1. Streszczenie Monitoring dna morskiego Kazimierz Szefler, Benedykt Hac, Stanisław Rudowski, Instytut Morski w Gdańsku, Długi Targ 41/42,80-830 Gdańsk e-mail: starud@im.gda.pl Monitoring dna morskiego, czyli rozpoznawanie stanu i zmian dna, bezwzględnie wymaga przede wszystkim dokładnego pozycjonowania, z określeniem czasu, współrzędnych płaskich i rzędnej pionowej oraz pozycji geomorfologicznej - tj. położenia w obrębie określonych form rzeźby. Uzyskanie takiej lokalizacji, o dokładności i skali adekwatnej do potrzeb, wymaga jednak użycia innych metod niż dotąd powszechnie stosowane, z punktowym uzyskiwaniem danych (zwykle zresztą wybieranych z profili). Nowe, odpowiednie możliwości daje rejestracja echosondą wielowiązkową, zapewniającą uzyskiwanie (vide Szefler i in. 2015a) cyfrowego modelu dna (DBM - Digtal Bottom Model) (Rys. 1). To rewolucyjny przełom w badaniach dna. Cyfrowy model dna jest analogiczny do cyfrowego modelu terenu (DTM - Digital Terrain Model, uzyskiwanego na lądzie z pomiarów radarowych czy lidarowych (e.g. Sitkiewicz i in. 2015, Sławik i in. 2015) Jest to przełom tak istotny, że nasza dotychczasowa wiedza o dnie morskim wymaga nie tyle rewizji, co nowego jej kształtowania, w miarę postępu badań. Rys.1. Mapa batymetryczna dna przybrzeża, izobaty co 0,25 m, zaznaczono położenie Rys. nr 3, 4, i 5 1
W pomiarach MBES, wspartych całopowierzchniową rejestracją systemem sonaru bocznego (Side Scan Sonar SSS) rejestrowana jest cała badana powierzchnia a uzyskiwany obraz batymetryczny i geomorfologiczny może być poddany analizie (stanu aktualnego czy porównań stanów) z wyznaczaniem pól wydzieleń i ich granic (vide Wróblewski i in. 2015) (Rys. 2). Uprzednio, określano pola poprzez ich oznaczenie liniami łączącymi punkty wyznaczone na profilach, przy umownym założeniu, że taka interpolacja jest możliwa. Rys. 2. Mapa morfodynamiczna, 1 strefa rew, 2 skłon brzegowy strefa akumulacji/redepozycji, 3 równina abrazyjno-akumulacyjna, rzeźba poligeniczna, relikty rzeźby glacjalnej i współczesna rzeźba akumulacji i abrazji morskiej, 4 większe obszary świeżych wcięć erozyjnych; białe pojedyncze strzałki wskazują linie wcięć erozyjnych i wynosu rumowiska, podwójne strzałki obszary erozji powierzchniowej i wynosu rumowiska Celem pracy jest przedstawienie zarysu obecnych możliwości technicznych i metodycznych badań dna morza (vide Hac i in.2011, Szefler i in. 2015b. Nowe możliwości - to nowe wyzwania, z rewolucyjnymi rozwiązaniami technicznymi i metodycznymi, zapewniającymi obecnie dającymi dokładność decymetrową rejestracji (obrazów) dna. Nowe możliwości i nowe wyzwania to także nowe, pilne potrzeby właściwego rozpoznania aktualnego stanu morfolitodynamicznego i geoekologicznego dna, jego geologicznej historii 2
i predykcji zmian, niezbędnego dla prawidłowego zarządzania strefą brzegową i morskimi obszarami kraju. Właściwe rozpoznanie winno więc umożliwiać dokonywanie takich ocen jak: występowanie zagrożeń i skuteczności im zapobiegania, np. abrazja brzegów i deficyt rumowiska w strefie brzegowej (e.g. Rudowski i in. 2011), awarie morskiej infrastruktury technicznej, itp.); występowanie tzw. warstwy dynamicznej; występowanie, eksploracja i eksploatacji surowców naturalnych (e.g. Szefler i in. 2011) możliwości instalacji hydrotechnicznych i kontroli ich stanu (e.g. Hac i in. 2011); występowanie śladów działalności człowieka (niegdyś i obecnie); wykorzystanie dla celów rekreacji i turystyki itp.). Zaprezentowano zarys możliwości nowoczesnej aparatury badawczej, poparty przykładami z badań prowadzonych przez Instytut Morski w Gdańsku, głównie na obszarze Polskiej Strefy Ekonomicznej Bałtyku. Niezbędną podstawę badań dna stanowi obecnie jego cyfrowy model (Digital Bottom Model DBM) z pomiarów Echosondą Wielowiązkową, umożliwiający uzyskanie dokładnego obrazu batymetrii i rzeźby (Rys.1). Ważne wsparcie stanowi obraz charakteru powierzchni dna, z pomiarów sonarem bocznym (Side Scan Sonar) odzwierciedlający, między innymi, cechy związane z występowaniem osadów powierzchniowych. Cennym uzupełnieniem jest również możliwość dokonania szczegółowej inspekcji dna system telewizji z pojazdu podwodnego (system ROV TV) (Rys. 3). Rys. 3. Podwodna fotografia (system ROV TV), warstwy torfu częściowo erodowanego, położenie zaznaczono na Rys.1. (fot. J. Nowak) Rozpoznanie wgłębnej budowy dna zapewnia zastosowanie metod profilowania sejsmicznego, o dużej penetracji przy małej rozdzielczości (system air-gun, Sparker), lub o dużej rozdzielczości ale o penetracji kilkumetrowej (system Sub-bottom Profiler). Dla płycizn z piaszczystymi osadami specjalnie opracowano system parametrycznego profilowania osadów (Parametric Sub-bottom Profiler) typu Innomar SES-2000 (Rys. 4, 5) z rozdzielczością decymetrowa i doskonałą wizualizacją struktury badanych form (e.g. Szefler i in. 2015a). 3
