Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему
Галечные пляжи неприливных морей (вопросы теории и практики)
ВАК РФ 11.00.04, Геоморфология и эволюционная география
Автореферат диссертации по теме "Галечные пляжи неприливных морей (вопросы теории и практики)"
РГ6 од
П >ПГ
МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА , ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ, ОРДЕНА ТРУДОТЗСГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИ'1 ЕТ им.М.В.ЛОМОНОСОВА
Географический факультет
На нравах рукописи
ПЕШКОВ ВЛАДИМИР МИХАЙЛОВИЧ
ГАЛЕЧНЫЕ ПЛЯЖИ НЕПРИЛИВКЫХ МОРЕЙ ( вопросы теории и практики )
11.00.04. Геоморфология и эволюционная география
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора географических паук
Моек в а - 1094
Работа выполнена в Государственном научно-производственном объединении КРАСНОДАРБЕРЕГОЗАЩИТА
Официальные оппоненты :
Доктор географических наук, Доктор географических наук, Доктор географических наук, профессор
Г.А. САФЬЯНОВ
Ю.С.ДОЛОТОВ Р.Д. КОСЬЯН
.Ведущая организация :
Государственный научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт СОЮЗМОРНИИПРОЕКТ
Защита состоится
года в 15 час. на заседании
специализированного со- вета по геоморфологии,эволюционной географии, мерзлотоведению и картографии Д-053.05.06 при Московском государственном университете им. Ту^.В. Ломоносова по адресу: 119899 , ГСП-3,Москва, Ленинские горы,МГУ,Географический факультет, 21 этаж, ауд.2109
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета на 21 этаже.
Автореферат разослан " ¿¿¿¿/С^с/сЯ 1994 года
Отзывы на автореферат в двух экземплярах,заверенные печатью, просим направлять на имя ученого секретаря специализированного совета .
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ
специализированного совета, докт
ПЕШКОВ ВЛАДИМИР МИХАЙЛОВИЧ
ГАЛЕЧНЫЕ ПЛЯЖИ НЕПРИЛИВНЫХ МОРЕЙ ( вопросы теории и практики )
11.00.04. Геоморфология и эволюционная география
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. Галечные пляжи широко распространены на берегах морей и океанов и представляют собой важный объект теоретических и прикладных исследований. С их изучением связан целый круг вопросов, которые имеют большое значение для науки о береговой зоне моря. Это касается движения водных масс в зоне трансформации .и обрушения волн, закономерностей массового перемещения обломочного материала вдоль берега и в поперечном направлении, механической дифференциации наносов различной гидравлической крупности в условиях нерегулярного волнения, динамики рельефа и береговой линии, а также грансостава пляжевых и донных наносов, условий устойчивости и изменчивости аккумулятивных форм и пляжей. С процессами трансформации и переноса твердого вещества в прибойной зоне тесно связано понимание основных потоков и миграций наносов, режима прибрежно-морской седиментации и др. Сведения о природном режиме морских берегов с галечными пляжами крайне важны для хозяйственной деятельности , в частности, гидротехнического и рекреационного строительства.
По галечным пляжам накоплен большой описательный материал и на его основе установлены важные закономерности современной динамики и развития. Тем не менее, многие представления все еще остаются на уровне качественных схем. Значительная часть выводов опирается на весьма общие положения или частности и,поэтому .отличается своей неконкретностью и даже необязательностью. Ни в отечественной, ни в зарубежной литературе нет обобщающих работ о пляжах как целостной литодинамической системе. Слабая изученность цепей, которые вызывают изменения пляжей и аккумулятивных форм в зависимости от смежных подсистем (твердый сток рек, волновой и уровенный режим, склоновые процессы и др.) вынуждает прибегать к косвенным оценкам или аналогиям. Нередко это сводится к простой констатации не столько процесса, сколько его результата в некоторой законченной форме.
Взаимодействие волн и наносов можно обьяснить физическими законами и построить на этой основе более или менее реальную модель современной динамики пляжа. Однако, с точки зрения сложных природных систем, эти процессы являются элементарными, поскольку не содержат ответа на главный вопрос -как, каким образом и в каком направлении происходит развитие берега? Для этого требуется качественно новый уровень понимания не только единства и взаимосвязи процессов береговой природы, но и обусловленности от изменений внешней среды на глобальном,
региональном и местном уровнях. Особое значение в связи с этим приобретают знания о влиянии антропогенного фактора.
На нынешнем этапе голоценовой истории многие аккумулятивные формы и пляжи испытывают размыв из-за общего истощения на дне запасов обломочного материала, снижения твердых выносов рек, уменьшения мощности потоков наносов и др. По данным Комиссии по береговой среде Международног географического союза, около 20% песчано-галечных берегов отступает со скоростью более 1 м/год /Allison,1980; Bird, 1980,1981 /. Все возрастающее влияние хозяйственной деятельности ускоряет этот процесс, а в некоторых районах становится решающим. Серьезную угрозу представляет повышение уровня Мирового океана вследствие парникового эффекта.
Прикладные аспекты исследований связаны с разработкой научных рекомендаций по рациональному освоению, использованию, а также защите галечных берегов от размыва. Отсутствие крупных обобщений в этой области явилось причиной существенного отставания науки от требований практики. Это относится прежде всего к проведению берегозащитных мероприятий. В течении многих десятилетий эту проблему пытались решить путем строительства различных типов гидротехнических сооружений (подпорные и волноотбойные стенки, буны, подводные волноломы и др. ). Такой подход для Черноморского побережья Кавказа и других регионов оказался тупиковым / Кикнадзе, 1977;, Пешков, 1989 и ДР-/-
Имеющийся опыт показывает, что защита морских берегов от волнового разрушения не является чисто технической задачей, поскольку она географически по своей сути и содержанию и требует комплексного географического подхода. Переход к прогрессивным методам и технологиям означает отказ от примитивного противоборства с морем в пользу сотворчества с ним. Устаревшая парадигма " техника может все " ведет лишь к фальсификации природы и превращает морские берега в малопривлекательный продукт современной строительной индустрии. Так, для ликвидации последствий технической политики укрепления берега от Сочи до Туапсе требуется около 100 млрд. рублей, а с учетом восстановления пляжей свыше 200 млрд.рублей.
Необходимость коренного пересмотра прежних подходов к решению указанной проблемы отражена в ряде постановлений директивных органов, в частности, постановлении Правительства Российской Федерации от 02.01.1992 года № 02 " О неотложных мерах по защите берегов Черного и Азовского морей от разрушения
и улучшению экологического состояния прибрежных курортных зон ". В решении этих вопросов большое значение имеют современные теоретические разработки по регулированию береговых процессов.,использованию методов природных
аналогов,моделированию морских берегов по принципам "геоники",искусственному пляжеобразованию и др.
Основная цель работы заключается в создании целостной теоретической концепции современной динамики и развития морских берегов с галечными пляжами; разработке рекомендаций по их защите от размыва; формулировании основных положений в области искусственного пляжеобразования; научном обосновании текущих и долгосрочных проектов рационального освоения и защиты от волнового разрушения Азово-Черноморского побережья России.
Задачи работы. В ходе исследований по теме диссертации были решены следующие задачи:
- проведен анализ современных представлений о галечных пляжах неприливных морей;
- изучены условия и механизм образования пляжей из грубообломочного материала на берегах Мирового океана;
- выполнен морфометрический анализ основных элементов строения галечных пляжей неприливных морей;
- установлены основные закономерности гранулометрической дифференциации наносов прибойной зоны в условиях нерегулярного волнения;
- разработана натурная модель гидро- и литодинамики прибойной зоны при обрушении волн опрокидыванием;
- открыт феномен естественного регулирования грансостава наносов прибойной зоны,а также механизм обмена частицами различной гидравлической крупности между пляжем и подводным склоном ;
- определены условия формирования профилей динамического и статистического равновесия галечных пляжей;
- установлены особенности перемещения наносов вдоль берега и в поперечном направлении в условиях приглубого подводного склона;
- определены основные количественные характеристики гидро-и литодинамики прибойной зоны при обрушении волн опрокидыванием (параметры прибойного потока,расход пляжевых наносов,граничные условия переформирования профиля пляжа и
др);
- выявлена взаимосвязь динамики профиля,контура берега и грансостава наносов как важнейших элементов естественного регулирования береговой зоны как морфосистемы;
- установлена цикличность береговых процессов в связи с периодическими изменениями твердого стока рек и волнового режима средней продолжительностью около 20 лет (на примере восточной части Черного моря);
- определены условия и механизм размыва морских берегов при переходе количественных изменений в качественные (основной закон скачкообразного развития морских берегов);
- изучены особенности распределения твердого стока горных рек на предустьевом взморье, а также условия вовлечения речного материала в береговые процессы ;
выявлены основные взаимосвязи между процессами литодинамики береговой зоны и подводными каньонами;
- установлены особенности динамики и развития галечных пляжей на участках с морскими стенками, бунами и подводными волноломами;
- изучены качественные и количественные закономерности волновой переработки материала отсыпок в искусственные галечные пляжи;
- разработаны эффективные методы и технология защиты морских берегов искусственными галечными пляжами.
В основу диссертации положены :
1. Результаты натурных и экспериментальных исследований, выполненных при участии и под научным руководством автора на Черноморском побережье Кавказа и восточном побережье Азовского моря Южным отделением института Океанологии РАН (1967-1969гг),Черноморниипроектом (1970-1971гг), Сочинской ВИС Союзморниипроекта ,(1971-1975гг), Институтом географии РАН и АН Грузии .(1976-1981 гг), НПО "Грузберегозащита"(1981-1992гг),ГСНПО Краснодарберегозащита
(1991-1993 гг.)
2.Материалы исследований,полученные при состтавлении и корректировке Генсхемы защиты Черноморского побережья Грузии (1982-1990 гг.), Генсхем от Адлера до Туапсе (1986-1990 гг) и от Туапсе до Анапы ( 1991-1993 гг.)
ЗЛитературные и фондовые материалы, включая зарубежные источники .
Натурные исследования проводились с 1967 по 1993 гг. на различных по физико-географическим условиям участках морских берегов .и включали геоморфологические,геологические .гидрологические , литологические, геофизические, подводные геоморфологические и другие виды полевых работ.
Экспериментальные исследования выполнялись с использованием индикаторов перемещения песчаных и галечных наносов. К экспериментальным относятся исследования по волновой переработке более 10 млн.мЗ материала отсыпок в искусственные пляжи. Указанный эксперимент не имеет аналога в отечественной и зарубежной практике и сопоставим по масштабу с длительным этапом развития морского берега в условиях массового поступления в прибойную зону обломочного материала. Экспериментальными являются также исследования в области технологии искусственного пляжеобразования, регулирования вдольберегового перемещения пляжевых и донных наносов,процессов литодинамики на предустьевых участках крупных горных рек,демонтажу бун и др.
Методические исследования включали разработку методов режимных наблюдений (мониторинг), количественного изучения береговых процессов, а также рекомендаций по защите морских берегов искусственными галечными пляжами.
Практическая ценность работы. Внедрение результатов исследований и личный вклад автора.
Основные теоретические положения, разработки и практические рекомендации использованы в Генсхемах защиты Черноморского побережья Грузии и России,в ТЭО и рабочем проектировании региональных и локальных проектов. Автор принимал непосредственное участие в составлении методических рекомендаций по расчету, проектированию и строительству волногасящих галечных пляжей.
Личный вклад автора заключается в руководстве исследованиями, научном обосновании и проведении берегозащитных мероприятий на различных участках Азово-Черноморского побережья Кавказа (1970-1993гг). Важное место занимает разработка научных положений по защите морских
берегов искусственными галечными пляжами и технологии их строительства (восстановления). Создание таких пляжей стало в последнее время приоритетным направлением на берегах Черного, Азовского и других морей. С 1982 по 1993 гг. искусственными пляжами защищено от абразии и размыва около 70 км юго-восточного побережья Черного моря. На восточном побережье Азовского моря, где разрушение клифов из глинистых пород протекает со скоростью до 3-5 м/год, весьма успешным явился опыт строительства волногасящих пляжей из гравийно-галечной смеси (Ейск.Приморско-Ахтарск и др.).
Открытие автора и внедрение в практику феномена естественного регулирования грансостава наносов прибойной зоны позволило восстановить пляжи в Гагрском районе с экономическим эффектом около 25 млн.рублей (в ценах 1984 года). Под его руководством впервые в отечественной практике был реализован проект по демонтажу системы бун в г.Гагра с целью возобновления СЗ потока наносов; выполнен многолетний цикл натурных исследований по определению основных элементов динамики и развития галечных пляжей (на примере Черноморского побережья Кавказа).
Внедрение прогрессивных методов позволило снизить вдвое объемы капиталовложений на защиту Черноморского побережья Кавказа от волнового разрушения по сравнению с прежними методами строительства жестких систем берегоукрепления. Экономическая эффективность перехода к новой технологии определяется в стоимостном выражении многими миллиардами рублей. Положительная оценка защиты морских берегов искусственными пляжами содержится в документах Совета Министров, Госплана и Госстроя СССР,ГКНТ и Академии наук СССР и АН Грузии, ВЦСПС и др.
Достоверность теоретических и методических разработок автора подтверждена фактическими результатами в решении проблемы защиты Азово-Черноморского побережья от волнового разрушения, высокой экономической эффективностью практических решений. За научную и практическую деятельность автор награжден орденом Почета /1986 год/ и Серебряной медалью ВДНХ СССР /1989 год/.
Основные теоретические вывод, научные разработки и методические рекомендации, изложенные в диссертации, принадлежат автору.
В диссертации защищаются:
1. Теоретическая концепция современной динамики и развития морских берегов с галечными пляжами. Составными частями этой концепции являются:
а) натурная модель гидро- и литодинамики прибойной зоны при обрушении волн опрокидыванием; б) динамика профиля и грансостава 'пляжевых наносов в разные фазы штормового волнения; в) гранулометрическая дифференциация пляжевых наносов в условиях нерегулярного волнения; г)представления о профилях динамического и статистического равновесия; д)механизм перехода количественных изменений в качественные как основной закон скачкообразного развития морских берегов; е) явление цикличности береговых процессов в связи с периодическими изменениями климата и его производных (твердый сток рек и волновой режим и др.); ж) феномен естественного регулирования грансостава пляжевых наносов; з) взаимосвязь динамики профиля, контура береговой линии и грансостава пляжевых наносов как основных элементов саморегулирования береговой зоны как литодинамической системы; и)обусловленность процессов береговой природы от смежных подсистем; к)основные закономерности распределения твердого стока рек на предустьевом взморье, а также условия и механизм вовлечения речного материала в береговые процессы; л) взаимосвязь процессов литодинамики береговой зоны с подводными каньонами.
