КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 16-17-00034

НазваниеРазработка единой системы комплексного мониторинга термоабразионных и ледово-экзарационных процессов в прибрежно-шельфовой зоне морей Российской Арктики

РуководительОгородов Станислав Анатольевич, Доктор географических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2016 г. - 2018 г.  , продлен на 2019 - 2020. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№11 - Конкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» (11).

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-702 - Геоморфология

Ключевые словатермоабразия, ледовая экзарация, изменения климата, мониторинг, прогноз, природно-техногенные катастрофы, снижение рисков

Код ГРНТИ37.25.29


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Около половины протяженности берегов арктических морей России сложено дисперсными мерзлыми отложениями и охвачено процессом термической абразии. В естественных условиях морей Российской Арктики такие берега могут разрушаться со скоростью от 1 до 3 м в год. Одним из следствий глобального потепления климата является заметная активизация в последнее десятилетие абразии и термоабразии берегов, обусловленная изменением термического и ветро-волноэнергетического режимов, а также повышением уровня моря. Особенно заметно потепление климата проявляется в динамике берегов, сложенных многолетнемерзлыми грунтами. На некоторых участках арктических морей России в последние годы такие берега разрушаются с катастрофически высокой скоростью - до 5-10 м в год. Экзарация (выпахивание) – деструктивное механическое воздействие льдов на подстилающую поверхность. Механическое воздействие на берега и дно замерзающих морей связано с динамикой и дрейфом морских льдов, их подвижностью, торошением и стамухообразованием под влиянием гидрометеорологических факторов и рельефа береговой зоны. Экзарация захватывает участки береговой зоны до 15-20 м выше уровня моря на суше и до глубин 15-30 м на дне, а в ряде регионов даже до глубин 50-65 м. Ледяные торосистые образования, сформировавшиеся из многолетних морских льдов высокой прочности, при своем движении под действием течений, ветра, нагрузок ледяных полей, способны выпахивать дно на глубину до 4 м. Обустройство месторождений и создание инженерных объектов, необходимых для хранения и транспортировки углеводородов в суровых условиях Арктики диктует необходимость полноценного учета природных факторов, определяющих геоэкологическую и геотехническую безопасность. Однако, как показывает практика, в большинстве случаев строительство и эксплуатация этих объектов ведется без учета морфо- и лито-динамических особенностей прибрежно-шельфовой зоны. Техногенные нарушения приводят к активизации разрушительных береговых процессов, которые могут серьезно осложнить условия промышленного освоения береговой зоны, вызвать значительные непроизводственные затраты на ликвидацию негативных последствий и восстановление нарушенных экосистем. Под влиянием человеческой деятельности темпы разрушения берегов могут заметно увеличиваться – в 2-3 и более раз, достигая катастрофических значений. Параллельно отступанию береговых уступов вслед за продвижением динамически активной зоны в сторону суши имеет место и абразия на подводном склоне. Последнее обстоятельство представляет серьезную опасность для линейных гидротехнических сооружений, пересекающих береговую черту, таких, например, как подводные трубопроводы и кабели связи, которые могут стать уязвимыми для ледовых воздействий. Игнорирование влияния природных факторов, в том числе, термоабразии берегов и экзарации дна ледяными образованиями, может привести к возникновению чрезвычайных ситуаций, природных и техногенных катастроф, устранение последствий которых как технологических, так и экологических, может резко снизить рентабельность добычи сырья. Под угрозой разрушения оказываются эксплуатирующиеся объекты, а в ряде случаев невозможным становится строительство новых объектов. Хозяйствующие компании несут вынужденные непроизводственные затраты на защиту и перенос объектов нефтегазового комплекса на другие участки. Чтобы избежать описанных выше последствий необходимо качественно повысить уровень проектирования и строительства объектов обустройства в прибрежно-шельфовой зоне Российской Арктики с учетом развития опасных и неблагоприятных процессов, активизация которых в условиях изменения климата и техногенного прессинга может привести к возникновению природно-техногенных катастроф. В свою очередь, грамотное проектирование, строительство и эксплуатация таких сооружений невозможно без достоверных оценок и грамотного прогноза масштабов, параметров и скоростей развития указанных процессов и явлений, которые возможно получить исключительно на основе комплексного мониторинга. Достоверные оценка и прогноз масштабов развития опасных для человеческой деятельности термоабразии и ледовой экзарации на фоне климатических изменений не возможны без разработки единой системы комплексного мониторинга термоабразионных и ледово-экзарационных процессов в прибрежно-шельфовой зоне морей Российской Арктики. Согласно строительным нормам и правилам мониторинг динамики берегов должен осуществляться на всех стадиях проектирования, строительства и эксплуатации объектов инфраструктуры и гидротехнических сооружений, располагающихся на берегу или пересекающих береговую линию. Методы мониторинга динамики берегов в целом разработаны применительно к умеренным широтам. Мониторинг динамики берегов в условиях криолитозоны имеет свою специфику, определяющуюся развитием термоабразионного процесса. В этой связи развитие методов и технологий мониторинга термоабразии берегов представляется чрезвычайно важным. Вопрос же мониторинга ледово-экзарационных процессов в прибрежно-шельфовой зоне проработан значительно хуже. Нормативные документы, регламентирующие методы и технологии мониторинга ледово-экзарационных процессов, еще находятся в стадии разработки. В действующих «строительных нормах и правилах» этому вопросу посвящен один абзац в разделе «литодинамические процессы». Появление этого абзаца именно в разделе посвященному береговым процессам неслучайно, так как именно в береговой зоне эти процессы (термо) абразии и ледовой экзарации тесно связаны между собой и должны исследоваться в комплексе. И именно поэтому, представляется целесообразной разработка именно единой системы комплексного мониторинга этих процессов. Таким образом, заявленный проект направлен на решение важной научной проблемы динамики рельефа прибрежно-шельфовой зоны арктических морей, обусловленной термоабразионными и ледово-экзарационными процессами, активизация которых в условиях изменения климата может приводить к возникновению природных и техногенных катастроф. В настоящее время в России и в мировой практике отсутствует «единая система комплексного мониторинга термоабразионных и ледово-экзарационных процессов». Впервые предполагается связать в единую технологическую систему имеющиеся в данной области знаний ранее разрозненные опытные результаты, методы и технологии. В этой связи поставленная задача является новой, а разработка единой системы комплексного мониторинга термоабразионных и ледово-экзарационных процессов в прибрежно-шельфовой зоне морей Российской Арктики, имеет большое значение и актуальность как для науки, так и практики. Предшествующие многолетние исследования авторского коллектива показали, что наиболее эффективным подходом к изучению динамики термоабразионных и ледово-экзарационных процессов в прибрежно-шельфовой зоне арктических морей является создание «единой системы комплексного мониторинга». Интеграция и адаптация друг к друг методов мониторинга термоабразионных и ледово-экзарационных процессов позволит значительно снизить стоимость таких работ и оптимизировать их проведение. Итогом работ по гранту должен стать проект «руководства по методам комплексного (совместного) мониторинга и термоабразионных и ледово-экзарационных процессов».

