Monitoring dna morskiego Kazimierz Szefler, Benedykt Hac

Monitoring dna morskiego Kazimierz Szefler, Benedykt Hac

Monitoring dna morskiego
Kazimierz Szefler, Benedykt Hac, Stanisław Rudowski,
Instytut Morski w Gdańsku, Długi Targ 41/42,80-830 Gdańsk
e-mail: [email protected]
1. Streszczenie
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