2. Совокупность эмпирико-теоретических зависимостей по расходу наносов прибойной зоны, параметрам прибойного потока, граничным условиям волновой переработки профиля и контура береговой линии.
3. Основные положения теории и методологии защиты морских берегов искусственными галечными пляжами ;
4. Основные элементы расчета параметров галечных пляжей для их проектирования в качестве берегозащитных сооружений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана натурная модель гидро- и литодинамики прибойной зоны при обрушении волн опрокидыванием;
впервые дано описание и теоретическое обоснование феномена естественного регулирования грансостава наносов галечных пляжей;
впервые установлена взаимосвязь динамики профиля, контура берега и фракционного состава пляжевых наносов;
выявлены основные закономерности скачкообразного развития морских берегов при переходе количественных изменений в качественные;
впервые установлены основные закономерности трансформации профиля и грансостава наносов галечных пляжей различного морфодинамического типа;
установлено, что профиль динамического равновесия галечных пляжей для условий нерегулярного волнения есть частный случай разнообразия профиля статистического равновесия;
- впервые описана структура потока пляжевых и донных наносов в условиях приглубых берегов;
впервые дан качественный и количественный анализ литодинамики предустьевых зон крупных рек, а так же определены условия и механизмы вовлечения речного материала в береговые процессы;
показаны основные взаимосвязи между процессами литодинамики береговой зоны и подводными каньонами (на примере Черноморского побережья Кавказа);
- проведен комплексный анализ технических методов защиты восточной части Черного моря от волнового разрушения с позиций системного и конструктивного подходов;
- разработаны количественные модели по расчету параметров искусственных галечных пляжей как берегозащитных сооружений;
- разработаны основные положения в области теории и методологии защиты морских берегов искусственными галечными пляжами, которые могут быть использованы в проектировании и нормативных документах.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 50 статьях,брошюрах и научно-популярных изданиях.
Материалы исследований докладывались на XII Всесоюзной конференции по морским берегам (Паланга - Нида -Калининград),Вильнюс,1971; Всесоюзном координационном совещании по морской гидротехнике ("Морские берегозащитные мероприятия, связанные с зарегулированием стока рек гидроэлектростанциями"),Батуми,1972; расширенном заседании
научного совета по инженерной геологии и грунтоведению АН СССР и XIII Всесоюзной конференции Береговой секции ОК АН СССР (Одесса-Ялта),1973; заседании комиссии по инженерно-геологическому изучению шельфовых зон Научного совета по инженерной геологии и грунтоведению АН СССР (Адлер),1974; XXIII Международном географическом конгрессе (симпозиум "Морские берега"), Москва-Тбилиси,1976; 1-м,2-м,3-м съездах советских океанологов (.Москва, 1977; Ялта,1982; Ленинград, 1987); XIV Всесоюзной конференции по морским берегам (Сочи,1978); семинаре рабочей группы по литодинамике океана Комиссии по проблемам Мирового океана (Москва,1979); 1-м,2-м,3-м Всесоюзных симпозиумах по литодинамике океана (Москва, 1979,1981,1985); 1-м,2-м Всесоюзных совещаниях по проблеме "Размыв дна у морских гидротехнических сооружений" (Москва,1981,1984);
Межреспубликанской конференции "Комплексное изучение, использование и охрана природных ресурсов бассейнов Черного и Азовского морей (Ростов,1982); Республиканском совещании "Итоги берегоукрепительных работ и восстановления пляжевой полосы Черноморского побережья Грузии (Батуми, 1983); Всесоюзной конференции Береговой секции ОК АН СССР (Батуми,1983); расширенном заседании Республиканского координационного совета по науке и научно-техническому прогрессу (Гагра,1983); XV Всесоюзной конференции "Прогрессивные методы в проектировании и строительстве берегозащитных сооружений (Сочи,1984); XVI Всесоюзной конференции "Теоретические проблемы развития морских берегов" (Ростов,1985); заседании Секции инженерной защиты территорий и сооружений НТС Госстроя СССР по вопросу "Защита берегов и прилегающих территорий Черного и Азовского морей от опасных геологических процессов (Сочи,1986); 2-й Всесоюзной школе - семинаре "Совершенствование пропаганды географических знаний " (Сухуми, 1986); Международном симпозиуме "Эволюция и динамика береговой зоны в условиях относительных колебаний уровня моря (Таллин,1986.); межведомственном совещании "Совершенствование методов определения исходных данных о состоянии берегов и оползневых процессов, приводящих к разрушению прибрежной зоны Черного и Азовского морей (Ялта,1987); 3-й Всесоюзной конференции по географии и картографированию океана на тему "Географические и экономические проблемы изучения и освоения южных морей СССР (Ростов - Нальчик,1987 ); Всесоюзной научной конференции "Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных условиях", Москва,1987; Международной конференции "Минеральни и рекреационни ресурси на Вългарского черноморского крайбрежие",НРБ,Варна,1988; Всесоюзной научно-практической конференции "Проблемы экологии,природоохранных и берегозащитных мероприятий в береговой зоне Черного и Азовского
морей (Сочи, 1989); XVII Всесоюзной конференции "Эволюция морских берегов в условиях потепления климата и прогрессирующего поднятия уровня океана"(Москва,1990) ; The Eight Symposium on Coastal and Ocean Management .Coastal zone 93 . USA,New Orlean,1993; The First International Conference on the Mediterranean Coastal Environment,Medcoast 93,.
Turkey,Antalia,1993; International Conference on the Role of Large Scale Experiments in Coastal Research,Coastal
Dynamics'94,Spain,BarseIona,1994.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 9 глав, заключения и списка литературы из 394 наименований. Объем работы 368 стр. из них основного текста 257 стр.,1 таблица и 110 рисунков.
В своей научной деятельности автор пользовался советами многих ведущих ученых, а также помощью своих коллег по совместной работе. Всем им выношу глубокую благодарность. Считаю своим долгом выразить особую признательность своему учителю Зенковичу Всеволоду Павловичу, неизменной помощью и поддержкой которого автор пользовался еще со студенческой скамьи.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дается обзор изученности и современное состояние проблемы. Формулируются основные задачи и цели исследований.
ГЛАВА I. Генезис и основные закономерности распространения галечных пляжей.
Глава имеет обзорный характер. Показано, что образование галечных пляжей самым тесным образом связано с характером мобилизации и способами поступления в береговую зону обломочного материала, то есть определяется комплексом геологических, геоморфологических и климатических факторов. В общем случае распространение галечных пляжей отражает закон широтной зональности /Леонтьев, 1961; Зенкович,1962; Каплин,1973;Уа1еп«п,1952; Мс. СШ,1958;1959; Davies,1977 и др./. Поэтому пляжи из грубообломочного материала доминируют в высоких и умеренных широтах, что не нарушает общей закономерности, Выделены основные источники питания, которыми являются: а) твердый сток рек и водотоков; б)продукты абразии и
денудации береговых клифов; в) материал, поставляемый в береговую зону агентами субаэральной денудации (оползни,обвалы,селевые потоки и др.); г) донные отложения аккумулятивных равнин, затопленных в ходе голоценовой трансгрессии; д) обломочный материал биогенного происхождения (рифовые постройки кораллов и др.). В главе дается развернутый анализ основных морфогенетических типов галечных пляжей и показана их встречаемость на берегах Мирового океана.
ГЛАВА 2, Основные черты морфологии и состава наносов галечных пляжей
В природе существует большое разнообразие пляжей, образованных грубообломочным материалом. Попытки их классификации предпринимались многими исследователями. Наиболее удачной в теоретическом и методическом отношениях является работа В.В.Лонгинова и Л.Д. Пасечника /1953/, в которой учтены наиболее существенные элементы строения и динамики галечных пляжей. Это,прежде всего,пляжи со свободным двухсклонным профилем и односклонные или прислоненные.
В развитие представлений о морфологии галечных пляжей проведен статистический анализ профилей с учетом особенностей гидродинамики прибойной зоны. Выявлены основные элементы строения пляжей, которые сопряжены с приглубым (>0.03) и отмелым (<0.03) подводным склоном. Установлено, что верхняя граница пляжа полного профиля совпадает с линией максимального заплеска волн 1% обеспеченности в режиме и системе; нижняя - определяется глубиной проникновения обратных компенсационных движений воды, которые возникают в придонном слое при обрушении гребня опрокидыванием. В общем случае, параметры пляжа коррелируются с количественными характеристиками прибойного потока следующим образом:
- высота песчано-галечных пляжей полного профиля (Нп) соответствует в первом приближении высоте максимальных волн по линии последнего обрушения (Ь обр1%). Высота галечных и валунных пляжей меньше 1 по отношению к Ь обр1%, что объясняется высокой фильтрацией воды и общим снижением энергии потока заплеска при перемещении наносов на высокие горизонты;
- высота песчано-галечных пляжей и глубина у их основания (Но) коррелируются между собой и Ь обр1% как Нп - Но - Ь обр1%. Это соотношение не выдерживается на галечных и валунных пляжах из-за существенного влиянии фильтрации и др.
- общее превышение высоты пляжа над глубиной у основания (в численном выражении) характерно для берегов с относительно отмелым дном (<=0.03). Основным типом обрушения крупных волн является здесь скользящий бурун с высокой асимметрией придонных волновых давлений, которые обеспечивают перемещение материала в фазу затухания шторма в область малых глубин;
параметры прислоненных пляжей не подчиняются определенным закономерностям, а зависят в основном от соотношения во времени действия прямого и обратного потоков.
Статистический анализ профилей показывает,что между уклонами поверхностей галечных пляжей и крупностью наносов нет универсальной зависимости, как следует из теоретических построений. Форма профиля и уклоны поверхности пляжа есть результат весьма сложного взаимодействия волн и наносов, в котором важную, а порой и решающую роль, играют вторичные факторы ( экспозиция берега по отношению к господствующим волнениям, условия питания наносами и др.). Обобщение результатов исследований свидетельствует о решающем влиянии на формирование поверхности пляжа режима вдольберегового перемещения наносов. Поэтому в природе встречаются крутые профили гравийных и пологие - галечных и валунных пляжей. Относительно устойчивая связь между уклонами и крупностью наносов реализуется в довольно ограниченных условиях .например, при высокой однородности материала по крупности и волнении, близком к регулярному
В главе приводятся кривые распределения морфометрических характеристик галечных пляжей на основе статистической обработки данных по различным регионам Мирового океана. При выявлении связи между уклонами и крупностью наносов основное внимание уделено граничным условиям, то есть отклонениям от среднестатистических характеристик и их причинам. Такой подход с методической точки зрения более обоснован, чем поиск абстрактных профилей, которые задаются в расчете на определенную крупность наносов и регулярный режим волнения. В
природных условиях уклоны надводной части свободных галечных пляжей изменяются от 0.05 до 0.1 (средневзвешенное значение для ЧПК 0.07); в подводной части - от 0.1 до 0.2 (0.15 - 0.17). Пляжи прислоненного типа отличаются более широким диапазоном уклонов: от 0.05 до 0.18 в надводной части и 0.07 - 0.25 в подводной. Наиболее устойчивыми элементами профиля галечных пляжей является высота гребня современного берегового вала (Нп) и глубина у основания (Но). Пространственное положение этих элементов .определяется параметрами волн по линии последнего обрушения, то есть начальной и конечной фазами прибойного потока. Между этими точками вид и форма профиля могут быть весьма разнообразными, хотя и ограничены некоторыми предельными состояниями.
Установлено, что выпуклая или относительно прямолинейная форма профиля характерна для условий достаточного или избыточного питания; вогнутая - для недостаточного. Общей реакцией пляжа на дефицит наносов является выполаживание профиля с переходом к вогнутой форме. Таким образом, пляж стремится приобрести состояние устойчивости за счет своих морфологических характеристик. Создание активного баланса наносов сопровождается трансформацией профиля от односклонного к двухсклонному типу. Важным моментом является рост пляжа в высоту до Ь обр. максимальных волн в системе. После этого профиль начинает выдвигаться в море с сохранением основных элементов строения. Другим важным моментом является устойчивая аккумуляция песка в тыльной части пляжа после того, как поток заплеска перестает отражаться от клифа или подпорной стенки.
Выделены пляжи "аномального" строения, которые сопряжены с исключительно отмелым дном (0.003 - 0.0005). К аномальным относятся также пляжи, которые формируются в условиях значительного искажения гидро- и литодинамики прибойной зоны (заволноломное пространство, межбунные отсеки и др.).
ГЛАВА 3. Механическая дифференциация пляжевых наносов.
Общие и частные закономерности.
Разделение наносов по гидравлической крупности в зоне действия прибойного потока является одним из важнейших процессов литодинамики пляжей со смешанным составом наносов. Этот процесс отличается большим разнообразием видов и форм движения обломочного материала ( влечение, сальтация, взвешивание и полувзвешивание). Весьма изменчивы а ,главное , нестационарны гидрогенные факторы такой дифференциации
/ЛонгиновД963; Процессы механической дифференциации обломочного материала в морских условиях, 1981; Анциферов,Косьян, 1986 и др./.
Обобщение результатов исследований показывает, что наиболее разнородными по грансоставу являются пляжи, материал которых не прошел существенной первичной дифференциации. Последнее характерно для берегов, где основная масса обломочного материала поступает к морю за счет физического выветривания береговых склонов, солифлюкции и размыва ледниковых отложений. Широкий гранулометрический спектр, плохая сортировка и окатанность наносов характерны для пляжей, которые образованы продуктами размыва рыхлых четвертичных террас, делювиально-пролювиальных толщ обвально-оползневого генезиса. Пляжи с относительно упорядоченной механической дифференциацией составляют более многочисленную группу. Оли формируются за счет твердых выносов рек, а также продуктов абразии береговых клифов, подверженных активному волновому воздействию.