Ожидаемые результаты
В результате НИР по проекту РНФ должна быть разработана единая система комплексного мониторинга термоабразионных и ледово-экзарационных процессов, которая позволит оперативно (на момент съемки) получать представление о динамике рельефа прибрежно-шельфовой зоны в целом. Последний аспект представляется чрезвычайно важным, так как позволяет проследить интегральный (результирующий) эффект от воздействия обоих факторов. Система будет базироваться на разработанных ранее рабочей группой «динамики берегов и дна арктических морей» и внедренных на объектах нефтегазового комплекса технологии мониторинга динамики термоабразионных берегов и технологии геофизической съемки ледово-экзарационного микрорельефа дна, которые предполагается объединить на базе современных приборных решений, появившихся в последние годы. Исследователи и проектировки получат возможность увидеть единое строение прибрежно-шельфовой зоны в формате 3D и в надводной и подводной части. Соответственно, многолетний мониторинг прибрежно-шельфовой зоны позволит проследить динамику рельефа под воздействием термоабразионных и ледово-экзарационных процессов, развитие которых активизировалось на фоне глобальных климатических изменений. В результате можно будет верифицировать гидрометеорологические модели, что даст возможность разрабатывать для проектировщиков и строителей достоверный прогноз динамики рельефа прибрежно-шельфовой зоны для различных, в том числе экстремальных сценариев изменения природной среды и климата. Широкое внедрение единой системы мониторинга прибрежно-шельфовой зоны на нефтегазовых и нефтегазотранспортных объектах повысит уровень геоэкологической и геотехнической безопасности и несомненно даст большой экономический эффект, приведет к снижению рисков возникновения чрезвычайных ситуаций и катастроф природно-техногенного происхождения.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
На этапе 2016 года основной объем выполненных работ был посвящен береговым процессам и разработке комплексной системы мониторинга абразии и термоабразии берегов морей Российской Арктики. Создана и апробирована технология мониторинга динамики термоабразионных берегов, учитывающая опыт участников проекта и новые методические приемы, применяемые в последние десятилетия в России и за рубежом. Указанная технология должна стать частью единой системы комплексного мониторинга термоабразионных и ледово-экзарационных процессов, разработка которой запланирована на следующих этапах исследования в 2017-2018 гг. Исследования велись коллективом параллельно в нескольких направлениях: 1. Осуществлялась разработка требований к данным, используемым для изучения динамики термоабразионных берегов, их качеству и разрешению. Была продумана единая система хранения данных с возможностью ее дальнейшего наполнения и многоцелевого использования. Были проанализированы типы данных, используемых в динамике берегов, продумана структура банков данных. Созданная структура была впоследствии наполнена собственными данными многолетнего мониторинга динамики берегов на ключевых участках термоабразионных побережий западно-арктических морей России, который ведется коллективом НИЛ геоэкологии Севера уже 35 лет (http://www.geogr.msu.ru/structure/labs/geos/links/data_types.pdf). 2. Была выработана комплексная технология мониторинга динамки арктических берегов, включающая описание методики полевых и дистанционных исследований. Описаны принципы заложения и функционирования стационаров по прямым инструментальным полевым наблюдениям за динамикой берегов (http://www.geogr.msu.ru/structure/labs/geos/links/direct_oservation.pdf). Перечислено оборудование, с помощью которого может осуществляться мониторинг, его технические характеристики и преимущества. Освещены методы работы на подводном береговом склоне, а также методы наземного лазерного сканирования. Также описана возможная частота и продолжительность мониторинга и получаемые данные. Технология дистанционного мониторинга приведена с учетом новейших источников информации, а также оборудования для работы с ними. Проведен обзор типов материалов, применяемых при мониторинге. Детально описана технология последующей работы со спутниковыми изображениями (http://www.geogr.msu.ru/structure/labs/geos/links/remote_sensing.pdf). 3. Разработанная технология мониторинга динамики берегов с помощью инструментальных измерений была апробирована при полевых работах, проводившихся при внешнем финансировании на ключевых участках нефтегазового освоения (Ямальский и Уральский берег Байдарацкой губы Карского моря). 4. Технология дистанционных исследований с помощью спутниковых изображений была применена для сегментации ключевого участка (район поселка Харасавэй, Западный Ямал) и анализа динамики его берегов в последние десятилетия (с использованием как собственных полевых данных, так и данных дистанционного зондирования). Выявлена пространственная и временная изменчивость скоростей отступания берегов в пределах сегментов с разными мерзлотно-литологическими, морфометрическими и динамическими признаками (http://www.geogr.msu.ru/structure/labs/geos/links/segmentation.pdf). 5. По результатам систематизации теоретических основ исследований динамики термоабразионных берегов были описаны факторы, влияющие на скорость отступания берега. Результатом стала схема взаимодействия гидрометеорологических факторов динамики арктических побережий, главными двумя из которых являются термический (таяние мерзлого клифа под действием положительных температур воздуха и воды) и волноэнергетический (механическое разрушение уступа под действием волн). Эти два фактора, в свою очередь, зависят от годовых накопленных положительных среднесуточных температур воздуха, продолжительности безледного периода, длины разгона волн, скорости и направления ветра и глубины воды; их изменчивость может быть рассчитана исходя их перечисленных параметров (http://www.geogr.msu.ru/structure/labs/geos/links/environmental_forcing.pdf). 6. В рамках создания гидрометеорологической модели динамики берегов (http://www.geogr.msu.ru/structure/labs/geos/links/hydromet_model.pdf) была проанализирована изменчивость температурного и волноэнергетического фактора. Разработан новый программный комплекс для автоматического расчета ветроволновой энергии: по ЦМР, а также данным обработки спутниковых изображений автоматически определяется продолжительность безледного периода, волноопасные направления ветра и глубина моря. Установлено, что для моделирования скоростей отступания берегов необходимо использовать общий показатель температурно-волноэнергетического эффекта, включающий комбинацию температуры и волновой энергии. Эта комбинация определяется соответствующими весовыми коэффициентами для каждого из перечисленных двух параметров, индивидуальными для отдельного ключевого участка. Разработанная модель была апробирована и откалибрована для двух ключевых участков: Ямальского и Уральского берега Байдарацкой губы Карского моря. Количественно показано, что Уральский берег Байдарацкой губы более чувствителен к температурному фактору, чем Ямальский, что связано с более высокой льдистостью отложений Уральского берега. Установлены скорости отступания берегов обоих участках при заданном повышении годовой накопленной положительной среднесуточной температуры воздуха, а также оценены величины ветроволновой энергии, необходимые для заданного отступания берегов Байдарацкой губы. 7. Составлен прогноз динамики берегов тех же ключевых участков термоабразионного берега (берегового уступа и подводного склона) на характерный период эксплуатации гидротехнических сооружений (http://www.geogr.msu.ru/structure/labs/geos/links/forecast.pdf). Определено, что на Ямальском участке за 30-35 лет эксплуатации трубопровода отступание берега составит около 50 м. Поперечный профиль берега при этом практически не изменится. Динамика Уральского берега Байдарацкой губы отличается большей сложностью. Максимальные вертикальные деформации поперечного профиля береговой зоны будут иметь место во фронтальной части современного берегового уступа, где они составят величину до 6-8 м. Плановое отступание бровки берегового уступа может оказаться весьма значительным и за 30-35-летний период, при условии сохранения последних тенденций активизации ветроволновой энергии и потепления климата, составит от 60 м на северо-западе участка до 70-80 и до 90-100 м на юго-востоке. Перечисленные выше результаты включены в комплексную технологию мониторинга динамики термоабразионных берегов, являющуюся общим итогом первого года проекта. Она включает детальное описание существующих методов и выбор оптимальных, разработку собственных новых методов и примеры их применения как для ретроспективного анализа, так и для прогноза динамики арктических берегов. Все материалы, посвященные проекту, размещены по адресу: http://www.geogr.msu.ru/structure/labs/geos/links/.

