Określanie wybranych parametrów dynamicznego stanu strefy brzegowej z wykorzystaniem modelu XBeach
Natalia Bugajny, Paweł Andrzejewski, Kazimierz Furmańczyk
Instytut Nauk o Morzu, Uniwersytet Szczeciński, ul. Mickiewicza 18, 70-383 Szczecin, natalia.bugajny@univ.szczecin.pl
Wstęp
Strefa brzegowa to obszar, na którym współdziałają i przenikają się 4 sfery: atmosfera, hydrosfera, litosfera i biosfera, na który dodatkowo wpływa działalność człowieka czyli antroposfera. Obszar ten jest bardzo dynamiczny i ulega ciągłym zmianom, powodowanym w głównej mierze przez falowanie, prądy oraz zmiany poziomu morza (Musielak, 1997). Dzięki opracowanemu na Uniwersytecie Szczecińskim przez zespól prof. K. Furmańczyka Systemie Operacyjnym SatBałtyk-Brzegi, który stanowi integralną część systemu SatBałtyk (Woźniak i in., 2011a; 2011b) możliwe jest prognozowanie i ewidencjonowanie skutków i zagrożeń w strefie brzegowej morza, spowodowanych bieżącymi i spodziewanymi stanami sztormowymi.
Badania aplikacyjne przeprowadzono na trzech testowych odcinkach brzegu wydmowego położonych w zachodniej, środkowej i wschodniej części polskiego wybrzeża południowego Bałtyku (Furmańczyk i in., 2012a; 2014). Integralną częścią Systemu SatBałtyk-Brzegi jest moduł, który przetwarza prognozę parametrów hydro-dynamicznych (np. poziom morza i falowanie) na informacje o ich skutkach na brzegu. W tym celu wykorzystano model XBeach (eXtreme Beach behavior model) stanowiący dwu-wymiarowy model falowania, przepływów, transportu osadów i zmian morfologicznych służący do przewidywania ‘zachowania się’
brzegu wydmowego podczas zmiennych w czasie warunków sztormowych (Roelvink i in., 2009). Pozwala on modelować procesy zgodnie ze skalą oddziaływania sztormu na brzeg (Sallenger, 2000). Model ten został przetestowany w warunkach kanałowych (Roelvink i in., 2009; van Thiel de Vries, 2009) jak również w badaniach terenowych (Roelvink i in., 2009;
McCall i in., 2010). Obecnie jest on powszechnie stosowany na brzegach wydmowych całego świata (Vousdoukas i in., 2011; Harley i in., 2011; Bolle i in., 2011; Splinter i Palmsten 2012), a na brzegach południowego Bałtyku został po raz pierwszy zaadaptowany i przetestowany przez Bugajny i in. (2013; 2015). Fizyczne parametry wygenerowane przez model XBeach są analizowane w kontekście wyznaczonych empirycznie parametrów możliwych zagrożeń, tzw. wskaźników SatBałtyk, do których należą m.in.: możliwość wystąpienia prądów rozrywających, zasięg zalewania plaży, szerokość suchej plaży.
1. Obszar badań
Walidacja wyżej wspomnianych wskaźników została przeprowadzona na jednym z odcinków testowych, który stanowi 10 kilometrowy fragment Mierzei Dziwnowskiej, rozciągający się pomiędzy miejscowościami Międzywodzie i Dziwnówek (Rys. 1). Obszar rozdzielony jest przez ujście Dziwny i dzieli się na część wschodnią i zachodnią. System wałów wydmowych w części wschodniej jest wąski i niezbyt wysoki, osiągając miejscami 4 metry wysokości, natomiast szerokość mierzei wschodniej w najwęższym miejscu osiąga
jedynie 300-500 metrów. Część zachodnia liczy około 2 kilometry szerokości i charakteryzuje się dobrze rozwiniętym systemem wałów wydmowych osiągających nawet 12 metrów wysokości. Mierzeja charakteryzuje się piaszczystą plażą o szerokości 30-50 metrów, a w podbrzeżu widoczny jest system 2-3 wałów rewowych.Na badanym obszarze występują systemy akumulacyjno-erozyjne z przewagą erozji, dlatego chroniony jest za pomocą różnorodnych budowli hydrotechnicznych, jak ostrogi, opaski oraz zabiegi sztucznego zasilania, które modyfikują przebieg naturalnych procesów (Zawadzka-Kahlau, 1999;
Dudzińska-Nowak, 2006a; Dudzińska-Nowak, 2006b).