Pełną interpretację (np. geologiczną czy chemiczną) rezultatów geofizycznych pomiarów uzyskujemy w relacji do danych z analizy prób (czerpakowych i/lub rdzeniowych), pobranych w miejscach charakterystycznych (wskazanych na podstawie uprzednio wykonanych rejestracji bezinwazyjnych). Dane geologiczne potrzebne dla morskiej inżynierii uzyskiwane są także bezpośrednio (in situ) z zastosowaniem sond penetrujących różnego typu. Cennych informacji dotyczących procesów hydrodynamicznych dostarczyć może specjalistyczny, stacjonarny prądomierz (np. prądomierz profilujący AWAC firmy Nortek) rejestrujący stale, przez okres nawet kilku miesięcy, bogaty zestaw danych dotyczących charakteru i przemieszczeń mas wody w profilu pionowym toni wodnej (e.g. Rudowski i in. 2015). Rys. 4. Fragment profilu sejsmicznego (system SES), położenie zaznaczono na Rys.1, facje sejsmiczne: A glacjalna, B glacifluwialna/fluwialna, C glaciolimniczna/limniczna, D fluwialna/paludogeniczna, E morska transgresywna, F morska współczesna Rys. 5. Fragment profilu sejsmicznego (system SES), położenie zaznaczono na Rys. 1, objaśnienia na Rys. 4 Wszystkie rejestracje winny mieć zapewnione dokładne pozycjonowanie, w czasie niemal rzeczywistym, z zastosowaniem odpowiednich systemów nawigacji satelitarnej (RTK DPS) i podwodnej. Właściwe pozycjonowanie (z uwzględnieniem lokalizacji t, x, y, z, oraz pozycji geomorfologicznej) stanowi o wartości opracowania. Ważne są tu odpowiednie systemy instalacji i kalibracji urządzeń służących do pozycjonowania i pomiarów (Nowak i in. 2014). 4
Referencje Hac B., Gajewski J., Gajewski L., Nowak J., Szefler K., 2011, Organizacja morskich badań geofizycznych na przykładzie projektu BalticPipe, Górnictwo i Geoinżynieria, vol. 35 (4/1), AGH, Kraków, 155 156. Nowak J., Gajewski Ł., Kałas M., Cichowska D., 2014, Systemy precyzyjnego pozycjonowania pomiarów batymetrycznych [w:] Rudowski S., Sitkiewicz P., Wróblewski R. (Eds.), II Sympozjum Morskiej Geomorfologii, Instytut Morski w Gdańsku, Gdańsk, 12 15. Rudowski S., Gajewski J., Hac B., Makurat K., Nowak J., Szefler K., 2011, The role of an adequate determination of the state of nearshore bottom bed load as a scaling factor controlling the state and the changes of the shore in the Kołobrzeg region, Journal of Coastal Research, SI 64, 816 819. Rudowski S., Kałas M., Gajewski Ł, Hac B., Nowak J., Wnuk K., Wróblewski R., 2015, Badania podwodnego stoku Półwyspu Helskiego w rejonie portu Hel [w:] Witak M. (Eds.), Procesy geologiczne w strefie brzegowej morza, Wyd. Uniw. Gdańskiego, Gdańsk, 19 31. Sitkiewicz P., Wróblewski R., Rudowski S., 2015, The dune coast the state just prior to the construction of hard engineering protection structures (Ustka-Jarosławiec, the Southern Baltic), Oceanological and Hydrobiological Studies, 44(3), in press. Sławik Ł., Ptak A., Wróblewski R., Rudowski S., 2014, Ruchome wydmy Słowińskiego Parku Narodowego studium przypadku monitoringu teledetekcyjnego [w:] Rudowski S., Sitkiewicz P., Wróblewski R. (Eds.), II Sympozjum Morskiej Geomorfologii, Instytut Morski w Gdańsku, Gdańsk, 16 20. Szefler K., Hac B., Rudowski S., Gajewski L., Gajewski Ł., 2011, Metody badań dna morskiego pod kątem szacowania zasobów kruszyw mineralnych w Zatoce Koszalińskiej. Górnictwo i Geoinżynieria, vol. 35 (4/1), AGH, Kraków, 371 380. Szefler K., Rudowski S., Wróblewski R, 2015a, A Digital Terrain Model of the nearshore bottom as a research tool to prevent abrasion, a Southern Baltic example, XIX INQUA, 26 July 2 August 2015, Nagoya, Japan, T02212. Szefler K., Rudowski S., Wróblewski R., Sitkiewicz P., 2015b, Detailed geomorphological mapping of the sea bottom on the basis the Southern Baltic, GEOBALCANICA 2015, Macedonia, 51-55. DOI: 10.18509/GBP.2015.07 Wróblewski R., Rudowski S., Gajewski Ł., Sitkiewicz P., Szefler K., Kałas M., Koszałka J., 2015, Changes of the Vistula River External Delta in the period of 2009 2014, Bulletin of the Maritime Institute in Gdańsk, vol. 2 (1), 16 22. DOI: 10.5604/12307424.1158154. 5