 

Публикации

1. Кокин О., Огородов С., Белова Н., Кузнецов Д., Шабанова Н. COMPLEX MONITORING OF GEOCRYOLOGICAL STRUCTURE AND GROUND TEMPERATURE REGIME OF THE ARCTIC COASTAL ZONE IN THE AREAS OF INFRASTRUCTURE CONSTRUCTION Proceedings of International Conference "Managing risks to coastal regions and communities in a changing world" (EMECS'11 - SeaCoasts XXVI, St. Petetsburg, 22-27.08.2016). Moscow, RIOR Publ., - (год публикации - 2016)

2. Копа-Овдиенко Н.В., Огородов С.А. ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИКИ ТЕРМОАБРАЗИОННЫХ БЕРЕГОВ БАЙДАРАЦКОЙ ГУБЫ КАРСКОГО МОРЯ НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ Геоморфология, № 3. С. 12-21. (год публикации - 2016) https://doi.org/10.15356/0435–4281–2016–3–12–21

3. Кузнецов Д., Камалов А., Белова Н., Шабанова Н., Огородов С. MONITORING THE DYNAMICS OF THERMOABRASION COASTS AT KHARASAVEY AREA, WESTERN YAMAL (KARA SEA) Proceedings of International Conference "Managing risks to coastal regions and communities in a changing world" (EMECS'11 - SeaCoasts XXVI, St. Petetsburg, 22-27.08.2016), RIOR Publ., Moscow, - (год публикации - 2016)

4. Огородов C.A., Баранская А.В, Белова Н.Г., Камалов А.М., Кузнецов Д.E., Овердуин П.П., Шабанова Н.Н., Вергун А.П. COASTAL DYNAMICS OF THE PECHORA AND KARA SEAS UNDER CHANGING CLIMATIC CONDITIONS AND HUMAN DISTURBANCES GEOGRAPHY, ENVIRONMENT, SUSTAINABILITY, No. 03 (v. 09) 53-73 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.15356/2071-9388_03v09_2016_04

