Rozpoznanie zmian morfologii wybrzeża południowego Bałtyku za pomocą interdyscyplinarnych metod badawczych wraz z analizą geozagrożeń
Jerzy Frydel, Lesław Mil, Wojciech Jegliński
Państwowy Instytut Geologiczny - Państwowy Instytut Badawczy, Oddział Geologii Morza;
80-328 Gdańsk, ul. Kościerska 5; jerzy.frydel@pgi.gov.pl
Zagadnienie rozpoznania morfologii części lądowej i morskiej wybrzeży południowego Bałtyku, wraz ze zdefiniowaniem i oceną geozagrożeń, a także analizą zmian linii brzegowej, ich wpływu na sposób rozmieszczenia inwestycji infrastrukturalnych oraz środowisko biotyczne i abiotyczne, wymaga kompleksowego podejścia ze strony badaczy. Z tego względu konieczne jest zastosowanie szerokiego spektrum interdyscyplinarnych metod badawczych, różnych dla obu środowisk. Zróżnicowanie batymetrii akwenów morskich wymusza zastosowanie indywidualnego podejścia dla płytkowodnej strefy przybrzeża i strefy otwartego morza.
Analogiczna sytuacja występuje w przypadku lądowej części wybrzeża, gdzie rozpoznanie morfologii stromego wybrzeża wysokiego (klifowego) i niskiego (wydmowego) wymaga wykorzystania odmiennej metodyki.
Wychodząc naprzeciw powyższego wyzwania, Oddział Geologii Morza Państwowego Instytutu Geologicznego - PIB, zrealizował „Pilotażowy program kartografii 4D w strefie brzegowej południowego Bałtyku”, stanowiący punkt wyjścia dla zadania o charakterze ciągłym, obejmującego szczegółowe rozpoznanie całości polskiej strefy brzegowej. W ramach zadania dostosowano metodykę i zakres prac do specyfiki badanego obszaru, zlokalizowanego w rejonie Jastrzębiej Góry, ograniczonego czworobokiem o powierzchni 16 km2, zawierającego linię brzegową pomiędzy 132,25 a 136,25 km brzegu zgodnie z kilometrażem Urzędu Morskiego (km UM). Rozpoznaniu podlegał bardzo urozmaicony obszar pod względem geologicznym, morfologicznym oraz pod kątem występujących na jego obszarze brzegów morskich okresowo przekształcanych antropogenicznie (w wyniku refulacji), naturalnych jak i podlegających ochronie za pomocą zróżnicowanej zabudowy hydrotechnicznej. Odcinek około 2,5 km przypada na brzeg klifowy, pozostałe około 1,5 km obejmuje brzeg wydmowy. W przybliżeniu połowę powierzchni obszaru zajmują wody Morza Bałtyckiego, zaś pozostała część lądowa położona jest w granicach gminy Władysławowo. Szczegółowe rozpoznanie morfologii lądowej części wybrzeża, zapewniono w wyniku zastosowania technologii LiDAR (Light Detection And Ranging). Do konstrukcji Numerycznego Modelu Terenu (NMT) dla części lądowej wykorzystano dane LiDAR pozyskane z poziomu jednostek latających (ALS) w ramach projektu ISOK, oraz dane LiDAR udostępnione przez Urząd Morski w Gdyni. Powyższymi danymi wizualizowano obszary położone na południe od korony klifu lub dla brzegu wydmowego – od granicy pasa technicznego. Dwukrotnym naziemnym skaningiem laserowym (Terrestrial Laser Scanning – TLS) objęto obszar brzegu i nadbrzeża, uzyskując szczegółowe zobrazowanie najbardziej aktywnych osuwisk i terenów zagrożonych ruchami masowymi, jak również budowli hydrotechnicznych, zlokalizowanych w obrębie poligonu badawczego. Podstawowy obraz ukształtowania dna uzyskano na podstawie pomiarów batymetrycznych, z wykorzystaniem metod właściwych dla poszczególnych stref głębokości. Zastosowanie echosondy wielowiązkowej, jednowiązkowej oraz domiarów GPS RTK w miejscach o najniższej głębokości, umożliwiło skonstruowanie numerycznego modelu dna morskiego. Dla całości
obszaru pilotażowego utworzono dyskretną reprezentację powierzchni wybrzeża, w oparciu o zintegrowane dane teledetekcyjne z różnych źródeł i okresu od 2010 – do 2013 r.
