Интервью с доктором географических наук Р. Косьяном

Интервью с доктором географических наук Р. Косьяном
Косьян Р. Д.
Профессор, доктор географических наук

Cоздал методику изучения процессов переноса материала в береговой зоне моря
Читать биографию

Вы являетесь заведующим Отделом прибрежных исследований и Лабораторией литодинамики береговой зоны моря. Определите основной круг научных интересов этих подразделений.

Предмет литодинамики определен автором этого термина, известным советским ученым профессором В.В.Лонгиновым как изучение перемещения материала литосферы (твердой оболочки Земли) на ее поверхности под действием экзогенных (внешних) агентов и силы тяжести. Береговая зона как предмет исследования определяется как область трансформации и рассеивания механической энергии прибрежных вод в процессе их взаимодействия с твердым веществом литосферы. Береговая зона является наиболее динамически активной частью океана. Именно здесь гасится мощная энергия волн, переданная им ветром. Следствием диссипации энергии является образование сильных течений и сложных систем интенсивного водообмена, формирование и перемещение подводных валов, взвешивание и перенос громадных масс осадков и т.д. , причем протекают все эти процессы комплексно и в самых различных комбинациях.

Состояние берегов, особенно пляжей и прибрежного рельефа дна во многом определяется характером перемещения наносов в береговой зоне под воздействием волн и течений. Поэтому в условиях расширения хозяйственной деятельности на побережье, научные знания о гидролитодинамических процессах береговой зоны чрезвычайно важны. Расчет потока наносов и деформаций подводного склона необходим при эксплуатации гидротехнических сооружений, создании проектов защиты берегов и для обеспечения экологической безопасности. Строительство подходных каналов, эстакад нефтедобывающих сооружений, добыча строительных материалов, обеспечение безопасности коммуникаций и рекреационного режима пляжей невозможно без учета закономерностей перемещения осадков в береговой зоне.

Каково прикладное значение литодинамических исследований, и насколько они актуальны?

Прибрежная полоса занимает особое место в истории развития цивилизации. В ее пределах расположено множество промышленных и гражданских объектов, проживает значительная часть человечества. Экономически прибрежные территории развиваются, как правило, более быстрыми темпами за счет инвестиционной привлекательности отраслей, связанных с использованием ресурсов прибрежной зоны.

Непосредственно к морю выходят урбанизированные территории и сельхозугодья. В береговой зоне находятся морские порты, а также важные объекты рекреации. Общая активизация абразии (разрушения) берегов и размыв пляжей, обвально-оползневые процессы создают угрозу объектам промышленности и транспорта, жилым и общественным зданиям, сооружениям курортного комплекса, коммуникациям и т.п.

В связи с процессами глобализации значение морских прибрежных районов многократно возрастает. Это выражается в значительном росте капиталовложений в реконструкцию и строительство портового хозяйства и терминалов по перевалке различных грузов, включая энергоносители и т.п. Осваиваются новые территории под строительство объектов рекреации и морского туризма. В то же время, многие текущие и долгосрочные проекты освоения и использования природных ресурсов разрабатываются без должного учета интересов пользователей другими прибрежными и морскими ресурсами. В некоторых проектах не учитываются допустимые нагрузки на экосистему береговой зоны моря, а также последствия тех или иных видов хозяйственной деятельности. Не всегда принимаются меры по сохранению и воспроизводству природных ресурсов прибрежно-морских зон.

Расскажите, пожалуйста, о проблеме разрушения черноморских берегов и необходимых мерах их защиты

Проблема защиты берегов Черного моря возникла сравнительно недавно – в начале 20-го века. До этого времени береговые процессы проходили без участия человека. Тогда средняя ширина пляжей достигала 40-50 метров, что было достаточно для того, чтобы волны не оказывали активного воздействия на береговые уступы. Побережье находилось в стадии стабильного динамического равновесия, когда количество поступающего и истираемого пляжеобразующего материала в береговой зоне было приблизительно равно. Защитные мероприятия проводились на отдельных участках хозяйственной деятельности человека.

