляции в условиях маневрирования затворами Комплекса Защитных Сооружений // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2013. Т. 6, № 4. С. 23—31.Blumberg A. F., Mellor G. L. A description of a three-dimensional coastal ocean circulation model. / Heaps N. (Ed.), Three-dimensional Coastal Ocean Models. American Geophysical Union, 1987. P. 208.Blumberg A. F., Mellor G. L. A description of a three-dimensional coastal ocean circulation model. / Heaps N. (Ed.), Three-dimensional Coastal Ocean Models. American Geophysical Union, 1987. P. 208.Booij N. et al. A third-generation wave model for coastal regions, Part 1. Model description and validation // Journal of Geophysical Research. 1999. V. 104 (C4). P. 7649—7666.Booij N. et al. A third-generation wave model for coastal regions, Part 1. Model description and validation // Journal of Geophysical Research. 1999. V. 104 (C4). P. 7649—7666.Ris R. C. et al. A third-generation wave model for coastal regions, Part 2. Verification // Journal of Geophysical Research. 1999. V. 104 (C4). P. 7667—7681.Ris R. C. et al. A third-generation wave model for coastal regions, Part 2. Verification // Journal of Geophysical Research. 1999. V. 104 (C4). P. 7667—7681.Martyanov S., Ryabchenko V. Bottom sediment resuspension in the easternmost Gulf of Finland in the Baltic Sea: A case study based on three–dimensional modeling // Cont. Shelf Res. 2016. V. 117. P. 126—137. Doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.csr.2016.02.011Martyanov S., Ryabchenko V. Bottom sediment resuspension in the easternmost Gulf of Finland in the Baltic Sea: A case study based on three–dimensional modeling // Cont. Shelf Res. 2016. V. 117. P. 126—137. Doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.csr.2016.02.011Bagnold R. A. Mechanics of marine sedimentation // The Sea. V. 3. N.Y.: J. Wiley, 1963. P. 507—528.Bagnold R. A. Mechanics of marine sedimentation // The Sea. V. 3. N.Y.: J. Wiley, 1963. P. 507—528.Bowen A. J. Simple models of nearshore sedimentation; beach profiles and longshore bars // Coastline of Canada. Geol. Surv. Can. Halifax, 1980. P. 1—11.Bowen A. J. Simple models of nearshore sedimentation; beach profiles and longshore bars // Coastline of Canada. Geol. Surv. Can. Halifax, 1980. P. 1—11.Leont’yev I. O. Coastal Dynamics: Waves, Currents, Sediment Transport. М.: GEOS, 2001. 272 p.Leont’yev I. O. Coastal Dynamics: Waves, Currents, Sediment Transport. М.: GEOS, 2001. 272 p.Leont’yev I. O. Modeling the morphological response in a coastal zone for different temporal scales // Advances in Coastal Modeling / Ed V. C. Lakhan. Amsterdam, The Netherlands: Elsevier Science Publishers, 2003. P. 299—335.Leont’yev I. O. Modeling the morphological response in a coastal zone for different temporal scales // Advances in Coastal Modeling / Ed V. C. Lakhan. Amsterdam, The Netherlands: Elsevier Science Publishers, 2003. P. 299—335.Leont’yev I. O. Calculation of Longshore Sediment Transport // Oceanology. 2014a. V. 54, N 2. P. 226—232.Leont’yev I. O. Calculation of Longshore Sediment Transport // Oceanology. 2014a. V. 54, N 2. P. 226—232.Leont’yev I. O. et al. Modeling of Storm-Induced Deformations of a Sandy Coast (Based on the Example of the Eastern Gulf of Finland) // Oceanology. 2015. V. 55, N 1. P. 131—141.Leont’yev I. O. et al. Modeling of Storm-Induced Deformations of a Sandy Coast (Based on the Example of the Eastern Gulf of Finland) // Oceanology. 2015. V. 55, N 1. P. 131—141.Leont’yev I. O. et al. The Forecast of Coastal Recession in the Eastern Gulf of Finland for the Twenty-First Century // Oceanology. 2015a. V. 55, N 3. P. 434—440.Leont’yev I. O. et al. The Forecast of Coastal Recession in the Eastern Gulf of Finland for the Twenty-First Century // Oceanology. 