Na podstawie powyższych badań wykonano unikalne odwzorowanie stropu pokrywy osadowej na powierzchni 16 km2. Na potrzeby projektu i prowadzonych analiz korzystano z trzech rodzajów modeli danych cyfrowego modelu wysokościowego: modelu triangulacyjnego, modelu poziomicowego i modelu rastrowego. Na podstawie modelu triangulacyjnego (TIN), w którym poszczególne punkty wysokościowe stanowiły wierzchołki trójkątów budujących szkielet modelu, wygenerowano szereg izohips w cięciu warstwicowym (1, 2,5 i 5m) – wykorzystaną m.
in. jako warstwę pomocniczą przy tworzeniu map wynikowych. NMT wykonane na podstawie danych TLS pozwoliły na ilościowe określenie w m3 wielkości erozji/akumulacji dla obszaru położonego pomiędzy linią napływu/spływu aż do krawędzi skarp głównych osuwisk.
Prześledzono rozwój osuwiska oraz określono stopień degradacji zabudowy hydrotechnicznej w czasie, poprzez odniesienie dwóch serii najnowszych danych naziemnego skaningu laserowego do wymodelowanych uprzednio powierzchni, pozyskanych w trakcie 7 wcześniejszych kampanii pomiarowych. Kompletny obraz rozpoznawanych parametrów obejmował rejestrowaną przez skaner laserowy amplitudę odbitego sygnału, którą wykorzystano na etapie wnioskowania o właściwościach badanych powierzchni, oraz wyznaczania przebiegu obiektów wewnątrzosuwiskowych. Modele umożliwiły również przeprowadzenie profilowań poprzecznych. Z kolei analizy w środowisku GIS prowadzono w oparciu o model rastrowy zdefiniowany mozaiką o rozdzielczości 1 px/m2, na podstawie którego, po wzbogaceniu o dane wektorowe, wykonano serię map tematycznych obejmujących wizualizację morfologii i morfodynamiki, morfo- i litogenezę, mapy parametrów wysokościowych, geologiczne profile wzdłużbrzegowe na tle rzeźby terenu, modele przestrzenne, i inne produkty pochodne.
Wykorzystanie danych archiwalnych obejmujących zdjęcia lotnicze i historyczne materiały kartograficzne umożliwiły prześledzenie przebiegów strukturalnych elementów strefy brzegowej takich jak krawędzie skarp głównych osuwisk czy linia brzegowa.
Na przestrzeni XX i początku XXI w. erozja w rejonie badań spowodowała znaczące przemieszczenia brzegu morskiego oraz zniszczenia w jego obrębie. Wykazano, że intensywność i charakter tych zmian są ściśle uwarunkowane typem morfogenetycznym atakowanego odcinka wybrzeża. W obrębie klifowego, bardziej odpornego na abrazję, fragmentu wybrzeża, rozciągającego się od wschodniej granicy opracowania do 134,4 km wybrzeża, dla okresu ostatnich blisko 100 lat, zaobserwowane przemieszczenia linii brzegowej oraz głównej krawędzi klifu mieszczą się średnio w przedziale od kilku do kilkunastu metrów, jedynie lokalnie maksymalne wartości przekraczają 30 m. Jednakże w szczególnych przypadkach, np.