Rys.1. Obszar testowy – Mierzeja Dziwnowska, położony w zachodniej części polskiego wybrzeża południowego Bałtyku (Furmańczyk i in., 2012b).
2. Metodyka
Do walidacji wspomnianych wskaźników wybrano 9 krótkich przedziałów czasowych dla których dysponowano materiałem teledetekcyjnym w postaci zdjęć z kamery zainstalowanej na jednym z obszarów testowych w miejscowości Dziwnówek (Andrzejewski, 2012).
Dodatkowo zebrano dane odnośnie warunków hydrometeorologicznych w postaci zmian poziomu morza i falowania. Dane falowe pochodzą z modelu WAM (WAMDI Group, 1988), który został zaadaptowany dla warunków Morza Bałtyckiego przez Cieślikiewicz’a i Paplińską-Swerpel (2008) i udostępniane są przez Interdyscyplinarne Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego Uniwersytetu Warszawskiego. Dane odnośnie poziomu wody pochodzą z mareografu zainstalowanego w ujściu Dziwny, należącego do Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej, który udostępnia dane na portalu internetowym. Ponadto, przeprowadzono serię pomiarów terenowych przy użyciu GPS RTK rejestrując topografię plaży.
Określanie możliwości pojawiania się prądów rozrywających oparte jest w Systemie SatBałtyk na założeniu, że powstają one wówczas, gdy nad wałem rewowym występuje permanentne załamywanie się fal (Short i Aagaard, 1993). Część załamujących się fal w widmie energii fal podchodzących do brzegu, określana jest przy użyciu modelu XBeach, z wykorzystaniem formuły Roelvink’a (1993), a następnie porównywana jest z załamującymi się falami widocznymi na zdjęciach z kamery.
Wskaźnik zasięgu zalewania plaży określany jest z porównania maksymalnego zasięgu napływu wody na brzeg z całkowitą szerokością plaży. Całkowita szerokość plaży obliczana jest na podstawie pomiarów przeprowadzanych w terenie przy użyciu GPS RTK i liczona od linii wody przy poziomie wody 508 cm (średni poziom morza odniesiony do układu Kronsztad) do podstawy wydmy. Maksymalny napływ fal na brzeg określa się na podstawie zastosowania modelu XBeach, który identyfikuje zasięg zalewania plaży jako granicę pomiędzy obszarami ‘mokrymi’ i ‘suchymi’. Dokładność prezentowanego zasięgu zalewania plaży oszacowana jest na podstawie porównania zasięgu napływu obliczonego modelem z zasięgiem napływu wyznaczonym ze zdjęć z kamery. Wykorzystując pomiary GPS RTK, możliwa była dokładna rejestracja profilu brzegu (co 1 m), a stworzona następnie warstwa wektorowa, nakładana na zdjęcie z kamery w poszczególnych okresach badawczych, pozwoliła oszacować zasięg zalewania plaży.
3. Wyniki i Dyskusja
W wyniku przeprowadzonych symulacji dla 9 wybranych przedziałów czasowych z okresu wrzesień 2014 – marzec 2015 i porównania danych obserwowanych z danymi modelowanymi, ustalono, iż wartość progowa parametru (Qb) określającego część załamujących się fal, po przekroczeniu której możliwe jest wystąpienie prądu rozrywającego ustalono na 0,3. Przykład porównania załamujących się fal widocznych na zdjęciach z kamery z wynikiem modelu ukazany jest na rysunku 2.