В главе представлены результаты изучения грансостава пляжевых наносов в зависимости от положения берега по отношению к источникам питания и характера самих источников.; на прямолинейных участках, выступах (мысах) и в вогнутостях берега, при наличии гидротехнических сооружений (стенки,буны, подводные волноломы) и без таковых, на участках низового размыва и заполнения входящего угла, при проведении крупномасштабных отсыпок и др. Весьма представительный материал получен в ходе многолетних исследований динамики грансостава пляжевых наносов в пределах литодинамических систем.
Установлено, что изменения грансостава пляжевых наносов на участках, которые экспонированы по нормали к господствующим волнениям, связаны в основном с миграцией песка и мелкого гравия через линию последнего обрушения волн. Если такого рода миграция связана со структурными особенностями отдельных штормов, а не отражает тенденцию развития берега, то грансостав в целом отличается высокой устойчивостью. Резкие изменения характерны для участков зарождения потока наносов, выступов берега (мысов), участков низового размыва и некоторых других. При уменьшении пляжа до некоторой критической ширины (поток заплеска начинает отражаться от клифа или подпорной стенки), основные изменения грансостава наносов связаны с необратимыми потерями песка и гравия. Смещение мелкозернистой части пляжевых наносов на подводный склон преобладает, когда соотношение во времени действия прямого и обратного потоков изменяется в пользу последнего. В общем случае, уменьшение ширины прислоненного пляжа ведет к выносу из прибойной зоны
наносов все возрастающей крупности вплоть до самых крупных частиц. На пляжах свободного типа необратимые потери песка наблюдаются в том случае, когда мощность галечного "скелета" становится недостаточной для удержания в прибойной зоне мелкозернистого материала.
При прочих равных условиях, наиболее значительные изменения грансостава связаны с вдольбереговым перемещением наносов. Это объясняется одновременной продольной, поперечной и вертикальной дифференциацией частиц различной гидравлической крупности в 'смешанном потоке жидкости, то есть при совместном действии волновых движений воды и течений. Процесс усложняется нестационарностью самого гидродинамического поля, особенно на участках со сложной топографией дна. Определенные возмущения вносят промежуточные источники питания. При нарушении продольной и поперечной структуры потока, изменения грансостава осуществляются за счет наиболее динамичных частиц, которые могут покидать и возвращаться в прибойную зону во взвешенном и полувзвешенном состоянии. Такова природа высокой изменчивости грансостава пляжевых наносов при чередовании аккумулятивных и абразионых участков.
Изменения в соотношении отдельных фракций пляжевых наносов на профиле носят более выраженный характер, чем на протяженных участках. Последнее объясняется сглаживанием отдельных возмущений продольной неоднородности перемещения наносов в прибойной зоне. Минимальные изменения характерны для дистальных участков потока наносов или зон их конвергенции.
В общем случае, изменения в содержании на пляже частиц различной крупности свидетельствует о дискретности продольного перемещения наносов. Это может выражаться в смещении вдоль берега очагов повышенной крупности материала в виде своеобразных мегафестонов..
Режимные исследования динамики грансостава пляжевых наносов в пределах литодинамических систем показывают, что:
а.) содержание гальки на пляжах со смешанным составом наносов подвержено незначительным изменениям (2-3% в год), тогда как песок и мелкий гравий могут эпизодически смещаться на подводный склон и возвращаться на пляж за счет поперечных миграций. Мобильность указанных фракций объясняется их способностью преодолевать линию последнего обрушения волн во взвешенном и полувзвешенном состоянии;
б) относительная устойчивость грансостава
свидетельствует о существовании некоторого оптимального соотношения между отдельными фракциями пляжевых наносов. Это соотношение зависит от комплекса условий, в которых развивается литодинамическая система. Исходными для гранулометрической дифференциации являются источники питания, а конечный
результат определяется гидро- и литодинамическими характеристиками прибойной зоны;
в) при действии сильных штормов общей реакцией пляжа как на отдельных участках, так и литодинамических систем в целом является укрупнение наносов. Снижение штормовой активности приводит к восстановлению гранулометрического спектра до некоторого среднестатистического состояния. Таким образом проявляется весьма важное свойство пляжа к саморегулирования грансостава наносов. Динамика грансостава пляжевых наносов Бзыбской и Северной литодинамических систем во многолетнем режиме показана на рис.1.
Рис.1. Поле сосредоточения кумулятивных кривых грансостава пляжевых наносов Бзыбской и Северной литодинамических систем (1979 - 1989гг). На нижнем графике -последовательный ход кумулятивных кривых по данным съемок через 1 год.( в последнем квадрате - кумулятивные кривые 1979,1987 - точка с пунктиром и 1988 гг- сплошная линия). Прохождение сильных штормов (1985год) сопровождается общим укрупнением пляжевых наносов. Эти изменения обратимы и при снижении волновой активности (1986год) гранулометрический спектр восстанавливается до некоторого среднестатистического состояния.
В главе проведен анализ грансостава наносов пляжей свободного и прислоненного типов в зависимости от гидродинамического режима прибойной зоны. Дано теоретическое обоснование явления естественного регулирования фракционного состава пляжевых наносов, в частности, феномена поглощения галечным "скелетом" песка и мелкого гравия.
ГЛАВА 4. Основные элементы динамики прибойной зоны
Изучению прибойной зоны при обрушении волн опрокидыванием посвящено сравнительно небольшое количество работ. Это связано с техническими трудностями натурных исследований; что касается физического моделирования, то оно далеко не адекватно отражает реальный ход процессов в природных условиях. По этой причине до сих пор не создано единой концепции гидро- и литодинамики прибойной зоны для условий приглубого берега. До недавнего времени практически неизученной оставалась фаза обратных движений воды и распада гребня на две составляющие движения: поток заплеска и обратный компенсационный поток в придонном слое. Не совсем ясным представлялся механизм обмена водой и наносами между пляжем и прилегающими участками подводного склона. Не был теоретически обоснован процесс смещения влекомых наносов мористее линии последнего обрушения волн, равно как и механизм перемещения гальки за пределами прибойной зоны.
Процесс трансформации и обрушения волн по типу "ныряющего буруна" весьма сложен и его трудно свести к каким-либо однозначным моделям. С одной стороны, это связано с нестационарностью самого волнения, с другой - образованием вторичных потоков, которые усиливают или ослабляют этот процесс. Динамика прибойной зоны осложняется появлением крупных водоворотов и течений, которые не подчиняются определенным закономерностям, особенно на участках сложнорасчлененного дна или при наличии гидротехнических сооружений.
При подходе волн под острым углом с наветренной стороны аккумулятивных галечных выступов, обрушение гребня происходит в узкой приурезовой полосе. При этом, практически не образуется обратного потока, а движение разрушающегося гребня приближается по своим физическим характеристикам к бору. Такого рода феномен особенно эффектно проявляется на закруглении аккумулятивных мысов, которые сопряжены с крутыми подводными откосами ( 0,5-0,6 ). Прибойный поток имеет здесь четко выраженную продольную составляющую; разрушенная часть гребня движется вдоль закругления в виде турбулентного вала со скоростью до 6-8 м/с, то есть близко к распространению колебательной волны
Прибойная зона на приглубых берегах определяется линией резкого перехода колебательного движения в турбулентное и распространяется на всю длину потока заплеска. В этой зоне
совершается скачкообразное изменение гидродинамического режима придонного слоя, в частности, быстрое нарастание давление при сохранении большой положительной асимметрий скорости в прибойном потоке. Сравнительно большие уклоны поверхности пляжа определяют важную роль составляющей силы тяжести самих частиц наносов ./Лонгинов, 1963, Шадрин, 1972/.
Известно, что при подходе волн к зоне обрушения градиент скорости уменьшается и непосредственно в этой зоне приближается к нулевому значению. Это означает, что в сильно деформированной волне идет интенсивный обмен по вертикали и за счет этого выравнивается скорость от поверхности до дна. При этом, эффект уменьшения средней скорости связан не только с турбулентным обменом по вертикали, но и с интенсивной диссипацией волновой энергии в момент разрушения. Такого рода явление наблюдается при достаточно быстром разрушении гребня, когда неустойчивой становится его большая часть, а образующийся турбулентный вихрь обладает необходимой энергией для гашения градиента скорости по глубине / Шадрин, 1972 /. Рост абсолютных значений скорости продолжается до самого обрушения волны. По мере деформации последней, градиент уменьшается и в зоне окончательного разрушения становится равным нулю при интенсивном турбулентном обмене ( характерно для "ныряющего буруна" ). При обрушении волн забуруниванием, градиент скорости по глубине сохраняется, поскольку отсутствуют условия для интенсивного обмена по вертикали.
Согласно определениям в натурных условиях, в момент подъема гребня вплоть до его падения происходит резкое снижение переносной скорости из-за быстрого перехода кинетической энергии в потенциальную - подъема жидкости. В этот момент скорость обратного потока может превосходить скорость движения воды в придонном слое разрушающейся волны. Дополнительный импульс обратный поток получает благодаря движению воды на переднем склоне гребня, втягивающему основную массу жидкости, которая стекает с поверхности пляжа. Таким образом пляжевый материал вплоть до гальки и валунов получает возможность преодолевать с обратным потоком линию последнего обрушения волн.
Эксперименты в натурных условиях показывают.что положительная скорость в придонном слое разрушающейся волны имеет минимальное значение. Галька - индикатор, которая преодолевает гребень, оказывается в своеобразной "мертвой" зоне, где резко замедляет свое движение.
Обрушение гребня завершается падением массы воды на передний склон пляжа с образованием сложной системы вихрей.
При этом происходит почти мгновенное насыщение турбулентного потока обломочным материалом вплоть до частиц размерностью гальки.* Это указывает на появление пиковых значений вертикальной скорости, способной отрывать от дна влекомые наносы в массовом количестве. При обрушении волн высотой 2,5-3 м высокая концентрация гальки и гравия достигает в придонном слое 0,3-0,4 м; отдельные частицы поднимаются в высоту до 0,7-0,8 м и даже вырываются наружу. При обрушении крупных волн ( 4-5 м ) насыщенный галькой турбулентный вихрь достигает мощности 1,5 м. Сам факт взвешивания грубых наносов свидетельствует о значительном преобладании положительной вертикальной скорости в условиях турбулентного потока. Лишь спустя несколько мгновений образуется собственно поступательный поток в чистом виде ( переход совершается в виде скачка ). Наступление этой фазы сопровождается выпадением крупных частиц на дно, после чего они перемещаются путем сальтации, влечения, перекатывания ( мощность слоя движущихся частиц не превышает двух диаметров гальки средней размерности ). В первые мгновения, когда движение воды носит крайне хаотичный характер, поступательный поток выражен слабо. Максимум скорости массового перемещения гальки приурочен к зоне упорядоченного потока ( около 2 м/с ); отдельные частицы перемещаются и быстрее.
При обрушении волн на переднем склоне пляжа создается значительный гидростатический градиент за счет волнового нагона и массы воды распавшегося гребня.(рис.2). В ходе последующих преобразований возникает собственно поток заплеска и обратный компенсационный поток. Определенный импульс для движения последнего создается циркуляцией воды на заднем склоне гребня ( переферийная часть деформированной волны ), где образуются вторичные индуцированные вихри. В начальную фазу движения обратный компенсационный поток охватывает всю толщу воды и способен увлекать за собой крупные частицы. Переносная скорость этого потока быстро затухает с глубиной, где он преобразуется в общую циркуляцию воды, характерную для ложбины.
*В экспериментах по определению характера движения наносов в зоне обрушения волн и потока заплеска использовался металлический шток с пяткой на рабочем конце. Нижняя часть штока покрывается слоем пластилина ( 2-3 мм ), который для лучшей видимости ударов гальки и гравия имел сплошные вертикальные борозды, наносимые расческой.. Эксперименты проводились на эстакадах, которые пересекают прибойную зону и выходят на глубину 7 м.
Рис.2. Последовательные стадии обрушения гребня по типу "ныряющего буруна'. Высота волн по линии последнего обрушения 3,5-4 м. На нижнем снимке показан момент разделения массы обрушившейся волны на поток заплеска и обратный компенсационный поток.
По данным натурных определений обратный компенсационный поток при обрушении максимальных волн в режиме проникает до основания пляжа и определяет его внешнюю границу со стороны моря. Под действием этого потока происходит массовое смещение пляжевых наносов на глубину вплоть до самых крупных частиц. Положительный импульс при прохождении гребня крутой частью склона обеспечивает перемещение в сторону берега относительно мелких влекомых частиц. В результате такого рода сепарации нижняя часть пляжа обогащается наиболее крупными фракциями.
Для литодинамики галечных пляжей в течении штормового цикла характерны следующие моменты:
а) В фазу развития шторма происходит общее выполаживание профиля за счет срезания галечных валов и понижения поверхности пляжа. В прибойной зоне основную роль в перемещении наносов играет обратный поток, который действует одновременно с компенсационным оттоком воды. С увеличением параметров волн линия последнего обрушения смещается вниз по склону и в этом же направлении осуществляется результирующее перемещение наносов. К моменту стабилизации шторма на пляжах со смешанным составом наносов устанавливается единый уклон поверхности для галечной и песчаной части профиля по всей длине наката прибойного потока (0.07 - 0.08). Это подтверждает вывод Багнольда о решающем влиянии на крутизну поверхности пляжа фильтрации.
б.) Периферийная часть профиля (мористее линии обрушения волн основной гармоники) формируется в значительной степени под влиянием придонных компенсационных движений воды и силы тяжести самой гальки. При этом уклоны в этой части профиля достигают 0.2-0,25.
в) В фазу стабилизации шторма движение наносов имеет возвратно-поступательный характер, а профиль испытывает режим сбалансированных колебаний относительно некоторого среднестатистического состояния.
г) При затухании шторма общий характер движения водных масс изменяется таким образом, что ведущим процессом становится перемещение наносов в сторону берега. Уменьшение высоты волн приводит к смещению линии обрушения вверх по склону. Внешняя часть профиля оказывается в зоне влияния положительной составляющей придонных волновых давлений. Одновременно уменьшается глубина проникновения обратных компенсационных движений воды. Фаза затухания сопровождается выбросом на надводный пляж наносов по убывающей крупности. В приурезовой зоне начинает формироваться галечный вал, который оказывает в свою очередь значительное влияние на кинематику прибойного потока за счет повышения шероховатости, фильтрации и турбулентности в зоне заплеска. Окончательное моделирование поверхности пляжа зависит от структуры и продолжительности фазы затухания. Если она соответствует по своим гидродинамическим характеристикам фазе развития, то профиль возвращается к доштормовому состоянию (штормовой цикл). Динамика профиля песчано-галечного пляжа в разные фазы штормового волнения показаны на рис.3.