5. Огородов С., Архипов В., Баранская А., Кокин О., Шабанова Н. COMPREHENSIVE MONITORING OF ICE GOUGING BOTTOM RELIEF AT KEY SITES OF OIL AND GAS DEVELOPMENT WITHIN THE COASTAL-SHELF ZONE OF THE RUSSIAN ARCTIC SEAS Proceedings of International Conference "Managing risks to coastal regions and communities in a changing world" (EMECS'11 - SeaCoasts XXVI, St. Petetsburg, 22-27.08.2016), RIOR Publ., Moscow, - (год публикации - 2016)

6. Огородов С.А., Архипов В.В., Баранская А.В., Кокин О.В., Романов А.О. ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ЭКЗАРАЦИИ ДНА ЛЕДЯНЫМИ ТОРОСИСТЫМИ ОБРАЗОВАНИЯМИ Доклады Академии наук, - (год публикации - 2016)


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
На этапе 2017 года основной объем выполненных работ был посвящен вопросам исследования ледово-экзарационных процессам на берегах и дне замерзающих морей Российской Федерации http://www.geogr.msu.ru/structure/labs/geos/links/16-17-00034.php. Подготовлен аналитический обзор http://www.geogr.msu.ru/structure/labs/geos/links/2017/analiticheskiy1.pdf теоретических основ нового научного направления –исследования экзарации берегов и дна ледяными образованиями. Дано определение процесса. Рассмотрены цели, объект, предмет история исследования в России и за рубежом, терминология, понимание и постановка проблемы. Воздействия морских льдов на берега и дно можно разделены на две группы: косвенное – выражается в защитной роли припая и дрейфующих льдов от волн и приливов; прямое, включающее экзарацию берегов и дна; транспорт наносов морскими льдами; местный размыв дна, обусловленный особенностями ледовых условий; формирование мерзлых пород в контактной зоне лед-дно. Среди этих процессов наиболее опасным является экзарация – деструктивное механическое воздействие льдов на грунт, связанное с динамикой ледяного покрова, торошением и стамухообразованием под влиянием гидрометеорологических факторов и рельефа прибрежно-шельфовой зоны. Изучен механизм http://www.geogr.msu.ru/structure/labs/geos/links/2017/analiticheskiy2.pdf воздействия различных видов ледяных торосистых образований на берега и дно замерзающих морей. Экзарационная рельефообразующая деятельность морских льдов в прибрежно-шельфовой зоне большинства замерзающих морей находится в одном ранге с волнением и приливами. Параметры форм рельефа, созданных под воздействием морских льдов, могут достигать по глубине – первых метров, по ширине – первых десятков метров, по протяженности – нескольких километров, а объемы транспорта наносов на отдельных участках профиля подводного склона сопоставимы или превышают объемы наносов, перемещаемых под действием волн и течений. Таким образом, в замерзающих морях внешнюю границу береговой зоны целесообразно проводить на глубине, начиная с которой прекращается волновая переработка ледово-экзарационных форм, а ледово- экзарационный микрорельеф становится доминирующим. Разработана комплексная технология мониторинга http://www.geogr.msu.ru/structure/labs/geos/links/2017/technology.pdf ледово-экзарационного рельефа. Технология включает несколько этапов: от получения, заверки и первичной обработки результатов геофизической съемки микрорельефа дна (сонарная съемка гидролокатором бокового обзора (ГБО), эхолотирование, высокочастотное гидроаккустическое профилирование) – до морфометрического, статистического анализа и интерпретации данных результатов повторных съемок дна. Повторная съемка должна выполняться теми же приборами и в тот же сезон безледного периода, что и первичная. ГБО отвечает за пространственное распределение ледово-экзарационных форм, эхолот – за их параметры, профилограф – показывает величину заполнения борозды вторичными осадками. Технология апробирована на различных стадиях проектирования, строительства и эксплуатации одного из важнейших нефтегазотранспортных объектов в Российской Арктике. Технология также включает обязательное водолазное обследование, необходимое для визуализации (фото и видеосъемка поверхности дна) и заверки результатов дистанционного гидроакустического определения (ГБО и эхолот) борозд – получения данные о параметрах типичной борозды методом прямых измерений. Данная технология должна стать частью единой системы комплексного мониторинга термоабразионных и ледово-экзарационных процессов, создание которой запланирована на этап исследования в 2018 году. Проведено районирование http://www.geogr.msu.ru/structure/labs/geos/links/2017/zonation.pdf ключевого участка нефтегазотранспортного освоения – Байдарацкой губы Карского моря по типам ледяного покрова, механизму и интенсивности воздействия ледяных образований на берега и дно. Установлено, интенсивность экзарации дна определяется ледовыми условиями, глубиной акватории и геоморфологией дна. Наибольшие интенсивность и глубина экзарации дна приурочены к области дрейфующих льдов, тяготеющей к кромке припая, где в течение всего холодного сезона происходят торошения и вдоль которой осуществляется дрейф ледяных полей с вмерзшими в них торосистыми образованиями, достигающими дна. С увеличением глубины моря вероятность образования и встречи тороса, килем достигающего дна, падает, вследствие чего уменьшается число актов пропашки. В пределах припая динамические воздействия морских льдов на дно ограничены его слабой подвижностью и локализованы вокруг стамух и гряд торосов, «сидящих» на подводных береговых валах. Вопрос заглубления инженерных сооружении в грунт – насущная задача науки и практики. Недостаточное заглубление может привести к повреждению сооружения, избыточное заглубление – заметно удорожает строительство. Для оптимального решения необходимио нужна грамотная оценка глубины экзарации берегов и дна, а также прогноз ее изменения, учитывающий современные климатические тренды. С этой целью рассчитаны прогнозные величины http://www.geogr.msu.ru/structure/labs/geos/links/2017/forecast.pdf экзарации берегов и дна ледяными образованиями на трассе перехода магистральными трубопроводами Байдарацкой губы Карского моря. Установлено, что встречаемость и глубина борозд выпахивания характеризуют сохранность ледово-экзарационного микрорельефа, которая зависит как от давности акта пропашки, так и интенсивности развития литодинамических процессов. Благодаря низким скоростям седиментации на больших глубинах происходит «накопление» ледово-экзарационных форм, в то же время, в области волновых деформаций такие формы достаточно быстро перерабатываются. Кроме того, сразу после пропашки дна килем тороса имеет место частичное заполнение борозд в результате обрушения бортиков обваловки. Таким образом, для оценки максимальной глубины внедрения киля тороса в грунт и вероятностного определения частоты актов пропашки соответствующей глубины, характеристик встречаемости и глубины борозд недостаточно. Для ключевого участка нефтегазового освоения – района перехода трассы магистральных газопроводов «Бованенково – Ухта» Байдарацкой губы Карского моря выполнена оценка влияния изменения климата и ледовитости http://www.geogr.msu.ru/structure/labs/geos/links/2017/climatechange.pdf на интенсивность воздействия ледяных образований на берега и дно. Установлено, что потепление климата и вызванные им снижение ледовитости вместе со снижением мощности ледяного покрова, ширины развития припая и размеров ледяных образований приводят к смещению зоны наиболее интенсивного ледово-экзарационного воздействия в сторону суши. Рост температуры воздуха и воды, увеличение длины разгона волн, увеличение вероятности возникновения экстремальных штормовых нагонов на фоне увеличения продолжительности динамически активного безледного периода создают синергетически благоприятные условия для роста абразионного потенциала разрушения берегов, сложенных дисперсными многолетнемерзлыми породами. Потепление климата и расширение площади открытой воды также ведет к росту айсберговой активности, увеличению вероятности их встречи с судами и проникновению в районы, где ранее они не наблюдались. На ключевом участке нефтегазотранспортного освоения побережья Карского моря – Уральском берегу Байдарацкой губы проведены полевые работы http://www.geogr.msu.ru/structure/labs/geos/links/2017/fieldworks.pdf по мониторингу динамики берегов и термического состояния сложенных ими грунтов. Это позволило пополнить ряд наблюдений и получить новые данные по скоростям отступания термоабразионных берегов на участках распространения выходов пластовых и жильных льдов на фоне климатических изменений. Выполнена оценка влияния зон техногенных нарушений, допущенных в период строительства трубопровода, на морфологию и динамику берегов ключевого участка.