Длительное время берегоукрепительные работы проводились для ликвидации локальных очагов размыва, что не могло удовлетворить растущие потребности хозяйственного и курортного строительства. В 1961 году была разработана первая Генсхема, в основу которой положено строительство жестких систем берегоукрепления. Хотя она и называлась генеральной, но фактически преследовала целью защиту локальных участков в пределах городских территорий и важных коммуникаций. Частичная реализация этой генсхемы оказалась столь малоэффективной, что уже через 10 лет потребовалось разработать новую Генсхему. К тому времени стоимость берегоукрепительных работ возросла как за счет увеличения длины размываемых участков, так и появления большего количества сооружений. Как и раньше, укрепление берега предусматривалось в пределах крупных городов, курортов, портовых хозяйств. Генсхемы отражали, таким образом, сугубо ведомственный подход к решению проблемы. Отсутствовала должная координация между пользователями и управленческими структурами. В ряде случаев строительство промышленных объектов и крупных коммуникаций планировалось без соответствующих компенсационных мероприятий по охране окружающей среды и защите морских берегов от разрушения. Такие действия не отвечают требованиям комплексного подхода к береговой зоне как целостной природной системе и привели к серьезным экономическим и экологическим последствиям.

Широкое внедрение железобетона не привело к стабилизации берега. Как это ни парадоксально, в худшем положении оказались те участки, где берегоукрепительные работы велись самое продолжительное время. Несостоятельность чисто технического подхода стала особенно очевидной, когда стоимость ремонтно-восстановительных работ стала превышать стоимость целевых объектов берегоукрепления.

В настоящее время значительная часть берегов Черного моря в пределах России подвержена абразионно-оползневым процессам. Общее истощение пляжей или их отсутствие сдерживает курортное строительство.

Расскажите об основных теоретических проблемах и задачах литодинамики

В настоящее время тенденции штормового разрушения берегов могут усилиться в связи с ожидаемым подъемом уровня Мирового океана и дефицитом твердого материала в береговой зоне, образующимся из-за того, что при интенсивном воздействии унос его превышает поступление. Значительная часть наносов во время шторма перемещается во взвешенном состоянии, поэтому знание закономерностей их взвешивания и особенностей пространственного распределения необходимо для достоверных расчетов вдольберегового и поперечного потока наносов. Многочисленные лабораторные эксперименты, проведенные российскими и зарубежными исследователями, позволили выявить основные закономерности формирования поля взвеси под воздействием волнения. Из-за сложности проведения измерений в условиях реального моря, количественная оценка и прогноз распределения взвешенных наносов преимущественно производятся путем математического моделирования с использованием параметров, полученных в лабораторных условиях. Однако, определение физических закономерностей природных процессов практически невозможно без их исследования в натурных условиях. В лаборатории сложно воссоздать нерегулярность волнения и все многообразие взаимодействующих факторов. Точное определение параметров гидролитодинамических процессов в береговой зоне и последующее создание прогностических моделей возможно лишь с использованием данных, полученных при проведении натурных исследований.

Наиболее интенсивно натурные исследования береговой зоны начались в 70-х годах ХХ века по крупным международным и национальным программам. В каждой из этих программ были свои особенности, но в основе лежала одна методологическая идея – на базе получаемых физических закономерностей создать модели, позволяющие по исходному полю ветра рассчитывать последовательно спектр поверхностного волнения, поле скоростей, распределение взвешенных осадков и расход наносов, прогнозировать изменения рельефа дна и береговой линии. Данные натурных экспериментов позволили заметно улучшить методы расчета транспорта наносов в береговой зоне моря. Разработано большое количество теоретических, эмпирических и полуэмпирических моделей, описывающих динамические процессы береговой зоны моря. Тем не менее, строгих и полностью физически обоснованных методов расчета концентрации взвешенных наносов и расхода осадочного материала не существует до сих пор.