Исследования прибойного потока показывают, что на песчано-галечных пляжах, в связи со сменой фракционного состава наносов,длина наката составляет 15 - 18 Ьобр1%; отдельные заплески 0.1% обеспеченности в системе достигают 20 - 22 Ь обр1%..
Длина наката на галечные пляжи изменяется в зависимости от крупности и сортировки наносов от 10 до 12Ь обр1%; для волн 0.1% обеспеченности в системе до 14 - 15 Ьобр.
Рис.З.Динамика профиля песчано-галечного пляжа за время шторма в 7 баллов (угол подхода волн близок к нормали ). Средняя высота волн в фазу стабилизации шторма 3,5-4 м ; максимальная -6.3 м; длина- 65-80 м;период 9-11 с. Характерные моменты: а) в фалу развития щторма происходит общее выполаживание поверхности пляжа,а также смещение галечного материала с надводной в подводную часть.Глубина массового оттягивания гальки на дно соответствует глубине проникновения обратного компенсационного потока в сторону моря ; б) в фазу стабилизации шторма профиль пляжа находится в квазистационарном состоянии ; в) фаза затухания короткая; значительная часть гальки не успевает выброситься на пляж и остается под водой .
В связи с нестационарностью волнового режима, профиль пляжа подвержен постоянным изменениям, которые совершаются в пределах, определяемых дисперсией ( при условии сохранения баланса наносов). Временные переходы (характеризуются, как
случайные) существенной роли не играют. По измерениям в натурных условиях, максимальные деформации профиля галечных пляжей приурочены к приурезовой полосе и составляют 0.2 - 0.25 Ьобр1% в надводной и 0.25 - 0.3 Ьобр1% в подводной части.
При определении профиля динамического равновесия теоретическим путем или с привлечением лабораторных исследований возникает необходимость в принятии ряда допущений или констант. В реальных условиях такой профиль отражает возможность, , но не обязательность формирования в виде фиксированной кривой с определенными координатами во времени и пространстве. Поскольку пляж обладает обладает множеством связей не только между образующими его элементами, но и внешней средой, то состояние динамического равновесия всегда будет приближенным или относительным. Это означает, что профиль динамического равновесия строится в реальной действительности по законам вероятности как результат совокупного стечения случайных событий.
Обобщение результатов натурных исследований показывает,что:
а) профиль динамического равновесия представляет собой множество переменных состояний, из которых среднестатистическое является самым устойчивым;
б)/ профиль динамического равновесия в условиях продольного перемещения наносов есть результат совместного проявления продольного и поперечного векторов движения. Поэтому такой профиль как двухмерная модель может быть принят для весьма ограниченного набора условий;
в) профиль динамического равновесия отражает состояние поверхности пляжа, которая испытывает постоянные изменения, но не переходит определенных границ и взаимокомпенсируется;
г)для профиля динамического равновесия фиксированными могут быть две точки: максимальная отметка гребня современного берегового вала (высота пляжа ) и глубина у подошвы или основания. Между ними профиль пляжа изменяет свою форму в зависимости от конкретной гидродинамической ситуации и таким образом отражает реальное разнообразие состояний поверхности пляжа. Поскольку форма профиля отражает некий случайный процесс, важно установить весь диапазон состояний, при которых профиль будет удовлетворять требованиям динамического равновесия. Такой профиль характеризует некоторые пределы состояний поверхности пляжа, при которых он будет динамически устойчив. При построении профиля динамического равновесия для практических целей рекомендуется использовать стохастические модели, основанные на статистическом обобщении натурных данных.
Графическая модель профиля статистического равновесия (объект проектирования искусственного пляжа )представляет собой в обобщенном виде семейство кривых, которые определяют наибольшую повторяемость уклонов надводной и подводной частей пляжа в зависимости от его морфодинамического типа. Такой профиль для песчано - галечных пляжей черноморского типа может быть описан в виде слабовыпуклой кривой от гребня современного берегового вала до уреза ( средневзвешенные уклоны для ЧПК -0.07) и относительно короткого и крутого отрезка в подводной части (0.15 - 0.17). При расширении такого пляжа естественным или искусственным путем указанные значения уклонов сохраняются, а сам профиль выдвигается в море параллельно самому себе.
Для определения объема разовой отсыпки (Vо) в расчете на проектируемое выдвижение линии уреза (с!В) рекомендуется следующая зависимость:
Уо = 2Ь обр1% /4.1/
где Уо - объем пляжеобразующих наносов в плотном теле, мз;
Ь обр1% - высота расчетных волн по линии последнего обрущения (по данным статистического анализа соответствует в численном выражении высоте гребня современного берегового вала и глубине у подошвы пляжа).
ГЛАВА 5. Основные закономерности продольного перемещения пляжевых наносов.
Продольное перемещение наносов является ведущим процессом современной динамики и развития галечных пляжей и определяет наиболее значительные изменения рельефа, состава наносов и очертаний береговой линии. Хотя исследования в этом направлении ведутся достаточно долго , до сих пор не создано концепции, с помощью которой можно было бы описать особенности перемещения наносов в условиях приглубых берегов, в частности, структуру 1 берегового и донного потоков, механизм обмена частицами различной гидравлической крупности между пляжем и подводным склоном и др. В большинстве моделей используются обобщенные представления , усредненные параметры и полуэмпирические связи между отдельными элементами и факторами перемещения наносов. Реальная сторона процесса рассматривается со множеством допущений. Количественные характеристики вдольберегового транспорта обломочного материала определяются либо в зависимости от потока волновой энергии, либо касательных гидродинамических напряжений на дно. Среди причин
такого положения можно назвать недостаточную изученность механизма массового движения наносов различной гидравлической крупности; имеющийся натурный материал не позволяет описать этот процесс во всей сложности и взаимосвязи между отдельными его составляющими. Результаты лабораторных исследований дают весьма приближенную и качественную картину.
Изучение массового перемещения пляжевых наносов показывает, что этот процесс приближается к дискретному движению прибойного потока. Непосредственно во время шторма основная масса влекомых наносов движется в зоне обрушения волн и максимальной скорости потока заплеска. Песок может переходить во взвешенное и полувзвешенное состояние. В целом, перемещение разнородного по крупности материала приближается по своим физическим характеристикам к пульпе. По данным натурных определений , скорость массового перемещения наносов прибойной зоны при обрушении волн опрокидыванием может достигнуть 120 -150 м./час, а объем 600 мЗ/.час; на участках, сопряженных с крутыми подводными откосами до 800-1000 мз/час /Пешков,1976,1989/.
Перемещение пляжевого материала вдоль прямолинейных участков совершается относительно равномерно и нарушается лишь под влиянием топографии дна или неоднородности волнового поля. Как следствие - образуются локальные очаги размыва или аккумуляции. Некоторые формы линейного расчленения берега способны сохраняться продолжительное время за счет своего влияния на гидродинамический режим прибойной зоны.При этом движение форм в направлении господствующего переноса можно рассматривать как частный случай продольного транспорта наносов.
Установлено, что выравнивание количественных показателей расхода наносов вдоль берега неглубокого расчленения осуществляется за счет взаимосвязанных изменений профиля, контура и грансостава. Каждый из указанных элементов изменяется в зависимости от конкретной гидродинамической ситуации таким образом, чтобы обеспечить пляжу устойчивость. Взаимосвязанные изменения профиля, контура и грансостава отражают сложный процесс саморегулирования пляжа как морфосистемы в направлении динамического равновесия. Поскольку береговая линия обладает сравнительно высокой инерционностью ( особенно на транзитных участках) и не может изменять ориентировку одновременно с изменениями в режиме перемещения наносов, то прежде всего перестраивается профиль.При дефиците наносов он приобретает вогнутую форму до точки вращения, ниже которой устанавливается транзит или аккумуляция (рис.4). Береговая линия в общем случае стремится к нормали по отношению к энергетической равнодействующей волнения. На абразионных участках с
прислоненными пляжами вначале реагирует профиль, а затем грансостав. При дефиците наносов во вдольбереговом потоке происходит общее укрупнение пляжевого материала за счет сброса мелкозернистых частиц на подводный склон. При действии сильных штормрв пляжевый материал может полностью переходить в подводное положение и перемещаться в виде донного потока.
рис 4.Характерные изменения профиля и контура берега при возникновении дефицита наносов на предустьевом взморье крупной горной реки {основной источник питания). Интенсивность переформирования рельефа пляжа закономерно снижается по ходу волнового потока до точки вращения,где устанавливается режим транзита или аккумуляции наносов.
Вдольбереговое перемещение наносов прибойной зоны трудно поддается описанию с помощью детерминированных моделей. Основная причина связана с нестационарностью волнового режиа. На современном уровне знаний о механизме передачи энергии массам наносов, наиболее приемлемым является подход, который исключает неправильную оценку тех или иных видов движения , равно как и самого механизма перемещения наносов. Исследования в натурных условиях свидетельствуют о том, что при неустановившемся волнении практически невозможна устойчивая дифференциация наносов по гидравлической крупности. Этот процесс наблюдается только в отношении грубого разделения по
фракциям, хотя и такое разделение довольно условно. Непосредственно во время шторма отдельные частицы ведут себя во взаимодействии с прибойным потоком как единое целое. Это означает, что через условный створ единовременно перемещается некоторое множество частиц, которые движутся с разной скоростью, но в объемном выражении их расхода в единицу времени зависит в основном от энергетических характеристик волнения.
В ходе многолетних исследований установлено, что усредненные характеристики расхода наносов прибойной зоны пропорциональны с некоторым приближением условной
энергетической единице волнения. Величина последней не зависит от параметров волн, а изменяется лишь от угла их подхода к линии последнего обрушения ( а ). Специальные исследования показали, что максимальные скорость и объем перемещения наносов соответствуют углу подхода волн к берегу в 45 град. Важная закономерность заключается в том, что с приближением угла подхода волн к 45 град, стоимость 1 град, уменьшается. Так, при расходе наносов во время шторма в 100 мЗ./час, изменение угла подхода волн на 1 град, в диапазоне от 40 до 45 град, дает 0.45 мЗ, а в диапазоне 10-15 град, почти 3 мЗ.
Таким образом, для определения расхода наносов прибойной зоны /СЗ/ была выведена зависимость между энергией волнения /Э/ и эквивалентным объемом перемещения материала той или иной крупности или их смеси. В аналитическом виде она может быть записана, как:
О = К* Э *БШ(2 а) /5.1/
где К - эмпирический корреляционный коэффициент, равный объему перемещения наносов данной крупности или смеси в единицу времени условной энергетической единицей волнения.
По данным определений на различных участках Черноморского побережья Кавказа , корреляционный коэффициэнт для расчета расхода наносов на песчано - галечных пляжах со средневзвешенным диаметром 0.035 м имеет значения, близкие к 10 ( разброс крайних величин не превышает 20%). Зависимость 5.1. идентична по структуре формуле В.В.Сакварелидзе, так как эмпирический коэффициент корректировался с учетом совместных исследований /Пешков,Сакварелидзе,1987/.
Во время штормового цикла изменения профиля, контура и грансостава пляжевых наносов направлены на подавление отдельных возмущений гидродинамического поля. При этом устанавливается некоторое квазистационарное состояние указанных элементов. При дефиците наносов, как уже отмечалось, профиль перестраивается в сторону вогнутой кривой, береговая
линия отворачивает к нормали по отношению к энергетической равнодействующей волнения, а крупность наносов возрастает. Смена режима перемещения наносов на транзит или аккумуляцию маркируется точками вращения. В условиях достаточного и избыточного питания форма профиля строится в соответствии с динамическими характеристиками прибойного потока. Устойчивость пляжей прислоненного типа обеспечивается равенством прихода и расхода наносов, то есть условиями чистого транзита. В общем случае, на участках увеличения "емкости " волнового потока крупность материала возрастает за счет более высокого расхода мелких фракций или смещения последних на подводный склон.
Перемещение наносов мористее прибойной зоны оказывает большое влияние на динамику пляжа, а в ряде случаев определяет наиболее существенные изменения береговой зоны в целом. Изменения глубин до 0.5 - 0 .6 м за штормовой цикл регистрируется до изобат 8 - 10 м, где волновые движения воды в придонном слое способны создавать высокую турбулентность для переноса песка во взвешенном и полувзвешенном состоянии. Внешняя часть подводного берегового склона на Черноморском побережье Кавказа с глубин 12 - 15 м относительно стабильна ( изменения отметок дна в пределах 0.1 - 0.2 м). В переформировании рельефа песчаного дна принимают участие не только волнения, но и течения неволнлвой природы. Последние спорадически возникают в придонном слое и достигают скорости 0.3 - 0.5 м/.с. Природа этих течений изучена слабо, что не позволяет прогнозировать их повторяемость и влияние на динамику подводного склона / Пешков, 1989/.
Перемещение наносов вдоль приглубых берегов имеет сложную структуру и протекает нередко в условиях разрыва между береговым и донным потоками. Перемещение обломочного материала на пляже и в зоне песчаного дна может быть обособленным не только во времени, но и иметь разное направление. Существование относительно независимых зон движения наносов является одной из важнейших особенностей литодинамики приглубых галечных берегов в целом.
Обобщение результатов многолетних исследований показывает, что динамика пляжа и подводного склона представляет собой режим сбалансированных колебаний между поступлением наносов со стороны суши или смежных участков и их расходом вдоль берега или в глубоководную часть моря. Транзит наносов определяет устойчивость аккумулятивных форм и пляжей или состояние динамического равновесия. Участки берега вблизи источников питания являются самыми динамичными ( при прочих равных условиях ). Здесь в максимальной степени проявляются временные
противоречия между рельефом и энергетикой волнового, поля. К динамичным относятся также участки, где происходит смена режима продольного перемещения наносов. Вблизи устьев крупных рек Черноморского побережья Кавказа, где зарождаются потоки наносов, флуктуации береговой линии за штормовой цикл могут достигать 50-60 м, а изменения отметок пляжа в приурезовой полосе до 5-6 м по вертикали. При этом, объем размыва или аккумуляции наносов в расчете на 1 пог. м берега достигает 200-220 мз (рис. 5).
