Введение к работе
Актуальность темы. Прибойная зона представляет собой область верхней части шельфа, непосредственно прнмыкевчув к берегу. Именно эта область вносит основной вклад в рассеивание механической энергии ветрового волнения, поступающей к берегу из открытого моря. Ширина ее может изменяться от нескольких квтров до нескольких километров, а глубины - от долей метра до первых десятков метров.
Главной отличительной чертой рассматриваемой области является интенсивная диссипация энергии, обусловленная разрушением волн, в ходе которого собственно волновые движения в конечном счете полностью затухает. Вместе с тем диссипация порождает ряд вторичных явлений,..которые, однако, могут оказывать решающее влияние не только на прибойную зону, но и на условия всей верхней части шельфа в целом. Речь идет о таких явлениях, как изменения среднего уровня воды (в частности, штормовые нагоны); генерация прибранной циркуляции, включающей различные виды волновых точений; перемещение наносов и переформирование подводного склона под действием скоростного поля, индуцированного разрушающимися волнами.
Практически любые объекты хозяйственной деятельности человека на побережьях морей, крупных озер и водохранилищ в той или иной мерз испытывают на себе воздействие прибоя и связанных с ним факторов. Строительство и эксплуатация прибрежных гидротехнических сооружений, защита берегов от размыва, обустройство рекреационных зон на побережьях, охрана прибрежных вод от загрязнения - вот лишь некоторые примеры проблем, решение которых требует знания процессов, протекающих в прибойной зоне, и умения их прогнозировать. Это определяет значительный интерес к изучению различных аспектов динамики прибойной зоны во многих зтранах мира.
К настоящему времени в исследованиях прибрежной динамики достигнуты определенные успехи. Заметную роль в этом сыграла концепция радиационного напряжения, разработанная первоначально Лонге-Хиггинсом И Стюартом (Longuet-rliggins, Stewart, 1964) и развитая впоследствии другими учеными. С ее помощью было установлено, что диссипация энергии порождает силовое поле, во многом определяющее динамику прибрежной зоны. Развитие этой идеи привело к возможности математического моделирования при-
брвЖНОЙ циркуляции (Bowen, 1969; Noda, 1974; Wu et al., 1985),
что в свою очередь способствовало бохьмй целенаправленности и эффективности експериментальній исследований (Шадрин, 1972; Somi,'1972; Thornton, Guza, 1986; ВойЦЄХОВИЧ, 1986, 1988).
Наметились серьезные сдвиги и в понимании механизмов перемещения твердого вещества на береговом склоне под воздействием волн и течений. Выдвинут ряд гипотез, связывающих развитие некоторых береговых форм рельефа о гидродинамическим режимом прибойной зоны (муселяк, 1978; Кирлис и др., 1978; Еркевич и др., 1982; Долотов, 1989), построены количественные модели развития
рельефа ПОДВОДНОГО СКЛОНа (Cnappell, 1981; Bowen, 1981; Halman, Bowen, 1982; Волынский и Селезов, 1988). Весьма плодотворной в атом плане оказалась концепция краевых волн, получившая широкое развитие за рубежом (Bowen, Ішаап, 1969, 1971; Komar, 1976). --
Вместе в тем возможности применения полученных результатов пока довольно ограниченны; Так, хотя существующие модели течений в ряде случаев удовлетворительно объясняют особенности прибрежной циркуляции, они дают скорее качественную информацию,чем количественную. Дело в том, что оперируют они с регулярными волнами -, тогда как действующие в природе системы волн нерегулярны, т.е. включают определенный набор высот, частот и направлений. В связи с этим возникают серьезные проблемы стыковки моделей с реальными условиями. Различие двух типов систем волн наглядно выявляется при сопоставлении условий их разрушения. Прибойная зона регулярных волн имеет четкую границу. Каждая волна начинает разрушаться на одной и той же глубине в одной и той же точке склона. При нерегулярном волнении граница зоны размыта, так как волны различной обеспеченности разрушаются на разных глубинах. Процесс диссипации энергии здесь имеет более сложный характер, чем при регулярном волнении. Это неизбежно отражается на распределении динамических параметров (в частности, скоростей течений и транспорта наносов), которые существенно различны для каждого из типов волнения.