Rys. 2. Przykład porównania załamujących się fal widocznych na zdjęciach z kamery z wynikami modelu (Qb) oraz wysokością głębokowodnej fali znacznej (Hs) i poziomem morza (WL) dla okresu 27-31.12.2014.
Porównanie to miało charakter jedynie wizualny, jeśli chodzi o interpretację materiału teledetekcyjnego, niemniej jednak, jest to jedna z pierwszych prób powiązania warunków hydrodynamicznych ze zjawiskiem prądów rozrywających. Do tej pory w polskich badaniach nad tym zjawiskiem, bazowano na analizie ukształtowania form dennych (Rudowski, 1970) oraz przebiegu wałów rewowych (Furmańczyk i Szakowski, 2001). W pracy Rudowski’ego (1970), określono warunki hydrodynamiczne generacji tych prądów jako „słabe falowanie”.
Dopiero w roku 2008, pierwszą próbę modelowania prądów rozrywających dla warunków występujących w strefie brzegowej w rejonie Lubiatowa przeprowadzili Schönhofer i Szmytkiewicz (2008). Przyjęli oni parametry falowania odpowiadające warunkom umiarkowanego sztormu w strefie brzegowej południowego Bałtyku, gdzie wysokość fali znacznej Hs=1 m. Otrzymane z obliczeń wartości prędkości prądów rozrywających dla wspomnianych warunków falowych były wiarygodne.
Prądy rozrywające są wynikiem złożonej interakcji między falowaniem, poziomem wody oraz ukształtowaniem dna w podbrzeżu. Pomiary w tej części strefy brzegowej są bardzo trudne do przeprowadzenia i nadal niewiele wiemy o warunkach w jakich mogą generować się prądy rozrywające w strefie brzegowej południowego Bałtyku.
Do walidacji wskaźnika zasięgu napływu wody posłużyły te same przedziały czasowe.
Przykład porównania zasięgu napływu wody podczas jednego z nich ukazany jest na rysunku 3. Dla wszystkich 9 przeanalizowanych przedziałów czasowych, współczynnik determinacji wyniósł R2=0,58, co daje dobre dopasowanie modelu. Podobne porównanie przeprowadzono dla wskaźnika szerokości suchej plaży. Błąd statystyczny dla wszystkich obserwacji wyniósł około 6 m, co stanowi 16,4% szerokości plaży w Dziwnówku.
Rys. 3. Przykład porównania modelowanego oraz obserwowanego zasięgu napływu wody na brzeg w okresie 6-11.02.2015.
4. Podsumowanie
Na potrzeby stworzenia systemu SatBałtyk-Brzegi, służącego do prognozowania i ewidencjonowanie skutków i zagrożeń w strefie brzegowej morza, spowodowanych bieżącymi i spodziewanymi stanami sztormowymi, zaadaptowano model XBeach na trzy obszary testowe znajdujące się wzdłuż polskiego wybrzeża Bałtyku. Opracowano tzw.
wskaźniki SatBałtyk, które określają dynamiczne parametry strefy brzegowej. Opisana walidacja wybranych wskaźników tj. możliwość wystąpienia prądów rozrywających, zasięg
zalewania plaży i szerokość suchej plaży została przeprowadzona dla obszaru Mierzei Dziwnowskiej. Uzyskano dobrą zgodność danych modelowych i rzeczywistych.
Prezentowane zagadnienia są pionierskimi w Polsce i prace nad wykorzystaniem nowych narzędzi w postaci numerycznych modeli prognostycznych będą kontynuowane.
Literatura
Short, A., Aagaard, T., 1993, Single and multi-bar beach change models, Journal of Coastal Research, SI 1, 141-157.
Andrzejewski, P., 2012, Wykorzystanie technik video do monitoringu zagrożeń w strefie brzegowej, [w:] Musielak, S., Wiśniewski, B., (Eds.) Zintegrowane Zarządzanie Obszarami Przybrzeżnymi w Polsce – stan obecny i perspektywy, część 4, Zagrożenia i systemy ostrzegania, Szczecin, 105-112.