Рис.5. Динамика рельефа береговой зоны Пицундского полуострова (по данным повторных промеров и нивелирования пляжа с 1969 по 1981 гг). Изменения профиля максимальны на участках зарождения потока наносов или там, где береговая линия резко изменяет ориентировку. Относительная устойчивость профиля 33 обьясняется положением пляжа в условиях чистого транзита, то есть возмущения в режиме продольного перемещения компенсируются за счет участков выше по ходу потока. Профиль 42 сопряжен с вершиной подводного каньона "Акула", а профиль 24 - с крутыми галечными откосоми.
При подходе волн под острым углом к выступам и вогнутостям берега обычно образуются участки размыва, транзита и аккумуляции. Это свидетельствует о смене режима перемещения наносов в связи с постоянным изменением экспозиции береговой линии. Анализ планов совмещенных урезов показывает, что для каждого берега вогнутых или выпуклых очертаний существует свой критический угол подхода, при котором береговая линия стремится
к выравниванию, а при увеличении или уменьшении такого угла - к расчленению. В главе приводятся характерные примеры расчленения и выравнивания береговой линии при разных углах подхода волн к закруглению аккумулятивных выступов плавных и резких очертаний. Наиболее устойчивым является контур береговых дуг, которые представляют собой одну из конечных форм динамического равновесия. Они вырабатываются в условиях равномерного рассеивания энергии волн и растягивания их фронта на единицу длины. Устойчивость таких дуг связана с их способностью передавать возмущение на всю систему таким образом, чтобы они в минимальной степени влияли на контур. При этом контур, как наиболее инерционная часть береговой дуги сохраняет устойчивость за счет более динамичных элементов -профиля и грансостава наносов. Важным моментом является распространение отдельных возмущений в режиме продольного перемешения наносов на множество коротких прямолинейных отрезков кривой, то есть неравномерность заложена в постоянном изменении контура.
Общепринято, что любое отклонение береговой линии от азимута энергетической равнодействующей волнений приводит к изменению расхода наносов. Это положение не имеет, однако, общего характера. Изучение вдольберегового перемещения показывает, что при локальном повышении или снижении волновой энергии, расход наносов выравнивается за счет изменения экспозиции береговой линии и грансостава наносов.. Увеличение энергии на том или ином участке (например, под влиянием топографии дна) вызывает дефицит наносов в потоке и, поэтому, контур берега перестраивается по типу низового размыва. В результате этого происходит снижение энергетического воздействия за счет изменения угла подхода волн и достигается эффект выравнивания расхода наносов по всей длине берега. Таким образом, отклонение береговой линии от некоторого генерального направления не обязательно приводит к соответствующим изменениям расхода наносов. Этим объясняется, в частности, устойчивость берега извилистых очертаний во многолетнем режиме на участках со сложной топографией дна.
В главе дается критический анализ сложившихся представлений о мощности, емкости и насыщенности волнового потока применительно к абразионным и аккумулятивным берегам с галечными наносами. Показано, что законы взаимодействия волн и наносов дают возможность понять отдельные частные моменты современной динамики галечных пляжей. При таком взаимодействии вырабатывается рельеф и состав пляжевых наносов, а также контур берега тех или иных очертаний. Однако, на
этой основе нельзя прогнозировать развитие берега, которое зависит в значительной степени от смежных подсистем ( твердый сток рек, волновой режим, склоновые процессы и др. ). Многие из них подчиняются в своем развитии не столько динамическим (однозначным. ), сколько статистическим ( вероятностным ) закономерностям. Поэтому, изменения морских берегов носят преимущество стохастический характер.
Понимание современной динамики дает представление о характере и масштабе взаимодействия волн и наносов, а также результате такого взаимодействия в некоторой законченной форме. Однако, из этого не следует - каким образом эти процессы могут стать причиной будущих изменений берега? Динамика при строгом подходе к этому понятию означает изменения обратимые, которые не затрагивают внутреннюю структуру и характер функционирования пляжа как морфосистемы. В этом смысле динамика представляет собой устойчивую последовательность смены состояний в пределах одного инварианта. И только переход от одного инварианта к другому приводит к развитию. Следовательно, законы динамики определяют качественную устойчивость, а законы развития - качественные изменения.
Механизм перехода количественных изменений в качественные вскрывает основной закон скачкообразного развития морских берегов. Важнейшая сторона этого процесса - необратимая трансформация рельефа и состава наносов пляжа и прилегающего дна. К такому результату приводит, например, размыв пляжа и выход в прибойную зону грунтов, которые были сформированы в иных условиях прибрежной седиментации. Одним из следствий этого является превращение аккумулятивного берега в типично абразионный. Применение этого закона дает возможность понять особенности эволюции береговой зоны восточной части Черного моря в связи с неравномерным ходом голоценовой трансгрессии. Очевидно, количественные изменения в динамике берега до состояния скачка в промежуточные регрессии и трансгрессии осуществлялись здесь за счет изменения климата и его производных. Важной стороной такого развития было полное или частичное уничтожение прежних форм берегового рельефа.
Слабая изученность цепей, которые вызывают переход количественных изменений в качественные, является причиной серьезных ошибок прогноза. Поэтому, современные модели, претендующие на адекватное описание процессов береговой природы, должны быть полифакторными и иметь в своей основе причинно - следственный характер.
ГЛАВА 6. Галечные пляжи и твердый сток рек
Твердый сток играет важную роль в балансе береговых наносов во многих районах Мирового океана. Речным материалом образованы многочисленные дельтовые равнины, морские и речные террасы, галечные косы, пересыпи и пляжи. Многие аккумулятивные формы возникли и существуют благодаря потокам и миграциям наносов, которые берут начало в устьевых зонах рек. Типичным примером в этом отношении является Черноморское побережье Кавказа. В ходе голоценового развития бухтовый здесь ранее берег превратился в выровненный, а затем расчленился вновь за счет выдвижения дельтовых выступов. При этом, крупная региональная система усложнилась и разделилась на несколько литодинамических систем ( Зенкович, 1958; Кикнадзе, 1969,1970 ). Уже в позднем голоцене между поступлением речного материала и его распределением в береговой зоне было выработано динамическое равновесие, которое выражалось в относительной устойчивости аккумулятивных форм или их нарастании на участках, где объем твердых выносов превышает расход наносов в виде потоков или миграций.
В ходе исследований ( 1970-1992 гг. ) установлено, что:
- при превышении твердых выносов над энергетическими характеристиками волнового потока на предустьевым взморье образуется конус выноса или бар. Его формирование происходит на продолжении устья исключительно под воздействием речной струи как основного фактора перемещения влекомых наносов в придонном слое. Отложение материала осуществляется в прямой зависимости от скорости речного потока и гидравлической крупности частиц. При потере речным потоком контакта со дном, движение материала прекращается. За пределы бара выносятся, в основном, взвешенные наносы, которые выпадают в осадок по мере снижения скорости течения / Меншиков, Пешков, 1978;1980 /;
- формирование бара при устойчивом вытекании речной струи во время половодья приводит к максимально возможному выдвижению головной части в сторону моря. Такой тип аккумуляции является неблагоприятным из-за блокирующего влияния предустьевой отмели на перемещение наносов в сторону подветренного морского берега. Кроме того, повышается вероятность стока песка и гальки в приустьевые каньоны. Миграция устья реки вдоль берега или растекание речной струи широким фронтом во время половодья способствует отложению наносов в мелководной зоне. Потери пляжеобразующих наносов п глубоководную часть становятся минимальными:
- динамическое равновесие подветренных участков морского берега обеспечивается равенством твердого стока и "емкости" волнового потока. Если материал бара не вовлекается в достаточном обьеме во вдольбереговой поток, то подветренный участок испытывает дефицит наносов и размывается. Такое положение может возникать даже при значительном превышении твердых выносов над транспортирующими возможностями волнового потока;
- выдвижение авандельт крупных горных рек ограничивается свалом глубин или наличием подводных каньонов. Между морским краем авандельты и линией свала глубин ( вершиной каньона ) существует некоторое оптимальное расстояние. В случае нарастания авандельты сток наносов на глубину увеличивается и таким образом сохраняется относительное равновесие в системе "твердый сток - береговая зона";
- относительно стабильное состояние подветренных участков морского берега не соблюдается в следующих случаях: а) объем твердого стока меньше "емкости" волнового потока или волнения умеренной силы не в состоянии вовлечь материал бара в необходимом объеме во вдольбереговое перемещение; б) предустьевая отмель или бар становятся причиной нарушения продольной структуры потока наносов из-за своего экранирующего влияния. Как следствие - расход наносов на подветренном участке превышает их поступление с наветренной стороны; в) в ходе волновой переработки предустьевого бара, часть наносов выбрасывается на наветренный берег, и их последующее перемещение по ходу потока блокируется речной струей. В условиях молового эффекта начинается рост наветренной косы, в теле которой аккумулируется основной объем материала, который перемещается вдоль берега.
Образование наветренных кос является наиболее общим признаком нарушения продольной структуры потока наносов на приустьевых участках. В естественных условиях при достижении некоторого предельного состояния, косы прорываются в корневой части , например, при быстром увеличении расхода воды во время паводка. В ряде случаев, особенно при вмешательстве в русловые процессы, такого рода механизм саморегулирования не срабатывает и подветренный берег испытывает размыв. Для устранаения молового эффекта речной струи, автором разработан метод искусственных прорезей для свободного вовлечения дистального отрезка косы во вдольбереговое перемещение. Устройство таких прорезей в корневой части наветренных кос р.Бзыби (1981 - 1985 гг) дало большой эконический эффект при восстановлении пляжей Пицунды ( 6-7 ).
Рис.6. Создание искусственной прорези в корневой части наветренной косы приводит к тому, что ее дистальный отрезок свободно вовлекается во вдольбереговое перемещение .
Анализ карт деформаций рельефа предустьевых участков крупных горных рек Черноморского побережья Кавказа свидетельствует о весьма интенсивном волновом воздействии на дно до глубин 1.5 -1.8 ho ( для влекомых частиц волновые скорости в придонном слое превышают сдвигающие). При этом, галечный материал в массовом количестве смещается в сторону берега с глубин 1.5 ho , что свидетельствует о наличии значительной ассиметрии придонных волновых давлений и подтверждает реальность донного перемещения гальки мористее прибойной зоны. Перемещение галечного материала по поверхности с уклонами 0.03 - 0.04 с глубин 7 - 8 м является общим признаком высокой геоморфологической эффективности волнений в условиях внутренних морей. Тем самым косвенно подтверждается мнение Г.А.Сафьянова/1978/, что грубообломочный материал на участках затопленных равнин не может быть основным источником питания пляжей и аккумулятивных форм со времени окончания голоценовой трансгрессии. Тем более, что перемещение материала по пологому дну (0.001 - 0.005) на открытом океаническом побережье имеет, несомненно, более интенсивный характер.
При стабильном уровне моря многие аккумулятивные формы, образованные за счет подачи наносов со дна, начинают испытывать
дефицит материала и размываться. Это объясняется общим обеднением поверхности шельфа теми фракциями, которые могут перемещаться вверх по склону. Исключения немногочисленны и относятся к формам, которые получают донное питание за счет абразии коренного дна или наносов биогенного происхождения.
Рис. 7. Последовательный ход восстановления пляжа подветренного ■ морского берега Пицунды (по отношению к устью р.Бзыби). На верхнем снимке - берег по состоянию на декабрь 1981
года; на среднем - в апреле 1982 года и на нижнем - в июне 1983 года.
Внутригодовой режим твердого стока подчиняется изменениям расхода воды как наиболее важного фактора транспортировки материала . Структура твердого стока подвержена значительным колебаниям сезонного и многолетнего характера (циклы). Сопоставление данных по твердому стоку и "емкости" волнового потока свидетельствует о периодическом "избытке" и дефиците наносов на предустьевых участках Черноморского побережья Кавказа средней продолжительностью в 20 лет /ПешковД987/. Так, на предустьевом участке реки Бзыби с середины 20-х до первой половины 40-х годов расход наносов достигал в отдельные годы 250 тыс.мЗ. (.среднегодовое значение - 80 тыс.мз). В этих условиях ЮЗ берег Пицунды испытал интенсивный размыв суммарным объемом 2.4 млн.мз. Аналогичная ситуация создалась в тот период на побережье Аджарии, где берег по своей экспозиции представляет собой зеркальное отображение Пицунды. Объем размыва по картографическим материалам позволяет оценить расход наносов от устья реки Чорохи до Батумийского мыса в 250 - 300 тыс.мз/.год.
С 1945 по 1963 гг на Пицунде преобладали аккумулятивные процессы. Объем твердых выносов р.Бзыби примерно на 0.8 млн.мЗ превысил общую мощность СЗ потока (средний расход составил 30 тыс.мЗ/год). В условиях снижения волновой активности произошло выдвижение авандельты р.Бзыби на 100 м в сторону моря. С 1964 года наметилась тенденция к снижению твердого стока при одновременном увеличении волновой энергии. В результате этого ЮЗ берег полуострова испытал новый цикл размыва /0.7 млн.мЗ/. Суммирование баланса пляжевых наносов за отдельные периоды и в целом с 1903 по 1985 гг дает основание предполагать, что первые 20 лет нашего столетия характеризовались преобладанием аккумулятивных процессов (превышение твердого стока над емкостью СЗ потока оценивается в 1.5 - 1.7 млн.мЗ). Очередной цикл отличается некоторым снижением штормовой активности и преобладанием аккумулятивных процессов/.
Наличие связи долговременных изменений волнового режиса, твердого стока рек, интенсивности склоновых процессов и др, с внутроивековыми колебаниями климата отмечается многими исследователями/Калинин, 1968, Дроздов, 1974,Балабанов, 1984, Джаош вили,Пешков и др. Д987,1Пуйский)1976, Foster, Stone, 1965, Hime,Shalk,1976 и др./. Таким образом, выделение циклов в динамике морских берегов является весьма важным для прогноза происходящих изменений. Последнее имеет большое значение для принятия практических решений. Недоучет естественной смены процессов размыва и аккумуляции может стать причиной серьезных ошибок и крупных непроизводительных затрат, например, при проведении берегозащитных мероприятий. Так,
своевременное предсказание цикличного характера динамики пляжей Пицундского мыса позволило отказаться от строительства дорогостоящих берегоукрепительных сооружений. Через несколько лет после катастрофического размыва пляжи курорта полностью восстановились в связи со сменой господствующих волнений и возобновлением СЗ потока наносов.
