Введение к работе
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 буи 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; 6) 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-ТбилисиД976; 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,Barselona,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.
Похожие диссертации на Галечные пляжи неприливных морей (вопросы теории и практики)