Решение этой проблемы сдерживается отсутствием четких представлений о закономерностях перемещения наносов во время штормов, раскрыть которые возможно лишь на основе измерения мгновенных значений концентрации наносов и скоростей воды в натурных условиях. К настоящему времени в экспериментах достаточно хорошо изучены средние по времени характеристики поля концентрации, однако белым пятном в этой проблеме остается вопрос о вкладе различных частотных диапазонов спектра поверхностных волн в формирование поля концентрации. Многочисленные измерения в натурных условиях поля концентрации с малым временем осреднения позволяют говорить о наличии низкочастотных флуктуаций концентрации с периодом порядка нескольких периодов ветровых волн и амплитудой, в несколько раз превышающей среднее значение, которые и определяют в конечном итоге среднее значение концентрации. В этих условиях попытки связать средние значения концентрации и состава взвешенных наносов со средними параметрами волнения приводят к значительному разбросу экспериментальных данных и относительно невысокой точности получаемых зависимостей. Без понимания механизма низкочастотных флуктуаций поля концентрации невозможно физически обоснованное моделирование процессов перемещения осадков под действием нерегулярного волнения. Натурные измерения последних лет демонстрируют существенную зависимость процессов взвешивания и транспорта осадков от групповой структуры волн и изменчивости спектрального состава индивидуальных волн. В настоящее время появились новые предпосылки для решения этой проблемы. Благодаря развитию методов математического моделирования объяснены основные механизмы и особенности деформации нерегулярных волн в береговой зоне моря, их групповой структуры и инфрагравитационных волн. Благодаря прогрессу измерительной техники и многочисленным натурным экспериментам выяснены элементарные механизмы взвешивания наносов в волновом потоке над рифельным и гладким дном, выяснена роль мелкомасштабной турбулентности во взвешивании осадков как в необрушенных волнах, так и внутри прибойной зоны, описаны механизмы возникновения турбулентности в волновом потоке, разработаны методы разделения волновых и турбулентных компонент движения частиц воды.

Что важно учитывать для успешного использования пляжей и развития морских российских курортов?

Несмотря на разнообразие элементов природного рекреационного потенциала, главной его составляющей для любого приморского региона является морской берег, особенно пляжи. Наличие пляжей способствует созданию условий для максимального использования рекреационного потенциала. Нехватка пляжей, особенно в наиболее востребованных рекреационных районах, существенно ограничивает возможности увеличения емкости курорта. Наиболее перспективным направлением решения проблемы нехватки пляжей является создание их искусственным путем. Однако, в силу природных особенностей, связанных с наличием мощного вдольберегового потока наносов практически по всему побережью, в условиях дефицита пляжеобразующего материала создание и расширение пляжей возможно лишь за счет искусственного пополнения их карьерным материалом. Постоянное пополнение размываемого пляжа экономически невыгодно, поэтому создание устойчивых свободных пляжей в случае Черноморского побережья возможно только в бухтах, под прикрытием мысов. Тогда эксплуатационные расходы заключаются лишь в восполнении убыли галечного материала за счет истирания. Искусственные галечные пляжи под защитой каменно-набросных удерживающих сооружений защищают берег или хозяйственные объекты от волнового воздействия, обеспечивая полное гашение энергии волн, сохраняют рекреационный потенциал берега, экономичны при строительстве и эксплуатации.

С учетом рекреационной специализации региона, для большей части Черноморского побережья России искусственные пляжи под защитой пляжеудерживающих конструкций являются оптимальным способом берегозащиты. Несмотря на это, надо отметить, что принятие решений в отношении береговой зоны на уровне отдельных пользователей (местных властей, ведомств и пр.), которые преследуют частные, узконаправленные интересы, зачастую в ущерб соседним участкам берега, недопустимо. По всей видимости, эту проблему надо решать на уровне собственника берегов – государства, на уровне Федерального закона о береговой зоне, необходимость принятия которого назрела уже давно. В законе должны быть сформулированы принципы управления прибрежной зоной, предусмотрено принятие жестких мер нормативного регулирования, связанных с административными и финансовыми взысканиями за нерациональное использование береговых ресурсов, ограничение доступа к ним и их эксплуатации, введение норм допустимых воздействий на экосистему береговой зоны моря. В рамках закона должны быть введены ограничения на экономическую деятельность или отказ от реализации любых проектов, которые могут нанести серьезный ущерб, или последствия которых недостаточно изучены. В условиях повышенной антропогенной нагрузки на прибрежные территории реализация концепции устойчивого развития возможна только с учетом всех факторов и процессов, влияющих на состояние берегов.