2015a. V. 55, N 3. P. 434—440.Leont’yev Igor, Akivis Tatiana. An artificial beach as a means for sea coast protection from storm surges (by the example of the Eastern Gulf of Finland) // Proc. of Int. Conf. “Managing risks to coastal regions and communities in changing world” (EMECS’11 – Sea Coasts XXVI). 2017.Leont’yev Igor, Akivis Tatiana. An artificial beach as a means for sea coast protection from storm surges (by the example of the Eastern Gulf of Finland) // Proc. of Int. Conf. “Managing risks to coastal regions and communities in changing world” (EMECS’11 – Sea Coasts XXVI). 2017.URL:https://www.google.com/url?q=https%3A%2F%2Fdoi.org%2F10.21610%2Fconferencearticle_58b4315f8fc73&sa=D&sntz=1&usg=AFQjCNGPEkTFBEreOx2JE-ApS5YELG6ahg (Дата обращения: 20.04.18).URL:https://www.google.com/url?q=https%3A%2F%2Fdoi.org%2F10.21610%2Fconferencearticle_58b4315f8fc73&sa=D&sntz=1&usg=AFQjCNGPEkTFBEreOx2JE-ApS5YELG6ahg (Дата обращения: 20.04.18).Geological Atlas of St. Petersburg. / Eds.: Filippov N. B., Spiridonov M. A. Comilfo, 2009. 57 p.Geological Atlas of St. Petersburg. / Eds.: Filippov N. B., Spiridonov M. A. Comilfo, 2009. 57 p.Atlas of geological and geoecological maps of the Russian part of the Baltic Sea. / Ed. Petrov O. V. SPb.: VSEGEI, 2010. 78 p.Atlas of geological and geoecological maps of the Russian part of the Baltic Sea. / Ed. Petrov O. V. SPb.: VSEGEI, 2010. 78 p.Harff J., Meyer M. Coastlines of the Baltic Sea – zones of competition between geological processes and a changing climate: Examples from the southern Baltic // J. Harff, S. Björck, P. Hoth, eds., The Baltic Sea Basin. Berlin, Heidelberg: Springer, 2011. P. 149—164.Harff J., Meyer M. Coastlines of the Baltic Sea – zones of competition between geological processes and a changing climate: Examples from the southern Baltic // J. Harff, S. Björck, P. Hoth, eds., The Baltic Sea Basin. Berlin, Heidelberg: Springer, 2011. P. 149—164.Гордеева С. М., Малинин В. Н. Изменчивость морского уровня Финского залива. СПб.: РГГМУ, 2014. 179 с.Гордеева С. М., Малинин В. Н. Изменчивость морского уровня Финского залива. СПб.: РГГМУ, 2014. 179 с.Funkquist L. HIROMB, an operational eddy-resolving model for the Baltic Sea // Bulletin of the Maritime Institute in Gdansk. 2001. V. 28, N 2. P. 7—16.Funkquist L. HIROMB, an operational eddy-resolving model for the Baltic Sea // Bulletin of the Maritime Institute in Gdansk. 2001. V. 28, N 2. P. 7—16.Körnich H., Berggren L. Joint WMO technical progress report on the global data processing and forecasting system and numerical weather prediction research activities for 2013. SMHI, 2013.Körnich H., Berggren L. Joint WMO technical progress report on the global data processing and forecasting system and numerical weather prediction research activities for 2013. SMHI, 2013.URL: https://www.wmo.int/pages/prog/www/DPFS/ProgressReports/2013/documents/2013_Sweden.doc (Дата обращения: 20.04.18).URL: https://www.wmo.int/pages/prog/www/DPFS/ProgressReports/2013/documents/2013_Sweden.doc (Дата обращения: 20.04.18).Hunt I. A. Design of Seawalls and Breakwaters // J. of Waterway and Harbors Div. 1959. V. 85. P. 123—152.Hunt I. A. Design of Seawalls and Breakwaters // J. of Waterway and Harbors Div. 1959. V. 85. P. 123—152.Sunamura T. Sandy Beach Geomorphology Elucidated by Laboratory Modeling / Coastal Modeling: Techniques and Applications. Lakhan V. C., Trenhail A. S. (Eds). Elsevier, Amsterdam, 1989. P. 159—213.Sunamura T. Sandy Beach Geomorphology Elucidated by Laboratory Modeling / Coastal Modeling: Techniques and Applications. Lakhan V. C., Trenhail A. S. (Eds). Elsevier, Amsterdam, 1989. P. 159—213.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.