Bolle, A., Mercelis, P., Roelvink, D., Haerens, P. and Trouw, K., 2011, Application and validation of XBeach for three different field sites. [w]: Smith, J.K., Lynnet, P. (Eds.), Proceedings 32nd Conference on Coastal Engineering (Shanghai, China), Coastal Engineering, Special Issue No. 32, sediment.40. doi:10.9753/icce.v32.sediment.40.
Bugajny, N., Furmańczyk, K., Dudzińska-Nowak, J., Paplińska-Swerpel, B., 2013, Modelling morphological changes of beach and dune induced by storm on the Southern Baltic coast using XBeach (case study: Dziwnow Spit), [w:] Conley, D.C., Masselink, G., Russell, P.E.
and O’Hare, T.J. (Eds.), Proceedings 12th International Coastal Symposium (Plymouth, England), Journal of Coastal Research, Special Issue No. 65, 672-677.
Bugajny, N., Furmańczyk, K., Dudzińska-Nowak, J., 2015, Application of XBeach to model storm response on a sandy spit at the southern Baltic, Oceanological and Hydrological Studies (w druku).
Cieślikiewicz, W., Paplińska-Swerpel, B., 2008. A 44-year hindcast of wind wave fields over the Baltic Sea, Coastal Engineering, 55 (11), 894-905.
Dudzińska-Nowak J., 2006a, Coastline Long-term Changes of the Selected Area of the Pomeranian Bay, [w:] Tubielewicz, A. (Ed.), Coastal Dynamic, Geomorphology and Protection, EUROCOAST – LITTORAL 2006, Gdańsk,163-170.
Dudzińska-Nowak J., 2006b, Wpływ metod ochrony brzegu morskiego na zmiany położenia linii podstawy wydmy na wybranym przykładzie, [w:] Koźmiński, Cz., Dutkowski, M., Radziejewska, T., (Eds..), Człowiek i środowisko przyrodnicze Pomorza Zachodniego: III.
Środowisko przyrodnicze i problemy społeczno-ekonomiczne, Szczecin, 91- 98.
Furmańczyk, K., Szakowski, I., 2001, Prądy rozrywające Zatoki Pomorskiej w świetle interpretacji zdjęć lotniczych, Prace Instytutu Geodezji i Kartografii, tom XLVIII, zeszyt 104.
Furmańczyk, K., Andrzejewski, P., Benedyczak, R., Bugajny, N., Cieszyński, Ł., Dudzińska- Nowak, J., Giza, A., Terefenko, P., Zawiślak, T., 2012a, Monitoring brzegów Morza Bałtyckiego w projekcie SatBałtyk [w:] Musielak, S., Wiśniewski, B., (Eds.) Zintegrowane Zarządzanie Obszarami Przybrzeżnymi w Polsce – stan obecny i perspektywy część 4, Zagrożenia i systemy ostrzegania, Szczecin, 87-97.
Furmańczyk, K., DudzińskaNowak, J., Furmańczyk, K., Paplińska-Swerpel, B., Brzezowska, N., Erozja wydmy w rejonie Dziwnowa jako rezultat znaczących sztormów [in:] Florek, W., (Eds), Geologia i Geomorfologia, 9, Słupsk, 9-18.
Furmańczyk, K., Andrzejewski, P., Benedyczak, R., Bugajny, N., Cieszyński, Ł., Dudzińska- Nowak, J., Giza, A., Paprotny, D., Terefenko, P., Zawiślak, T., 2014, Recording of
selected effects and hazards caused by current and expected storm events in the Baltic Sea coastal zone [w:] Green, A.N., Cooper, J.A.G. (Eds.), Proceedings 13th International Coastal Symposium (Durban, South Africa), Journal of Coastal Research, Special Issue No. 66, 338-342.