ГЛАВА 7. Влияние подводных каньонов на современную динамику и развитие морских берегов.
Проблема подводных каньонов актуальна для понимания береговых процессов на участках, где эти формы донного рельефа оказывают влияние на баланс пляжевых и донных наносов. В ходе исследований с 1967 по 1990 гг было установлено , что сток крупнозернистой части береговых наносов возможен при выдвижении внешней части предустьевых баров к вершине подводных каньонов. На Черноморском побережье Кавказа такая ситуация реально возникает при высоких значениях твердого стока и устойчивом вытекании речной струи во время половодья и сильных паводков в направлении линейной депрессии (локализованный сток). Однако, потери песчано-галечного материала ограничены в данном случае лишь частью твердого стока и не могут быть причиной их общего дефицита и размыва пляжей. Последнее подтверждается отсутствием непосредственной связи между стоком материала в каньоны и отступанием берега на многих участках побережья / Меншиков,Пешков, 1978,1980/.
Детальные исследования показывают, что потери песка и гальки в предустьевые каньоны не превышают 5-10% суммарного стока пляжеобразующего материала во многолетнем режиме. При ординарных значениях твердого стока предустьевые бары не достигают вершин каньонов, которые являются, в основном, коллекторами стока взвешенных наносов, Исключение составляет р.Чорохи, которая сбрасывает во время половодья до 80 - 90% (5оо-600 тыс.мз/год) своего твердого стока в предустьевой каньон /год /Леонтьев,Сафьянов,1973; Меншиков, Пешков,1980,1987/.
Что касается латеральных каньонов, то они перехватывают в основном наносы, которые перемещаются вдоль берега и оказываются в зоне влияния этих форм донного рельефа, На Черноморском побережье Кавказа есть несколько каньонов, которые внедрены в зону миграции пляжевого матери ("Акула", "Новый", "Бурун-Табийский" и некоторые другие). Поступление гальки в эти каньоны зафиксировано повторными промерами и водолазными
обследованиями после штормов в 6 и более баллов /Пешков, 1974,1976; Меншиков,Пешков, 1980,1987/.
Наличие галечного материала в руслах некоторых каньонов восточной части Черного моря до глубин в сотни метров не доказывает их современного поступления со стороны суши. Сток гальки на глубину мог иметь место в прошлые геологические эпохи, когда уровень моря был значительно ниже, а береговая линия приближалась к самой бровке современного материкового склона. Источником крупнообломочного материала может быть физическое разрушение древних толщ конгломератов, которые вскрываются на боковых склонах по тальвегу каньонов /Зенкович,1978/..
Модели балансового типа показывает, что на заключительном этапе развития Черноморского побережья Кавказа между поступлением терригенного материала и его стоком в глубоководную часть моря было выработано относительное равновесие. Поэтому, все последующие изменения в этой цепи могут быть вызваны либо снижением стока материала с суши, либо продвижением линейных депрессий в сторону берега. Причем такое продвижение должно быть сопоставимо с отступанием суши или происходить с некоторым опережением. В противном случае каньоны теряют контакт с береговой зоной и отмирают.
Нарастание берега в сторону подводных каньонов рано или поздно завершается и весь "избыток" обломочного материала смещается на глубину. Каньоны ограничивают таким образом аккумуляцию материала в мелководной зоне. Исследования показывают, что в случае превышения стока береговых наносов в каньон над объемом их перемещения по руслам на глубину, головная часть линейных депрессий начинает захороняться. Например, фронтальный склон "Акулы" погребен в настоящее время мощным слоем современных пляжевых наносов /Меншиков,Пешков, 1980/.
. При стабильном положении, влияние каньонов сводится к регулированию баланса наносов береговой зоны, то есть потери заложены в указанной цепи и не могут быть причиной однонаправленных изменений берега.
В ходе детальных исследований с применением водолазных методов было установлено, что вершины некоторых каньонов врезаются в сторону суши. Этот процесс активно проявляется после обнажения в головной части каньонов слабоуплотненных грунтов коренного залегания. Физическое выветривание приводит к их дезинтеграции и последующему перемещению разрыхленных масс на низкий гравитационный уровень. Эпизодические оползни и обвалы ,а также медленное течение осадочных толщ ("крип") обеспечивают достаточно высокую интенсивность перемещения материала по руслам каньонов на глубину (рис.8). В переносе тонкозернистых фракций определенную роль играют течения и
мутьевые потоки низкой плотности. Последние могут возникать в результате потери осадками устойчивости при действии сильных штормов или быстром поступлении наносов на взморье во время половодья.
По данных повторных измерений , бровка фронтального склона каньона "Новый" продвигается в сторону берега с 1974года со средней скоростью 0.5 - 0.7 м/год. Таким образом, указанный каньон является реальным фактором общего ухудшения баланса пляжеобразующих наносов и активизации размыва, сопряженных участков морского берега.
Зависимость развития каньонов от режима прибрежно-морской седиментации является причиной их захоронения в регрессивные фазы, когда резко возрастает приток материала с суши. В трансгрессивные фазы, из-за подпора устьев рек и общего снижения твердых выносов, преобладающим процессом становится сток материала на материковый склон. В результате этого происходит обнажение коренного рельефа и активизируется рост каньонов и их боковых притоков. Говоря о причинах современного обнажения грунтов коренного залегания в вершинах многих каньонов Черноморского побережья Кавказа следует назвать, прежде всего, антропогенный фактор. Под его влиянием почти повсеместно оказались нарушенными условия прибрежно - морской седиментации на обширных пространствах подводного берегового склона.
Рис.8. Плоскости отрыва обвально-оползневых масс в вершине одного из лредустьевых каньонов восточной части Черного моря.После распада на отдельности,разрыхленная масса смещается на глубину под действием гравитационных и гидрогенных факторовВ результате физического разрушения грунтов коренного залегания бровка каньона продвигается в сторону суши.Одним из следствий такого развития донного рельефа является увеличение стока пляжеобразующих наносов в глубоководную часть моря .
Рис. 9. В результате нарушения режима прибрежно - морской седиментации на дневную поверхность выходят грунты, слабоустойчивые к физическому выветриванию.В условиях прямого контакта с морской водой они быстро размокают, разрыхляются и приобретают способность к смешению вниз по склону в виде гравитационных потоков. На верхнем снимке показан общий характер разрушения уплотненных песчано-илистых грунтов, которые были перекрыты ранее рыхлыми наносами. Глубина около 12 м (уклон дна 0,025-0,03). На нижнем снимке - обнажение древнедельтовых грунтов на предустьевом участке одной из крупных горных рек восточной части Черного моря (глубина 9-10 м).
ГЛАВА 8. Влияние антропогенного фактора на динамику и развитие морских берегов
Со времени относительной стабилизации уровня Мирового океана процессы абразии и аккумуляции в береговой зоне развивались по пути выработки сложного динамического равновесия. Человеку потребовалось всего несколько десятилетий, чтобы это равновесие нарушить.В конце 20 столетия многие формы техногенного воздействия приняли столь опасные размеры.что возникла реальная угроза исчезновения многих аккумулятивных форм и пляжей.
Интенсивная хозяйственная деятельность привела к коренному преобразованию естественного облика берегов восточной части Черного моря, Южного берега Крыма и др. В значительной степени изменился баланс пляжевых и донных наносов, что явилось причиной активизации абразионной деятельности моря.
Различные стороны воздействия человека и ответные реакции - это лишь одна сторона проблемы. Другая состоит в том, что эти воздействия и последствия часто оказываются взаимосвязанными. Так, сооружение плотин ГЭС влечет за собой снижение твердого стока и,- таким образом, сказывается в дальнейшем на балансе береговых наносов. Уменьшение стока взвешенного материала ведет к истощению рыхлого осадочного покрова и обнажению реликтовых грунтов в зоне активного волнового воздействия на дно. Нарушение режима прибрежно - морской седиментации влияет на расселение и жизнедеятельность морской биоты и др. Подобную цепочку можно продолжить вплоть до человека, то есть тех социальных последствий, которые неизбежно сопровождают нерациональное вмешательство в природное равновесие.
Техногенные воздействия на морские берега с галечными пляжами по схожести ответных реакций , масштабу и последствиям можно разделить на несколько основных типов;
а) изъятия наносов с пляжей и из русел рек;
б) регулирование речного стока плотинами ГЭС, общее усиление водопользования;
в) нарушение условий питания пляжей обломочным материалом (бетонирование береговых откосов, строительство сооружений поперечного типа и др);
г) морское гидротехническое строительство, если оно ведет к изменению важных показателей современной динамики и развития морского берега;
д/ загрязнение прибрежных вод и осадков.
Изъятия пляжевых и русловых наносов явились причиной резкого нарушения баланса обломочного материала и активизации
разрушения морских берегов, обвально - оползневых процессов во многих районах Мирового океана. После наложения запрета негативное влияние изъятий продолжает сказываться на состоянии берегов. Именно по этой причине размыв пляжей во многих районах принял необратимый характер и его можно остановить в большинстве случаев искусственным путем.
Серьезный ущерб морским берегам был нанесен массовым внедрением в практику берегоукрепления различных типов железобетонных сооружений.Традиционная методология
технических дисциплин определяет объектом проектирования прежде всего сооружения и отводимую им работу по гашению энергии волн, накоплению и удержанию наносов. При этом учитывается влияние различных факторов на устойчивость сооружений, но не уделяется должного внимания последствиям такой защиты. Между тем, именно последствия становятся нередко причиной необратимых изменений берега и разрушения самих сооружений.
Прогресс в области гидротехнического строительства, появление новых типов сооружений и современных материалов, породило опасную иллюзию, что эту проблему можно решить путем наращивания темпов строительства и повышения прочности берегоукрепительных сооружений. Такой подход для ЧПК и других районов не принес желаемого результата /Пешков,1989/. В настоящее время, от Батуми до Геленджика, построено в общей сложности около 2 тысяч бун и подводных волноломов, более 200 км подпорных и волноотбойных стен, на многие километры произведена наброска фигурных массивов и др. Однако, большая часть этих сооружений не столько защищает берег, сколько нуждается в собственной защите (рис.10). Несостоятельность технической политики стала особенно очевидной, когда затраты на ремонтно - восстановительные работы начали превышать стоимость целевых объектов берегоукрепления.
Одной из причин неудачного применения жестких систем берегоукрепления является неспособность сооружений остановить разрушение берега. Пэтому, несмотря на общий рост капиталовложений и усовершенствование конструктивных элементов , технический подход не дает ощутимых положительных результатов. К негативным последствиям следует отнести быструю деградацию берегов, в том числе на смежных участках. Создается парадоксальная ситуация, когда приходится укреплять ранее стабильные участки берега. Наконец, технический подход порождает во многих случаях безответственность за экологические последствия принимеемых решений. Резко ухудшаются санитарно -гигиенические и эстетические достоинства морских побережий, что совершенно недопустимо в курортных районах. Фактически
огромный труд оказывается направленным не столько на пользу, сколько во вред и природе,, и человеку.
В главе дается развернутый анализ динамики галечных пляжей на участках строительства подпорных (волноотбойных) стен, бун и подводных волноломов. Приводятся количественные данные о скорости продольного транспорта наносов в условиях отражения прибойного потока от вертикального препятствия (клифы,подпорные стенки ). Рассматриваются условия и механизм низового размыва в зависимости от геологического строения берега,
Рис 10. Типичные фрагменты укрепления Черноморского побережья Кавказа с помощью подпорных стен, бун и набросок тетраподов. В результате такой "защиты" береговая полоса становится непригодной для использования в курортных целях.
его экспозиции по отношению к господствующим волнениям и положения в системе потока наносов. Показаны причины низкой эффективности защиты берега подводными волноломами традиционного типа из-за резкого нарушения этими сооружениями условий поперечной миграции наносов в разные фазы штормового волнения и др.. Представлены результаты режимных исследований грансостава пляжевых наносов в межбунных отсеках, в заволноломном пространстве, а также на участках низкого размыва и заполнения входящего угла.
ГЛАВА 9. Теоретические и прикладные аспекты защиты морских берегов от волнового разрушения.
Во многих районах Мирового океана в прибрежной зоне размещены промышленные и жилые строения, курортные комплексы и коммуникации. Для их защиты от цунами, экстремальных волновых нагонов и штормов требуется порой проведение мероприятий, стоимость которых многократно превышает размеры материального ущерба, включая ликвидацию последствий. При определении целесообразности зашиты от волнового разрушения потенциально опасных участков морских побережий, следует принимать во внимание различные соображения. Примером принятия решений на основе экономического анализа может служить защита низменных берегов Голландии или некоторых участков восточного побережья США. В ряде случаев, оптимальным является эвакуация хозяйственных или жилых объектов из опасной зоны. Это относится и к участкам, где разрушение берега носит необратимый характер, а защитные меры требуют чрезмерно крупных капиталовложений.
Хотя ветровые волны и зыбь не вызывают столь катастрофических разрушений, суммарный эффект их воздействия наносит весьма ощутимый ущерб. Каковы современные тенденции защиты морских берегов от абразии и размыва? Имеющийся опыт свидетельствует о том, что традиционный подход к укреплению берегов с помощью различных типов железобетонных сооружений имеет много существенных недостатков. С позиций системного анализа защита морских берегов не является чисто технической задачей.. Техника должна служить лишь средством достижения цели. Разработка и проектирование берегозащитных мероприятий должны опираться на методологический аппарат географических дисциплин. Накопленный опыт показывает, что в решении вопросов целенаправленного преобразования природы и, в частности, морских берегов только география может проявить себя как конструктивная наука не только в теоретическом осмыслении различных проектов, нео и в их воплощении на практике. /Пешков,1989/.
Разумное вмешательство в береговые процессы ,. включая проведение защитных мероприятий, подразумевает обязательное согласование технических и природных элементов в виде единой оптимизированной системы. Проектирование и строительство берегозащитных комплексов должно охватывать , по меньшей мере, литодинамические системы или ячейки, которые обладают автономным режимом современной динамики и развития, а также имеют собственный баланс наносов. Во всех случаях следует отказаться от порочной практики локальной берегозащиты, так как неизбежные при этом изменения на смежных участках только усложняет рещение проблемы в целом.