 

Публикации

1. Архипов В.В.,Кокин О.В., Огородов С.А., Годецкий С.В., Цвецинский А.С., Онищенко Д.А. Кромка припая у ямальского берега Байдарацкой губы Карского моря в 2012–2016 гг.: ее динамика и роль в формировании современных борозд выпахивания на морском дне Научно-технический сборник - Вести газовой науки, № 4 (32) / 2017 (год публикации - 2017)

2. Белова Н.Г., Шабанова Н.Н., Огородов С.А., Камалов А.М., Кузнецов Д.Е., Баранская А.В., Новикова А.В. Динамика термоабразионных берегов Карского моря в районе мыса Харасавэй (Западный Ямал) Криосфера Земли, т. XXI, No 6, с. 85–96 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.21782/KZ1560-7496-2017-6(85-96)

3. Маслаков А.А. Динамика берегов Берингова моря в районе пос. Лорино (Чукотский АО) Криосфера Земли, т. XXII (год публикации - 2018)

4. Огородов С. Ice Gouging Topography at the Bottom of Caspian and Aral Seas Proceedings of the Thirteenth International MEDCOAST Congress on Coastal and Marine Sciences, Engineering, Management and Conservation, MEDCOAST 17, том 2, C. 711-721 (год публикации - 2017)

5. Огородов С.А. Ледово-экзарационный рельеф на дне Каспийского и Аральского морей Земля из Космоса, 8 (24), С. 38-42 (год публикации - 2017)

6. Огородов С.А., Архипов В.В., Баранская А.В., Кокин О.В., Романов А.О. Влияние изменений климата на интенсивность экзарации дна ледяными торосистыми образованиями ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, №4, том 478 (год публикации - 2018)

7. Огородов С.А., Архипов В.В., Кокин О.В., Баранская А.В. Comprehensive Geophysical Monitoring of Ice-formed Bottom Topography Proceedings of the Thirteenth International MEDCOAST Congress on Coastal and Marine Sciences, Engineering, Management and Conservation, MEDCOAST 17, том 2, с. 815-821 (год публикации - 2017)

8. Огородов С.А., Архипов В.В., Кокин О.В., Марченко А.В. Comprehensive Monitoring of Ice Gouging Bottom Relief at Key Sites of Oil and Gas Development within the Coastal-Shelf Zone of the Yamal Peninsula, Kara Sea Proceedings of the International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions, POAC17-123 (год публикации - 2017)

9. Шабанова Н.Н., Огородов С.А., Шабанов П.П., Баранская А.В. Western Russian Arctic Coastal Dynamic Hydrometeorological forcing: XX-Centure History and Current State GEOGRAPHY, ENVIRONMENT, SUSTAINABILITY, №1 (год публикации - 2018)

10. Огородов С.А., Архипов В.В., Вергун А.П., Кокин О.В. Проблемы обеспечения геоэкологической безопасности инженерных сооружений в прибрежно-шельфовой зоне замерзающих морей Моря России: наука, безопасность, ресурсы / Тезисы докладов научной конференции, C. 136-137 (год публикации - 2017)