По-прежнему много неясного остается в отношении перехода от описания волн и течений к объяснению связанных с ними перемещений масс наносов и изменений рельефа берегового склона. До конца не выяснены условия устойчивости подводного склона по отношению к воздействующему на него волнению. Открыт вопрос о формировании профиля динамического равновесия и определяющих его фак-
торах. Далека от репения проблема предсказания кратковременных деформаций дна, обусловленных отдельными штормовыми циклами. Список вопросов, пока нэ имеющих ответа, ножно было бы продол-вить.
Таким образок, дальнейшие исследования динемики прибойной зоны, ориентированные на более глубокое понимание связей при-бровной морфологии с гидродинамикой, полнее учитывающие природные факторы и обеспечивающие в конечной счете надежный прогноз динамических характеристик, представляются весьма актуальными.
Шль работы заключалась в построении общей концепции динамики прибойной зоны у песчаного аккумулятивного берега, которал позволила бы с единых исходных позиций описать главные черта характерных для данной зоны явленій в их взаимосвязи, начиная от затухания волн в процессе р.-;- - ления и кончая перемещением донных наносов и формированием і^офлля берегового склона.
Достижение поставленной целя потребовало решения двух узловых проблем, на которых концентрируется основное внимание з данной работа. Это, БО-первых, включение фактора нерегулярности морского волнения в анализ изменений динамических характеристик в прибойной зоне. Без учета фактора нерегулярности не^ возможно реалистичное количественное описание прибрежных процессов. Во-вторнх, это определение профиля динЕкнческого разновесам, вырабатываемого системой нерегулярных волн при воздействии их на аккумулятивный берег. Знание разновесного состояния профиля дает ключ к пониманию тенденций изменений рельефа дна и возможности их прогноза»
Задачи работа. В связи с поставленной целью в работа рэ-шахнсь следующие задачи:
исследование трансформации поля высот волн в процессе ш разрушения над различными типами подводных склонов;
анализ, изменений среднего уровня воды, обусловленных разрушением волн;
выявление закономерностей распределения скоростей прибрежных волновых течений;
определение скоростей продольного и поперечного перемещения наносов под действием разрушающихся волн и течений;
выяснение условий устойчивости подводного берегового склона по отношению к действующему волнению и определение формы профиля равновесия;
- разработка основ количественного прогноза эволюции про
филя и деформаций дна во время шторма.
Методика исследований. В качестве основного метода исследования автор избрал построение физических моделей изучаемых явлений. Экспериментальные данные служат главным образом для проверки и иллюстрации сделанных выводов. Собственный фактический материал автора основывается на полевых наблюдениях, выполненных в разные годы на различных участках побережья Черного моря (Анапа, Донуздав, Канчия). Значительные массивы данных получены в ходе международных натурных экспериментов ("Камчия-78, 79", "Шкорпиловци - 85, 86, 88"), проводившихся на исследовательской базе Болгарской Академии наук. Во время наблюдений осуществлялась регистрация параметров волн, скоростей течений, концентрации взвешенных накосов и деформаций профиля дна. Методика подобных исследований подробно описана автором и его коллегами (Сперанский, Леонтьев, 1979; Анциферов, Касьян, 1986; Леонтьев, Пыхов, 1988). В работе широко используются материалы наблюдений других исследователей, опубликованные в отечественной и зарубежной литературе (Зенкович, 1962; Айбулатов и др., 1966; ВоЙЦвХОВНЧ, 1986; (Battjes, Janssen, 1978; \їи et al., 1985; Thornton, Guza, 1986).
Дижный вклад автора. В основу работы положены исследования автора, проводивоиеся на протяжении последних полутора десятков дет и обобщенные в его монографии 1989 г. Теоретические разработки, определившие структуру и главные итоги данной работы, выполнены автором самостоятельно. Что касается натурных исследований, то автор принимал участие в их проведении, составлении их программ, в разработке методики, в обработке и анализе полученных материалов.
Главные научные результаты, выводы и рекомендации, изложенные в диссертации, принадлежат автору.