Учет негативных последствий технической политики и выработка мер по ограничению строительства гидротехнических сооружений - необходимое условие любого проекта или Генсхемы. При экспертизе следует исходить из критериев минимального риска для природы, что требует умения предвидеть возможные изменения берега при техногенном вмешательстве. Защита морских берегов должна рассматриваться, как составная часть рационального природопользования и способствовать улучшению естественной среды. Следует избегать таких способов защиты, которые ведут к оскудению природы /Пешков,1989/.
Большие преимущества в выборе оптимальных решений имеет конструктивный подход, который обеспечивает сохранение или изменение береговых процессов в благоприятном направлении. Это касается мероприятий по созданию регулируемых геотехнических систем, повышению устойчивости берега на основе использования принципов "геоники", то есть заимствованию уже существующих в в природе элементов самозащиты берега от волнового разрушения /Сокольников,1976; Есин.Московкин,Дмитриев,1987; Пешков,1989 и др./.
В порядке обобщения и развития различных методов защиты морских берегов можно выделить несколько основных направлений или подходов:
1. Геоморфологический подход направлен в общем случае на реконструкцию берега путем его разделения на литодинамические ячейки с помощью блокирующих элементов; усложнение контура береговой линии прерывистыми конструкциями; срезку отдельных выступов суши для улучшения идольберегового транспорта пляжевых наносов и др. Метод подразумевает широкое использование палеографических реконструкций с целью выявления и реставрации оптимальных условий для развития аккумулятивных процессов. Примером тому может быть предложение по срезке дистальной части Инкитского выступа для удаления зоны миграции пляжевых наносов от вершины каньона "Акула", предпроектные проработки по срезке фронтальной части Кодорского аккумулятивного выступа и др.
2. Структурно - динамический подход заключается в изменении качественных и количественных характеристик морфо-и литодинамики береговой зоны с помощью различного рода фильтрующих откосов, повышения шероховатости дна (искусственный бенч) и др. Среди реализованных проектов на основе указанного подхода можно назвать создание искусственных подводных банок и рифов, в том числе экологических; подводных волноломов распластанного типа из каменной наброски и др. К структурно - динамическому подходу относится искусственное изменение морфодинамического типа пляжа или отдельных его элементов. Примером тому может служить создание валунно -галечной призмы в тыльной части пляжа курорта Пицунда, строительство галечных пляжей в условиях отмелых песчаных берегов восточной части Азовского моря (Ейск.Приморско - Ахтарск и др.).
3. Энергетический подход направлен на снижение и рассеивание энергии в зоне действия прибойного потока. Для этого используются различные типы волногасящих конструкций. К энергетическому подходу относится и искусственное пляжеобразование.
4. Специальные, в основу которых положены нестандартные решения. Это регулирование продольного перемещения пляжевых и донных наносов, процессов литодинамики на приустьевых участках горных рек, создание искусственных прорезей в теле наветренных кос, выборка аллювия в устьевой части для снижения потерь пляжеобразующих наносов на глубину, искусственное насыщение волнового потока точечными источниками питания и др.
В последнее время в практику морской берегозащиты все шире внедряются искусственные пляжи. К началу 90-х годов их общая длина в США превысила 600 км. Крупные работы по искусственному пляжеобразованию ведутся в Испании, Германии, Англии и др. Общая площадь искусственных пляжей на Черноморском побережье Грузии доведена до 120 га и с их помощью защищено 60 км берега /Пешков,1989; Кикнадзе,1991; РезЬкоу,1993а/. Более 20 км волногасящих и рекреационных пляжей создано на Азово-Черноморском побережье Краснодарского края /КтПоу,РезЬкоуДд93;Ре8Ькоу,1993а,б ,1994/. Некоторые фрагменты защиты морских берегов искусственными пляжами представлены на рис. 11 - 15.
Защита морских берегов искусственными пляжами сводится главным образом к созданию активного баланса наносов путем отсыпок для регулирования продольного перемещения наносов. Теоретической основой создания /восстановления / пляжей на грузинском побережье явился ретроспективный анализ состояния берега до начала интенсивного размыва. Известно,что этот процесс
Рис.11. Строительство бун выше по ходу потока наносов привело к быстрому истощению пляжа на участке курортного парка в г. Гагра (январь 1982 года). Первый же сильный шторм мог разрушить подпорную стенку и набережную, Для защиты берега предполагалось строительство гребенки бун. Проект был отклонен в пользу свободного галечного пляжа. На нижнем снимке показан тот же участок берега после первого этапа работ по восстановлению пляжа (1984г). Отсыпка производилась в 0.3 км выше по ходу потока наносов. Внедрение прогрессивных решений позволило почти вдвое снизить затраты на защиту берега и сохранить естественный облик курортной зоны.
Рис. 12. Катастрофический размыв пляжа вследствие строительства наносозадерживающих сооружений ( буны и подводные волноломы с траверсами ) выше по ходу потока.Для восстановления пляжа производилась отсыпка материала южнее последней буны. В 1989 - 90 гг буны были демонтированы с целью возобновления СЗ потока.
Рис.13. Последовательный ход восстановления пляжа Северной литодинамической системы за счет искусственных отсыпок в 3.0 км выше по ходу потока наносов. На верхнем снимке берег по состоянию на январь 1982 г; на нижнем снимке - в 1985 году.
Рис.14. Для защиты интенсивно разрушаемого берега в Приморско - Ахтарске была построена бетонная стенка откосного типа длиной 3.7 км /1956год/. В 1965 году было построено дополнительно 18 бун длиной 50 и более метров. Берегоукрепление оказалось соверщенно неэффективным. В условиях дефицита наносов, буны не могли не только накопить, но и удержать скудные запасы песка. Оголенная стенка неоднократно разрушалась (верхний снимок - 1989 год, правый - тот же участок берега после восстановления стенки и отсыпки волногасящего гравийно галечного пляжа, 1991 год/.
Рис.15. На Черноморском побережье от Туапсе до Анапы общая бедность пляжами объясняется отсутствием мощных источников питания. Даже прочные компоненты флишевых пород /известняки, песчаники/ не дают большого количества пляжеобразующего материала. Щебень и галька осадочных пород довольно быстро истираются в прибойной зоне до мелких пылеватых частиц, которые выносятся на глубину.Природные пляжи в вогнутостях берега и бухтах открытого типа имеют ширину 7 - 10 м. Для повышения курортной ценности этой части побережья ГСНПО "Красндарберегозащита" приступило к созданию искусственных пляжей. Примером тому является пляж в бухте Инал, который имеет среднюю ширину 35 м по длине берега около 2 км.
резко активизировался после антропогенного вмешательства (изъятия наносов с пляжей и из русел рек, строительство плотин ГЭС и др). Серьезный ущерб берегам был нанесем неумелым тиражированием стандартных решений, то есть строительством подпорных стен, бун, подводных волноломовов и др. Вледствие такой деятельности были истощены естественные источники питания, разорваны потоки наносов и нарушен баланс наносов береговой зоны в целом. К началу 80-х годов разрушение берега охватило 223 км при его общей длине в 312 км /Кикнадзе,1981/. На основе модели балансового типа было определено, что для восстановления пляжей по всей длине размываемого берега, требуется разовая отсыпка около 30 млн.мЗ пляжеобразующих наносов. Устойчивость пляжей в последующий период должна обеспечиваться периодическим питанием в объеме 0.8 млн.мЗ/год /Кикнадзе, Меладзе,Сакварелидзе,1984/. По данным экономического анализа, внедрение искусственных пляжей взамен традиционных сооружений дает разовую экономию капиталовложений в 270 млн.рублей (в ценах 1984 года). Значительное снижение затрат усматривается на эксплуатацию пляжей как берегозащитных сооружений.
Переход к новой технологии предполагает значительное снижение удельной стоимости берегозащитных работ на Азово -Черноморском побережье Краснодарского края. Общая отмелость дна, отсутствие мощных потоков наносов, наличие естественных вогнутостей и бухт создает весьма благоприятные условия для искусственного пляжеобразования. Для реализации этих мероприятий в рамках общегосударственной программы в 1989 году было создано ГСНПО "Краснодарберегозащита".
Исследования в области искусственного пляжеобразования (1981 - 1993 гг) показывают, что существующие методические рекомендации и указания по расчету, проектированию и строительству берегозащитных пляжей изобилуют излишне сложными и громоздкими зависимостями, что затрудняет их использование в практических целях. Многие положения основаны на механико - детерминистком подходе и нуждаются в коренном пересмотре с учетом системных представлений о морских берегах как сложного природного образования.
Применение методов количественного изучения морских берегов требует рещения ,по крайней мере, двух задач. Одна из них связана с выявлением граничных условий, при которых измеренные величины гарантируют необходимую прогностическую надежность; другая - с оценкой точности применяемых методов.
Морские берега отличаются постоянными изменениями своих количественных характеристик.(рис.16). Поэтому любая абстрагированная система измерений не может иметь общего значения, а полученный результат при всей его точности может быть величиной случайной.. Это означает, что при изучении процессов береговой природы реальными являются количественные оценки с обширным диапазоном характеристик, а любая измеренная величина имеет надежное значение внутри более широкого диапазона значений. Отсюда следует, что с методической точки зрения важно изучить весь диапазон, в котором изменяется и профиль пляжа , и контур берега, и грансостав наносов и др,
Рис.16. График расхода наносов прибойной зоны в районе Пицунды с 1926 по 1986 гг. Построен на основе данных по волнению и эмпирической зависимости / 5.1/. Для контроля полученных значений расхода использованы картографические материалы разных лет.
Опыт исследования морских берегов с галечными пляжами показывает, что на современном уровне знаний наиболее достоверные результаты дает метод природных моделей. В его основе лежит критериальный перенос результатов изучения берегов, , динамика и развитие которых охаректиризованы достаточно полно с количественной стороны. Метод позволяет автоматически учитывать наиболее важные закономерности, а главное , вероятностную природу происходящих изменений. Важным его преимуществом является его универсальность, то есть применимость и большинстве случаев с поправками на местные условия. При этом, исключаются ошибки расчетов за счет использования готовых прогнозных моделей, а также обеспечивается верификация прогноза путем сопоставления с
процессами на участках - аналогах, где природа уже "проиграла" различные варианты поведения берега. В качестве объектов применения метода натурных моделей могут быть и профиль, и контур береговой линии, и целая литодинамическая система.
Метод натурных моделей использован автором в рекомендациях по расчету и проектированию искусственных пляжей и технологии их строительства на открытых участках аккумулятивных и абразионных берегов с песчаным подводным склоном и коренным бенчем, на участках зарождения и транзита потока наносов , низового размыва и заполнения входящего угла, при наличии гидротехнических сооружений, в вогнутостях берега и в замкнутых бухтах.
В области технологии искусственного пляжеобразования разработаны и внедрены на практике различные способы проведения отсыпок наземным и морским транспортом. Это метод "насыщения" волнового потока точечными источниками питания, регулирование продольного перемещения галечных наносов с помощью деформируемых (размываемых) бун из грунтовой смеси и др. Одним из эффективных приемов искусственного питания пляжей в пределах литодинамических систем или ячеек является "репассинг", то есть переброска материала с участков постоянной аккумуляции в зону зарождения потока или в места с дефицитом наносов. Метод успешно применялся при восстановлении пляжей Северной и Бзыбской литодинамических систем.
Крупную самостоятельную проблему при искусственном пляжеобразовании представляет назначение оптимального грансостава материала отсыпок. При этом необходимо учитывать не только крупность, физико - механические свойства и соотношение отдельных фракций наносов , но и их изометрические характеристики. Так, речной аллювий приобретает определенную форму в условиях однонаправленного потока, а при отсыпке в прибойную зону начинает испытывать возвратно - поступательные движения и теряет при этом до 25 - 30% своей первоначальной массы. Большие потери наблюдаются при отсыпках щебня осадочных пород (до 20 - 25% по опытным данным при переходе от нулевого во второй класс окатанности). В главе даны рекомендации по определению фракционного состава отсыпок в зависимости от исходного состояния берега и его морфодинамического типа, волнового режима и др. При строительстве галечных пляжей не рекомендуется,например, использовать песок в грунтовых смесях, поскольку этот материал не является эффективной пляжеобразующей фракцией в условиях приглубых берегов, особенно на участках с коренным или валунно - глыбовым бенчем. В ходе волновой переработки отсыпки, песок выносится на внешнюю часть подводного берегового склона, то есть ведет себя подобно
природному распределению наносов на берегах аналогичного строения.
Сравнительно низкой эффективностью отличаются отсыпки с целью локального расширения пляжа на транзитных участках берега с высокими значениями расхода наносов. Такие отсыпки представляют собой местные возмущения литодинамической системы и поэтому материал распределяется в конечном итоге по всей длине потока наносов. Существенные потери гальки отмечаются при отсыпках этого материала на подводный склон, сложенный песком. В ходе вертикальной дифференциации галька имеет тенденцию погружаться в нижние горизонты и таким образом частично исключается из процесса пляжеобразования.
Высокой эффективностью отличается метод регенерации грансостава пляжевых наносов. В его основу положена способность пляжа к естественному регулированию соотношения отдельных фракций наносов за счет обмена с подводным склоном и смежными участками берега. Искусственное образование галечного "скелета" вызывает интенсивную аккумуляцию песка в теле надводного пляжа в результате взаимодействия частиц различной гидравлической крупности в прибойной зоне. Исключительно эффективным в этом отношении явился опыт с отсыпкой гальки на интенсивно размываемый участок к югу от г.Гагра. Создание галечного "скелета" общим объемом 300 тыс.мЗ позволило аккумулировать на пляже около 700 тыс.мЗ донного песка / в фазу размыва этот материал сместился на подводный склон/. Таким образом, за счет регенерации грансостава наносов, был полностью восстановлен пляж по длине берега в 4км. (рис.17). Экономический эффект составил около 25 млн.рублей в ценах 1984 года.
Основные положения и выводы в области теории и практики искусственного пляжеобразования содержатся в научно технических отчетах и проектной документации НПО "Грузберегозащита" и ГСШЮ "Кранодарберегозащита". Часть этих положений опубликована в отечественной и зарубежной литературе /Пешков, 1987,1989; Пешков, Сакварелидзе, 1987,
Kiknadze,Meladze,Sakvare]idze,Peshkov,Russo,1986;Kiknadze,, За^агеМ2е, Peshkov, ИияяоДЭЗО; К1г111о\',Ре5Ькоу,1993; Peshkov, 1993,а,б,1994/.