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Работы в 2018 году в значительной степени были посвящены апробации и применению методов фотограмметрии с применением беспилотного летательного аппарата (БПЛА) и высокоточных систем спутникового позиционирования DGPS/ГЛОНАСС для целей исследования динамики термоабразионных берегов и ледово-экзарационного микрорельефа на дне. На средства гранта РНФ был закуплен квадрокоптер DJI Phantom 4 PRO Plus с камерой и модулем DGPS/ГЛОНАСС, а также программное обеспечение для фотограмметрической обработки снимков и создания цифровой модели рельефа (ЦМР) с использованием беспилотных летательных аппаратов Agisoft PhotoScan Professional Edition. Выполнено обобщение литературных источников и подготовлен аналитический обзор методов применения высокоточных систем спутникового позиционирования DGPS/ГЛОНАСС, фотограмметрии с использованием квадрокоптеров в целях мониторинга динамики берегов и ледово-экзарационного микрорельефа на дне. Методика обработки результатов съёмки БПЛА детально описана в литературе (Koci et al., 2017; Smith et al., 2015; Eltner, 2016 и др.). Алгоритм включает идентификацию и сопоставление элементов на снимках, реализацию алгоритмов корректировки узловых точек для оценки трёхмерной геометрии, линейное преобразование подобия для масштабирования и привязки облака точек и его оптимизацию. Далее задаются планово-высотные координаты топознаков или «твердых» точек с известными координатами. В завершении, реализация алгоритмов сопоставления стереоизображений позволяет построить плотное трёхмерое облако точек. В результате создаются структурированные трёхмерные модели рельефа (ЦМР) и ортофотопланы. Для апробации указанной технологии при исследовании динамики термоабразионных берегов в июле-августе 2018 г. были проведены полевые работы на Ямальском берегу Байдарацкой губы Карского моря http://www.geogr.msu.ru/structure/labs/geos/links/baydara2018.pdf. Съемка участка берега производилась с применением БПЛА (квадрокоптер DJI Phantom 4 PRO Plus). Площадь съемки составила около 3 кв.км (~12 км вдоль берега, ~300 м – ширина полосы съемки). Съемка проводилась квадрокоптером DJI Phantom 4 в ручном режиме, в надир, на высоте 100 м, в 2 галса (туда и обратно) участками по ~1 км, с перекрытием 60-80% (для создания стереомодели), частота – 30 кадров в минуту. Для более точной привязки на территории была организована система опознавательных знаков, координаты которых измерялись с помощью комплекта геодезических приемников ГНСС (DGPS) Javad Sigma с внешней антеной GRANT J3T в режиме RTK (точность около 3 см в плане и 4,5 см по высоте). В качестве базовых станций выступали реперы государственной геодезической сети (ГГС), система высот – Балтийская БС-77, переход от эллипсоидальных высот спутниковой системы к ортометрическим высотам ГГС был произведен с применением модели геоида EGM 2008. Общий объем съемки – 3486 снимков. В итоге проведенной съемки и выполненной обработки с использованием Agisoft PhotoScan Professional Edition получены сверхвысокодетальные ЦМР (разрешение 5,6 см) и ортофотоплан (разрешение 2,8 см). Построена ЦМР прибрежно-шельфовой зоны (ПШЗ) на участке мониторинга ключевого района нефтегазового освоения – подводного перехода газопровода «Бованенково-Ухта» через Байдарацкую губу Карского моря. ЦМР интегрирована в ГИС-программу ArcGis, позволяющую вносить коррективы при повторной съемке рельефа (микрорельефа) ПШЗ, а также снимать информацию о межгодовой (послештормовой) динамике (деформациях) рельефа (между съемками), т.е. фактически о скоростях термоабразии. ГИС проект, в свою очередь, позволит аккумулировать в себе базу данных по динамике рельефа ПШЗ за период наблюдений. Сопоставление с более ранними ЦМР (например, ArcticDEM https://www.pgc.umn.edu/data/arcticdem/) и ЦМР по съемке следующих экспедиций позволит изучить динамику рельефа, процессы переноса отложений в береговой зоне. Результаты съемки БПЛА верифицировались инструментальными измерениями на контрольных профилях (15 профилей), привязанных и измеренных с использованием ГНСС (DGPS) Javad Sigma. Та же технология была использована для идентификации и изучения борозд ледового выпахивания. С этой целью в октябре 2018 года были организованы полевые работы на участке обнажившегося дна высохшей части Аральского моря http://www.geogr.msu.ru/structure/labs/geos/links/aral.pdf. Съёмка ледово-экзарационного микрорельефа при помощи БПЛА позволяет получить наиболее полную информацию об особенностях морфологии, морфометрии, распространении и взаимном расположении борозд выпахивания. В частности, в результате съёмки можно сравнительно легко получить глубины ледово-экзарационных борозд на большой площади, что невозможно (например, по анализу данных дистанционного зондирования) или затруднительно (тахеометрическая съёмка и т.п.) при работах с использованием других методов. Съёмка ледово-экзарационных борозд осуществлялась при помощи БПЛА (квадрокоптер модели DJI Phantom 4 PRO Plus) на предварительно намеченных и отдешифрированных участках-полигонах. По прибытии на намеченный участок производился выбор конкретного места для проведения съёмки. Так как ледово-экзарационный рельф на дне Аральского моря характеризуется небольшим перепадом высот и малыми уклонами и лучше виден при обзоре с воздуха, чем с земли, осуществлялась рекогносцировка при помощи БПЛА. В зависимости от местных условий (конфигурации, размеров и взаимного расположения борозд) выбирались участки разных размеров: от 100 × 150 м до 900 × 700 м. После рекогносцировки конкретный выбранный участок размечался ОЗ – контрастными бумажными маркерами размера 15 × 20 см. В зависимости от площади участка количество ОЗ варьировало от 4 до 9. Планирование маршрута БПЛА производилась при помощи программы PIX4DCapture на платформе Android. Производилась съёмка в надир на высотах от 50 до 100 м – в зависимости от желаемой детальности и охвата территории, – галсами, расположенными