centralnego, najbardziej aktywnego fragmentu rozległego osuwiska, położonego na wschód od masywnej wielopoziomowej zabudowy klifu, zarejestrowano zdecydowanie wyższe tempo zmian. Ubytki korony klifu mierzone w latach 2010-2013 za pomocą TLS, dla 100 m odcinka, wykazały jego średnie tempo cofania się na poziomie 9,5 m w ciągu 3 lat. Maksymalna odnotowana wartość, o którą cofnęła się główna skarpa osuwiskowa w tym okresie, przekracza 27 m (na wysokości 134 km UM). Analiza objętości prowadzona dla powyższego fragmentu osuwiska o powierzchni nieco ponad 1 ha określa całkowity ubytek pomiędzy wiosną 2010 r. i 2013 r. na poziomie przeszło 18 700 m3. Negatywny wpływ rozwoju niszy osuwiskowej na zapleczu masywnej zabudowy klifu (134,4 km UM) uwidacznia się w postaci osiadania i wypychania ku morzu powyższej budowli hydrotechnicznej. Serie pomiarowe przeprowadzone przez PIG z wykorzystaniem TLS w latach 2014 i 2015 dokumentują dalszy dynamiczny rozwój
osuwiska ku zachodowi, zaczynającego stanowić realne zagrożenie również dla wschodniej części masywnej zabudowy klifu. W szerszej perspektywie, strefa zajmowana przez klify w obrębie obszaru pilotażowego, włączając w to masywną zabudowę klifu oraz inne formy zabudowy nadbrzeża, zajmuje obszar blisko 10,8 hektara. W obrębie zbocza klifowego występują stoki o zróżnicowanym nachyleniu, z czego większość nadbrzeża (tj. 8,1 ha) obejmuje obszary o nachyleniu 10-45° a jedynie ok. 1,5 ha obejmuje obszary o nachyleniu <10°. Obszary cechujące się największą stromizną (>45° nachylenia) zajmują nieco ponad 1,1 ha.
Zgromadzone informacje skłaniają do stwierdzenia, że rozwój omawianego odcinka wybrzeża klifowego nie był jednostajny w czasie. Prawdopodobnie okres wzmożonej aktywność geodynamicznej klifu zakończył się na początku XX w, a kolejne 70-80 lat charakteryzowało się jego względną stabilnością. Katastrofalne nasilenie ruchów masowych nastąpiło pod koniec XX w., w związku z czym administracja morska podjęła działania techniczne zmierzające do ustabilizowania zboczy klifów. Intensyfikacja ruchów masowych ziemi w XXI wieku spowodowana jest znaczącym wzrostem tempa erozji w obrębie wybrzeża wysokiego. Rozwój osuwisk zidentyfikowanych w rejonie Jastrzębiej Góry, następował w największym stopniu podczas ekstremalnych zjawisk pogodowych – sztormów, także intensywnych, długotrwałych opadów deszczu, jak również wskutek antropogenicznego zachwiania stateczności zboczy.
Średnie zmniejszenie zasięgu brzegu mierzejowo-wydmowego zanotowane na przestrzeni lat 1919-2010 wyniosło od 110 do 130 m, uzyskując maksymalną wartość około 150 m. Do czynników warunkujących procesy erozji brzegu należy zaliczyć przede wszystkim spadek objętości warstwy dynamicznej w obrębie podbrzeża. Spadek ten spowodowany jest m. in.
zabudowaniem opaską gabionową niskiego brzegu, stanowiącego zabezpieczenie wydm i ich zaplecza przed przelewami sztormowymi i erozją, ograniczający jednak dotychczasowe źródła materiału dostarczanego do strefy bliskiego podbrzeża, co wpływa na charakterystykę strefy rew.
Badania geologiczne dna w pasie 2 km od brzegu wykazały ponadto deficyt materiału piaszczystego poza strefą rew. Znaczne połacie dna są pozbawione pokrywy piaszczystej, np. w rejonie podwodnego przedłużenia obszaru wysoczyznowego. Dynamika zmian w obrębie wybrzeża ma charakter ciągły, zachodzący jednakże z różną intensywnością, przy czym erozja podbrzeża w istotny sposób warunkuje erozję brzegu i nadbrzeża.