Научная новизна работы состоит в -следующем:
впервые в отечественной литературе проведены систематизация и обобщение результатов исследований динамики прибойной зоны, накопленных за последние два десятилетия;
построены физические модели диссипации энергии, позволяющие прогнозировать изменения среднего уровня и высоты регулярных и нерегулярных волн в условиях сложной морфологии дна;
предложен новый подход к оценке скоростей вдольберего-вого течения при нерегулярном волнении, в том числе в зоне под-
водных валов;
впервые дано физическое описание прибрежной горизонтальной циркуляции, индуцированной нерегулярными волнами;
разработана расчетная модель, определяющая относительный вклад влекомого и взвешенного ыатериала в общий расход наносов вдоль берега при нерегулярном волнении;
определены-условия равновесия подводного берегового склона во время шторма и установлены зависимости, позволяющие прогнозировать профиль равновесия для конкретных условий;
выполнен анализ-характерных природных профилей дна с точки зрения их соответствия условиям равновесия;
впервые построена количественная модель эволюции профиля дна в процессе воздействия нерегулярных волн на аккумулятивный берег.
Предметом защиты являются:
-
Количественные модели, отражающие трансформации поля высот волн, изменения среднего уровня, а также распределения скоростей прибрежных волновых течений и расходов наносов в прибойной зоне в условиях нерегулярного волнения.
-
Концепция формирования профиля дна при воздействии системы нерегулярных волн на песчаный аккумулятивный борег, включающая:
теорию профиля динамического равновесия;
теорию эволюции профиля подводного склона и деформаций дна во время шторма.
Практическое значение работа. Результаты исследований автора, позволяющие осуществлять расчеты различных динамических характеристик в прибойной зоне (высот волн, среднего уровня, скоростей течений и транспорта наносов), находят нирокое при-' менение при рвЕэнии прикладных задач, связанных с гидротехническим и рекреационным строительством, прокладкой подводных коммуникаций, определением оптимального расположения водозаборов и водосбросов, обеспечением условий навигации; решением вопросов экологии. Важное прикладное значение имеют выводы в отношении прогноза профиля динамического равновесия и штормовых деформаций дна, которые используются при разработке мероприятий по защите берегов и созданию искусственных пляжей.
Составленные по результатам работа рекомендации применяются в практике таких проектно-изыскательских организаций как Союзморниипроект MMS , Союзморинжгеология Мингазпром № '.
- б -
мальморгеология Иингео РФ ', ЩИИС Минтрансстрой РФ , Гипро-коымунхоз ШШХ РФ , Краснодарберегозащита, Грузберегозащита.
Апробация работы и публикации. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на I, II и III Всесоюзных съездах океанологов (Москва, 1977, Ялта, 1982, Москва, 1987): II и III Всесоюзных симпозиумах по литодинамике (Москва, 1981, 1985); ІУ Всесоюзной школе морской геологии (Геленджик, 1982); Симпозиумах Международных экспериментов стран-членов СЗВ (Болгария, 1978, 1979, 1985, 1986, 1988); Международной волновой школе (Варшава, 1988); на кафедре геоморфологии географического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова (1985)'; Щукинских чтениях МГУ (Москва, 1990).
По теме диссертации в СНГ и за рубежом опубликовано 40 работ, в том числе монография "Динамика прибойной зоны" (1989).
Структура- и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, восьми разделов, заключения, списка литературы (312 наименований). Объем работы - 304 страницы, в том числе 255 страниц текста, 5 таблиц, 49 рисунков.
Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю признательность доктору географических наук Н.А.Айбулатову, заведующему Лабораторией шельфа ИО РАН ', чья дружеская и деловая поддержка в значительной мере способствовали созданию данной работы.
Автор глубоко признателен своим коллегам, сотрудникам Инс
титута океанологии РАН Н.В.Пыхову, Н.С.Сперанскому, С.Ю.Куз
нецову, СМ.Анциферову, Э.Л.Онищенко за большую помощь
при проведении исследований в морских условиях и плодотворные
дискуссии по проблемам прибрежной динамики, а также сотрудникам
Института океанологии Болгарской академии наук В.Дачеву и Х.Ни-
кодову, вложившим много труда в организацию и обеспечение мор-
9Ш работ.
Существенная помощь при проведении расчетов на ЭВМ была оказана В.Ю.Дьяконовыы ( ИО РАН '). которому автор искренне благодарен.