вдоль или поперек полигона. Размер кадра на таких высотах составляет от 50 × 30 м до 125 × 70 м. Съёмка производилась с перекрытием между кадрами 60-80%, что позволяет получить высокодетальную цифровую модель рельефа (ЦМР). Частота съемки составляла 30 кадров в минуту. Точность при такой съёмке составляет от 1,0 до 2,5 см в плане и около 4 см по высоте. С целью ориентировки плоскости съёмки в пространстве каждый ОЗ полигона привязывался спутниковым комплектом GPS, благодаря чему были получены плановые и высотные координаты высокой точности. Привязка полигонов осуществлялась спутниковыми ГНСС (DGPS)-станциями Javad Maxor и Javad Marant с точностью около 1,0 см в плане и около 2 см по высоте. Одна из станций устанавливалась над главным опознаком, закрепленным колом, затем другим приёмником к ней привязывались все остальные ОЗ. Полигоны связывались между собой аналогичным способом и были соединены в единую сеть с репером Гидрометеорологической службы Республики Казахстан для получения абсолютной высотной привязки. С целью проверки точности превышений на получаемой в результате съёмки с БПЛА ЦМР дополнительно были выполнены заверочные нивелирные профили. Профили выполнялись нитяным нивелиром BOIF AL 120. Пикеты ставились в ключевых и характерных точках рельефа для определения корректных расстояний и превышений. Так же, как и в случае с топознаками, осуществлялась привязка начала и конца заверочных нивелирных профилей GPS-приёмниками, получившими абсолютную привязку. Съёмка сопровождалась геоморфологическим описанием территории, фотографированием полигона с земли и проходкой шурфов и канав, заложенных вкрест простирания ледово-экзарационных форм. Как и для участка термоабразионного берега, результаты съемки, ортофотопланы и ЦМР на участок развития ледово-экзарационного микрорельефа интегрированы в ГИС на платформе ПО ArcGis. Таким образом, на примере полигонов в Байдарацкой губе и на бывшем дне Аральского моря подготовлен ГИС-проект и апробирована «единая система комплексного мониторинга термоабразионных и ледово-экзарационных процессов» с применением дистанционных технологий (БПЛА). Система дает возможность получить надежные количественные характеристики термоабразионного и ледово-экзарационного процессов, являющиеся исходными данными для прогноза развития динамики рельефа ПШЗ для различных сценариев изменения природной среды и климата, что позволит снизить риски возникновения природно-техногенных катастроф. Согласно плану работ по проекту РНФ в августе 2018 г. также были проведены полевые исследования в районе пос. Варандей Ненецкого АО http://www.geogr.msu.ru/structure/labs/geos/links/varandey2018.pdf, целью которых было продолжение мониторинга динамики термоабразионных берегов Печорского моря. Мониторинг динамики берегов на данном участке ведется лабораторией геоэкологии Севера МГУ начиная с 1982 года. В ходе полевых исследований решались следующие задачи: аэровизуальные наблюдения прибрежной полосы в ходе доставки авиатранспортом полевого отряда к месту работ; геоморфологическое обследование надводной части береговой зоны с определением положения максимальных штормовых заплесков в ходе пеших вдольбереговых маршрутов (15 км); повторная геодезическая съемка электронным тахеометром (нивелирование) поперечных береговых профилей (15 шт.) и восстановление временных реперов при их утрате (в случае необходимости); фотофиксация характерных участков берега. Результаты наблюдений 2018 г. сравнивались с результатами 2014 г., когда здесь были сделаны последние предшествующие полевые наблюдения. В результате настоящих работ можно выделить три характерных сегмента берега, динамика которых имела различия за последние четыре года: практически не изменившиеся берега; берега с уступами, продолжающими отступать (на 1-3 м за 4 года); берега с интенсивно изменяющейся нагонной осушкой. Берега первой категории преобладают; они распространены на большей части береговой линии исследуемого района. Берега второй категории локализованы в пределах пос. Новый Варандей, где отступание уступа наглядно маркируется разрушающимися постройками. Протяженность этой береговой линии составляет около 1,5-2 км. Берега третьей категории локализованы в устье р. Промой, русло которой в устьевой зоне продолжает смещаться на восток на 5-10 м, размывая свой правый берег. При этом на левом берегу формируется нагонная осушка, высота которой постепенно повышается (до 0,5 м). Установлено, что в настоящее время после интенсивного размыва в июле 2010 г. в результате экстремального штормового 4-метрового нагона на исследованном участке берега Печорского моря наблюдается стабилизация береговых процессов. Исключение составляют техногенно нарушенные участки, разрушение берегов на которых продолжается, хоть и с меньшей скоростью. Собранные в рамках настоящего проекта РНФ материалы и апробированные технологии позволили вплотную подойти к реализации проекта подготовки «руководства по методам мониторинга и термоабразионных и ледово-экзарационных процессов», в котором будут описаны современные методы комплексного мониторинга термоабразионных и ледово-экзарационных процессов применительно к условиям и стандартам Российской Федерации. Составлен план подготовки «руководства» и аннотированное оглавление к нему http://www.geogr.msu.ru/structure/labs/geos/links/manual.pdf. По итогам работ по гранту в 2018 году опубликовано 10 статей в высокорейтинговых журналах (в т.ч. одна статья в Q1) и индексируемых в WoS, SCOPUS и РИНЦ сборниках материалов конференций со ссылками на проект РНФ. Еще одна статья в журнале Q1 находится в печати и выйдет в начале 2019 года и две статьи сданы в журналы Q1 и находятся на этапе рецензирования (http://www.geogr.msu.ru/structure/labs/geos/links/reviewQ1). Результаты исследований доложены в 2018 году на 9 международных конференциях, всего сделано 16 докладов по теме и со ссылками на грант РНФ (см. п.1.10). План работ по гранту РНФ выполнен в полном объеме.