Harley, M., Armaroli, C. and Ciavola, P., 2011, Evaluation of XBeach predictions for a real- time warning system in Emilia-Romagna, Northern Italy [w:] Furmańczyk, K. (Ed.), Proceedings 11th International Coastal Symposium (Szczecin, Poland), Journal of Coastal Research, Special Issue No. 64, pp. 1861-1865.
McCall, R.T., van Thiel de Vries, J., Plant, N.G, van Dongeren, A., Roelvink, J.A., Thompson, D.M. and Reniers, A.J.H.M., 2010, Two-dimensional time dependent hurricane overwash and erosion modeling at Santa Rosa Island, Coastal Engineering, 57, 668-683.
Musielak, S., 1997, Brzegi mórz i oceanów [w:] Encyklopedia Geograficzna Świata, T. VII, Oceany i Morza, Wyd. OPRESS, Kraków, 55-61.
Roelvink, J.A., 1993, Dissipation in random waves groups incident on a beach, Coastal Engineering, 19, 127-150.
Roelvink, D., Reniers, A., van Dongeren, A., van Thiel de Vries, J., McCall, R. and Lescinski, J., 2009, Modelling storm impacts on beaches dunes and barrier islands, Coastal
Engineering, 56 (11-12), 1133-1152.
Rudowski, S., 1970, Zmarszczki w strefie przybrzeża południowego Bałtyku, Acta Geologica Polonica, vol. XX, no. 3, Warszawa.
Sallenger A.H. Jr., 2000, Storm impact scale for barrier islands, Journal of Coastal Research, Volume. 16, No. 3, p. 890-895.
Schönhofer, J., Szmytkiewicz, P., 2008, Opis prądów rozrywających w strefie brzegowej morza, Inżynieria Morska i Geotechnika, nr 4, 206-211.
Splinter, K., Palmsten, M. L., 2012, Modeling dune response to an East Coast Low, Marine Geology, 329-332, 46-57. DOI:10.1016/j.margeo.2012.09.005.
van Thiel de Vries, J.S.M., 2009, Dune erosion during storm surges, Amsterdam, Netherlands: IOS Press, 202.
Vousdoukas, M.I., Almeida, L.P. and Ferreira, Ó., 2011, Modelling storm-induced beach morphological change in a meso-tidal, reflective beach using XBeach [w:] Furmańczyk, K.
(Ed.), Proceedings 11th International Coastal Symposium (Szczecin, Poland), Journal of Coastal Research, Special Issue No. 64, pp. 1916-1920.
WAMDI Group, 1988, The WAM model-a third generation ocean wave prediction model.
Journal of Physical Oceanography, 18, 1775–1810.
Woźniak B., Bradtke K., Darecki M., Dera J., Dudzińska-Nowak J., Dzierzbicka-Głowacka L., Ficek D., Furmańczyk K., Kowalewski M., Krężel A., Majchrowski R., Ostrowska M., Paszkuta M., Stoń-Egiert J., Stramska M., Zapadka T., 2011a. SatBaltic – a Baltic environmental satellite remote sensing system- an ongoing project in Poland. Part 1:
Assumptions, scope and operating range, Oceanologia No 53(4), 897-924.
Woźniak B., Bradtke K., Darecki M., Dera J., Dudzińska-Nowak J., Dzierzbicka-Głowacka L., Ficek D., Furmańczyk K., Kowalewski M., Krężel A., Majchrowski R., Ostrowska M., Paszkuta M., Stoń-Egiert J., Stramska M., Zapadka T., 2011b, SatBaltic – a Baltic
environmental satellite remote sensing system- an ongoing project in Poland. Part 2:
Practical applicability and preliminary results, Oceanologia No 53(4), 925-958.
Zawadzka-Kahlau, E., 1999, Tendencje rozwojowe polskich brzegów Bałtyku południowego, Gdańskie Towarzystwo Naukowe, Gdańsk. 147.