Опыт создания и эксплуатации галечных пляжей (1982 -1993гг) в качестве берегозащитного сооружения подтверждает значительные преимущества данного метода для Черноморского побережья Кавказа и некоторых регионов восточной части Азовского моря по сравнению с традиционными. Сопоставление фактических затрат показывает, что удельная стоимость защиты берега искусственными пляжами примерно в два раза ниже
Рис.17. Строительство бун в г.Гагра (задний план) привело к перехвату потока галечных наносов. В начале 80-х годов мощность галечного "скелета" достигла критических значений и после сильных зимних штормов 1981 / 1982 гг. произошел полный размыв пляжа. Песок в основной массе оказался сброшенным на подводный склон. В прибойной зоне обнажились древние грунты ( глины и торфяники озерно - лагунного генезиса возрастом 4 - 4.5 тыс.лет ). Глубина моря по краю уступа размыва достигала 2.5 м. Таким образом аккумулятивный берег превратился в типично абразионный (пример скачкообразного развития морских берегов при переходе количественных изменений в качественные).
Искусственное восстановление галечного скелета(средний снимок) путем отсыпок в 3 км выше по ходу потока наносов , вызвало эффект регенерации фракционного состава пляжевых наносов по длине берега около 4 км. Массовый перехват и аккумуляция донного песка в теле надводного пляжа происходит непосредственно во время шторма.
обычного комплекса железобетонных сооружений ( буны и подпорные стенки ). Значительно ниже эксплуатационные' затраты по сравнению с текущим и капитальным ремонтом сооружений. При этом снижаются трудозатраты при полной экономии цемента и металла. По нормативным документам такая экономия на 1 пог.км берега составляет,соответственно, 8400 и 160 тонн. Весьма важно, что общее увеличение длины берега, защищаемого неогражденным пляжем, ведет к значительному снижению удельной стоимости затрат на искусственное питание в расчете на 1 пог.км. Искусственные пляжи не требуют замены и капитального ремонта, то есть не имеют срока амортизации, как гидротехнические сооружения.
Мероприятия по искусственному пляжеобразованию устраняют основную причину размыва берега и поэтому такой подход более обоснован с научной и методической точек зрения. При этом, не возникает таких отрицательных явлений, как низовой размыв и др. Создание пляжей или их восстановление направлено на улучшение естественной среды обитания и отдыха. К числу важных преимуществ относится возможность снижения разовых капиталовложений без ущерба для защиты берега. На берегах с неогражденными пляжами сохраняется свободный водообмен, который значительно затруднен при наличии бун и,особенно, подводных волноломов. Искусственные пляжи способствуют улучшению санитарно - гигиенических и эстетических достоинств морского побережья.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. В ходе исследований по теме диссертации были поставлены и решены вопросы, которые имеют общетеоретическое значение для геоморфологии морских берегов. Это относится к разработке представлений о переходе количественных изменений в качественные как основного закона скачкообразного развития морских берегов.; основных элементах гидро- и литодинамики прибойной зоны при обрушении волн опрокидыванием; механизме трансформации профиля и грансостава наносов различных морфодинамических типов пляжа; структуре потока береговых и донных наносов в условиях приглубого подводного склона; физической сущности профилей динамического и статистического равновесия; динамике профиля, контура берега и грансостава наносов как важнейших элементов саморегулирования береговой зоны как сложной природной системы; феномене саморегулирования фракционного состава пляжевых наносов и др.
В диссертации, с позиций системного и конструктивного подходов, предпринят анализ влияния на береговые процессы смежных подсистем (волновой режим, твердый сток рек и др.). Дана
качественная и количественная оценка цикличности в динамике и развитии морских берегов в связи с периодическими колебаниями климата и его производных. Выявлены условия и механизм вовлечения речного материала в береговые процессы, а также установлены основные взаимосвязи между процессами береговой природы и подводными каньонами. Показаны характерные реакции берега на различные виды техногенного воздействия, включая строительство берегоукрепительных сооружений (стенки, буны, подводные волноломы).
2. В работе показана необходимость пересмотра некоторых положений в области теории и методологии изучения морских берегов в пользу более широкого охвата факторов внешней среды. Дано теоретическое обоснование ограниченности механико детерминистского подхода к изучению сложных многокомпонентных систем, какой является береговая зона моря.
3. Натурные и теоретические исследования береговых процессов , а также анализ и обобщение результатов крупномасштабного эксперимента по волновой переработке более 10 млн.мЗ обломочного материала (1981 - 1993 гг.) позволяет сформулировать ряд положений и рекомендаций в области искусственного пляжеобразования. Это относится к расчету и проектированию основных элементов искусственных галечных пляжей на абразионных и аккумулятивных участках, для условий открытого побережья и в бухтах, определению объема разовых отсыпок и эксплуатационных пополнений, назначению оптимального фракционного состава отсыпок, количественных характеристик продольного перемещения пляжевого материала и др.
РАБОТЫ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Влияние подводного каньона на динамику и развитие аккумулятивного берега // Тез. докл XIII Всесоюзной конференции по морским берегам. Одесса, Изд-во ОГУД973, с.108-109.
2. Наблюдения по динамике рельефа подводного каньона " Акула // Геоморфология, 1974, № 3, с. 82-87. 3. Некоторые черты современной динамики береговой зоны в районе курорта Пицунда . В кн. : Труды координационных совещаний по морской гидротехнике , 1974, вып. 92. Ленинград, Энергия, с. 82-89.
4. Некоторые особенности динамики берега, сопряженного с вершиной подводного каньона // Геоморфология, 1975, №1 с.88-92.
5. Скорость и обьем вдольберегового перемещения гальки // Сообщ. АН ГССР, 1976, т. 82, №1, с.109-111. 6. О восстановлениии пляжа курорта Пицунда // Сообщ. АН ГССР, 1976, т.83, №2, с. 401404. 7. Влияние подводного каньона на динамику и развитие аккумулятивного берега // Известия ВГО, 1976, т. 108, №4, с. 283-
289. 8. Динамика береговой зоны Пицундского полуострова // Докл. Международного географического конгресса / симпозиум "Морские берега" / , Тбилиси, Мецниереба, 1976, с.173-175. (соавторы Белова, Орлова ). 9. Динамика форм мезорельефа подводных откосов Пицунды // Сообщ. АН ГССР, 1976, т. 82, №1, с.105-108 ( соавтор Зенкович ) . 10. Наблюдения в подводных каньонах Адлерского района // Сообщ. АН ГССР, 1976, т.81, №2, с.111-114 ( соавторы Зенкович, Дубман, Кикнадзе, Менщиков ). 11. Вдольбереговой поток наносов Западной Абхазии // Тез. докл. 1-го Съезда советских океанологов. М.: Наука, 1977, вып. З.с.204-205 ( соавторы Зенкович, Геловани ). 12. Новые данные по бюджету наносов береговой зоны Пицундского полуострова // Сообщ. АН ГССР, 1977, т.90, №6, с.97-100. 13. Основные черты развития и современной динамики береговой зоны Пицундского полуострова // Известия ВГО, 1977, т.109, №6, с.501-511. 14. Перемещение наносов вдоль берегов Гагрского залива // Сообщ. АН ГССР, 1977, т.89, №2, с.172-174. 15. Поперечная неоднородность потока наносов Западной Абхазии //
Геоморфология , 1978, №1, с.55-65 ( соавтор Зенкович ) . 16.
О величине стока пляжеобразующего материала р. Бзыби // Сообщ. АН ГССР, 1978, т.90, №2, с.393-396 ( соавтор Меншиков ). 17. К вопросу о потерях пляжевых наносов в приустьевые каньоны во время половодья // Сообщ. АН ГССР, 1978, т.90, №3, с.637-640 (соавтор Меншиков /. 18. Системная концепция в изучении береговой зоны моря // Сообщ. АН ГССР, 1979, т.95, №3, с.605-608. 19. Некоторые черты строения подводных каньонов Сухумского района // Сообщ. АН ГССР, 1979, т.96, №3, с.389-392 ( соавторы Меншиков, Алпенидзе ). 20. Новые данные о палеорежиме подводных каньонов восточной части Черного моря // Сообщ. АН ГССР, 1980, т.99, №2, с.629-632. 21. Берег Пицунды ; факты и гипотезы. М.: Мысль , 1980, 112 с. ( соавтор Меншиков )22. Особенности морфодинамики крутых подводных откосов // Геоморфология, 1981, №1, с.64-68 ( соавтор Зенкович ). 23. К вопросу о стабилизации берегов Пицунды путем срезки Инкитского выступа // Гидротехническое строительство , 1981, №6, с.23-25 (соавторы Зенкович, Кикнадзе ). 24. О механизме влияния морских бун на низовой размыв галечных пляжей // Сообщ. АН ГССР, 1981, т.101, №3, с.609-612. 25. К вопросу о влиянии предустьевых каньонов р. Бзыби на бюджет наносов // Береговая зона моря . М.: Наука, 1981, с.101-108. ( соавтор Меншиков ).
26. Некоторые результаты исследований вершины Ингурского подводного каньона // Сообщ. АН ГССР, 1981, т.101, №2, с.365-368 (соавторы Меншиков, Канделаки и др). 27. К вопросу о происхождении подводных каньонов восточной части Черного моря // Океанология , 1983, т.ХХШ , вып.2, с.297-305. 28. К проблеме защиты и оптимизации береговой зоны восточной части Черного
моря // Известия ВГС, 1983, т.116, №4, с.300-310. 29. О генезисе подводных каньонов восточной части Черного моря. Деп.№56-е / Сборник трудов ЦНИИСа " Защита морских берегов "/, 1983. 30. Искусственный пляж -эффективное средство защиты берега моря. Инф. лист о научно-техническом достижении. Тбилиси , ГрузНИИНТИ, 1983, №83-32. 31. Методические рекомендации по проектированию берегозащитных галечных пляжей на Черноморском побережье Грузии. Тбилиси, ГрузНИИНТИ, 116 с. 1984, (соавторы Сакварелидзе, Джаошвили и др.). 32. Изменение емкости и направления вдольбереговых потоков наносов // Геоморфология , 1987, №1, с.68-74 ( соавторы Джаошвили и др.). 33. То the question of coastal development controll processes. // Int. Symposium "Evolution and Dynamics of seacoast in conditions of relative sea level oscillator. Tallin : Ac. of Sei of the Est. SSR, 1986, p.53-55 ( in co-authorship with Kiknadze, Meladze, Sakvarelidze, Russo ). 34. Искусственные галечные пляжи в морской берегозащите // Природные основы берегозащиты. М.: Наука, 1987, с. 165-176. 35. Искуственные галечные пляжи // Тез. докл. 3-го съезда советских океанологов, JL: Гидрометеоиздат, 1987, с.260-261. 36. О развитии прибрежного рельефа восточной части Черного моря // Тез. докл. 3-го съезда советских океанологов. Л.: Гидрометеоиздат, 1987, с.246-247 ( соавтор Меншиков ). 37. Опыт создания свободного галечного пляжа / М-лы 3-й Всесоюзной конференции по географии и картографированию океана. Географические и экономические проблемы изучения южных морей СССР. Л.: Изд-во ГО СССР, 1987, с.77-78. 38. Цикличность динамики береговой зоны / Там же , с.80-82. 39. Искусственное пляжеобразование на галечных берегах. Тбилиси, ГрузНИИНТИ, 1987, 42с ( соавтор Сакварелидзе ). 40. Первые итоги берегозащитных работ в Грузии путем создания искусственных / В кн.: рациональное использование и охрана природных ресурсов Черного и Азовского морей. Ростов-на-Дону, Изд-во РГУ, 1988, с.115-122 ( соавторы Мишеладзе, Папашвили ). 41. О защите черноморских берегов Грузии от абразии В кн.: Природоохранные мероприятия в Грузии. Сухуми, Алашара, 1989, с.34-43.
42. Там, где грохочет прибой. М/. Знание, 1989, 43с. 43. Какие полезные знания для практики дают географы. В кн.: Наука и искусство географии : спектр взглядов ученых СССР и США. М.: Прогресс , 1989, с.115-117. 44. Литодинамика приустьевой зоны горной реки ( на примере р. Бзыби ). В кн.: Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях. М, 1987, с.438-439. 45. О структуре продольного перемещения береговых и донных наносов. В кн.: Теоретические проблемы развития морских берегов. М.: Наука, 1989, с.56-63. 46. Beach-Forming process management of Georgian Black Sea coast // Journal of the Coastal Research, 1990, vol.6, p.33-
44 ( in co-authorship Kiknadze, Sakvarelidze, Russo ). 47.' Эрозия дна моря осадком // Геоморфология, 1991, №2, с.64-67 / соавторы Есин, Шлезингер /. 48. Artificial gravel beaches in the coastal protection Jn: Coastlines of the Black Sea. New York , ASCE, 1993, p.82-102/ 49. The Azov-black sea coast of Russia. An experience artificial beach formation. New York, ASCE, 1993, p.356-368 ( in co-authorship with Kirillov, Ivashkov ); 50. Artificial Beach Formation. A. Large Scale Experiment under Natural Conditions. Coastal Dynamics, Spain, Barselona, 1994 p.143-146. 51. Azov - Black Sea coast protection from abrasion. Proceedings of the First Intern. Conference of the Mediterranean Coastal Environment, Medcoast 93; Turkey, Antalia, 1993, vol.2, p.1075-1082. f)
йеч.л. ¿.S
Тираж I2С
i'CHiíG Краснодарберегозащита Краснодар,красная 66
-
Пешков, Владимир Михайлович
-
доктора географических наук
-
Москва, 1994
-
ВАК 11.00.04
- Динамика галечного пляжа в зоне влияния берегозащитных сооружений
- Геоэкологическая оценка развития опасных природных и техноприродных процессов побережья Азовского моря
- Распределение макрофитов псевдолиторального пояса на Южном берегу Крыма
- Сообщества макрозообентоса каменистого пляжа озера Байкал
- Воздействие техногенных факторов на морфолитодинамические процессы прибрежной зоны Юго-Восточной Балтики