 

Публикации

1. Алексютина Д.М, Шабанова Н.Н., Кокин О.В., Вергун А.П., Новикова А.В., Огородов С.А. Monitoring and modelling issues of the thermoabrasive coastal dynamics IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, № 193, с. 012003 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1088/1755-1315/193/1/012003

2. Белова Н.Г., Шабанова Н.Н., Огородов С.А., Баранская А.В., Новикова А.В., Алексютина Д.М. Coastal Erosion at Kharasavey Gas Condensate Field, Western Yamal Peninsula Society of Petroleum Engineers, SPE-191727-18RPTC-MS (год публикации - 2018) https://doi.org/10.2118/191727-18RPTC-MS

3. Исаев В.С., Кошурников А.В., Погорелов А., Аманжуров Р.М., Подчасов О., Сергеев Д.О., Булдович С.Н., Алексютина Д,М., Гришакина Е.А, Киока А. Cliff retreat of permafrost coast in the southwest Baydaratskaya Bay of Kara Sea during 2005–2016 Permafrost and Periglacial Processes, - (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1002/ppp.1993

4. Мазнев С.В., Огородов С.А., Баранская А.В., Вергун А.П., Архипов В.В., Бухарицын П. Ice gouging topography of the exposed Aral Sea bed Remote Sensing, - (год публикации - 2019)

5. Новикова А.В., Белова Н.Г., Баранская А.В., Алексютина Д.М., Маслаков А.А., Зеленен Е., Шабанова Н.Н., Огородов С.А. Dynamics of Permafrost Coasts of Baydaratskaya Bay (Kara Sea) Based on Multi-Temporal Remote Sensing Data Remote Sensing, 10, 1481 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.3390/rs10091481

6. Огородов С.А., Архипов В.В., Баранская А.В., Кокин О.В., Романов А.О. The Influence of Climate Change on the Intensity of Ice Gouging of the Bottom by Hummocky Formations Doklady Earth Sciences, Volume 478, Issue 2, pp 228–231 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1134/S1028334X1802006X

7. Синицын А., Гуеган Е., Шабанова Н.Н., Кокин О.В., Огородов С.А. Fifty four years of coastal erosion and hydrometeorological parameters in the Varandey region, Barents Sea Coastal Engineering, - (год публикации - 2019)

8. Шабанова Н.Н., Огородов С.А., Шабанов П., Баранская А.В. Hydrometeorological forcing of Western Russian Arctic coastal dynamics: XX-century history and current state Geography, Environment, Sustainability, Vol. 11, No 1, P. 113-129 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.24057/2071-9388-2018-11-1-113-129

9. Алексютина Д.М. Мотенко Р.Г., Белова Н.Г., Шилова О.С. Свойства талых и мерзлых пород, побережье Байдарацкой губы Properties of frozen and thawed soils, Baydaratskaya Bay coast, Kara Sea: variability and trends Conference Proceedings of 18th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM, Water Resources. Forest, Marine and Ocean Ecosystems, issue 3.2, P. 397-404 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.5593/sgem2018/3.2/s13.052

10. Алексютина Д.М., Новикова А.В., Баранская А.В., Шилова О.С., Огородов С.А. Using multi-temporal aerial and space imagery for coastal dynamics investigations at Kara and Pechora Seas, Russian Arctic Conference Proceedings 18th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM, Informatics, Geoinformatics and Remote Sensing, Issue 2.3, P. 265-272 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.5593/sgem2018/2.3/s10.034

11. Архипов В.В., Огородов С.А., Алексютина Д.М., Баранская А.В., Белова Н.Г., Вергун А.П., Кокин О.В., Новикова А.В., Шабанова Н.Н., Шилова О.С. Термоабразия берегов и экзарация дна как факторы риска строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений в прибрежно-шельфовой зоне Печорского и Карского морей Материалы конференции "Арктические берега: путь к устойчивости", с. 10-14 (год публикации - 2018)

12. Мазнев С.В., Огородов С.А. Ice scours on the exposed bottom of the Aral Sea Conference Proceedings of 18th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM, Section Geology, Issue 1.1, P. 181-187 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.5593/SGEM2018/1.1/S01.024


Возможность практического использования результатов
Результаты НИР по проекту РНФ могут быть использованы для организации комплексного мониторинга термоабразионных и ледово-экзарационных процессов, позволяющего оперативно (на момент съемки) получать представление о динамике рельефа прибрежно-шельфовой зоны. Последний аспект представляется чрезвычайно важным, так как позволяет проследить интегральный (результирующий) эффект от воздействия обоих факторов. Разработанные технологии мониторинга динамики термоабразионных берегов и геофизической съемки ледово-экзарационного микрорельефа дна могут быть внедрены при проведении изысканий под строительство гидротехнических сооружений и объектов нефтегазового комплекса. Исследователи и проектировщики получат возможность увидеть единое строение прибрежно-шельфовой зоны в ГИС-формате и в надводной и в подводной части. Соответственно, многолетний мониторинг прибрежно-шельфовой зоны позволит проследить динамику рельефа под воздействием термоабразионных и ледово-экзарационных процессов для различных гидрометеорологических условий. Верифицированные на основе реальных данных по скоростям развития опасных рельефообразующих процессов гидрометеорологические модели, в свою очередь, позволят получить достоверный прогноз динамики рельефа прибрежно-шельфовой зоны для различных, в том числе экстремальных сценариев изменения природной среды и климата, столь необходимый для проектировщиков и строителей. Широкое внедрение единой системы мониторинга прибрежно-шельфовой зоны на нефтегазовых и нефтегазотранспортных объектах повысит уровень геоэкологической и геотехнической безопасности и, несомненно, даст большой экономический эффект за счет снижения рисков возникновения чрезвычайных ситуаций и катастроф природно-техногенного происхождения.