Введение к работе
Актуальность темы. Береговая зона морей, узкой полосой окаймляющая материки и острова, в первую очередь активно осваивалась человеком в процессе его хозяйственной деятельности. Здесь строились и строятся порта, волноломы, пирсы и другие гидротехнические сооружения, прорываются судоходные канат, возводятся буровые платформы, прокладываются трубопроводы, производится забор морской воды и выпуск в мере отработанных вод. Вмешиваясь в природные процессы, происходящие в береговой зоне, человек нарушает их естественный ход и это очень часто является причиной непредсказуемых катострофических последствий.
Сведения о закономерностях взвешивания осадков, распределения их по глубине и путях их переноса крайне важны для решения экологических задач, которые стали особенно, актуальными в последние годы. Эти знания необходимы для развития марикультур.
Береговая зона моря - это область, где происходит трансформация волновой знергии, область куда поступает и где перерабатывается основная часть твердых наносов суши. Часть' наносов остается в береговой зоне, формирует пляжи и подводный береговой склон. Другая часть поступает в глубокую часть моря,, формирует там осадочный чехол.
Изучению потоков вещества, в частности, в береговой зоне, уделяется большое внимание в международном проекте "Джиговс", одной из задач которого является определение расхода осадков, уходящих из береговой зоны в сторону открытого моря. Исследование движения наносов под воздействием волнения и течений -первоочередная и наиболее актуальная задача теоретической геоморфологии.
В мире накоплен значительный опыт в изучении береговой зоны. В исследованиях использовались различные приборы и методики, специфические для отдельных стран. Созданы расчетные методы расхода наносов, которые значительно отличаются друг от друга. Определение реальных возможностей существуидих расчетных методов, создание новых опт :мальных моделей и обоснование методики их применения необходимо для определения дальнейшей стратегии и тактики при изучении динамики морских берегов.
Береговая зона моря является своебразной собирающей линзой.
Все динамические процессы, наблюдаемые на больших глубинах.происходят здесь более интексишо. изучение их в береговой зоне моря - ключ к познанию динамики всего океана. Исследование одного из наиболее ваших процессов - движение наносов под действием гидрогенкых факторов береговой зоны моря - задача актуальная в научном и практическом отношении.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является установление общих закономерностей гидрогенных перемещений обломочного материала в береговой зоне моря и выведение конкретных расчетных рекомендаций на основе специально выполненных исследований, а также обобщение и анализ современных представлені./, о динамических процессах береговой зоны моря. Для этого были решены следующие задачи:
-
выполнен критический анализ теоретических представлений и существующих практических рекомендаций по расчету транспорта наносов в береговой зоне моря;
-
проведен анализ методов натурных исследований гидрогенных перемещений наносов в береговой зоне моря и разработаны некоторые конкретные измерительные схемы;
-
изучены закономерности распределения донных микроформ в береговой зоне моря и механического состава слагающих их осадков, сформулированы условия их образования и существования;
-
на основе результатов анализа существующих теоретических схем двухфазных потоков осуществлено построение уравнений, описывающих относительное распределение концентрации взвешенных наносов по глубине поступательного и волнового потоков;
-
предложена схема расчета абсолютных концентраций взвешенных наносов;
-
разработан метод расчета объемов наносов, перемещающихся вдоль берега в тем или каш направлении, позволяющий давать прогнозы аккумуляции или размыва отдельных участков береговой зоны моря;
7) по данным натурных наблюдений построена качественная
схема поперечного перемещения наносов вблизи зоны разрушения
волн во время шторма.
. Научная новизна работы заключается в ел едущем: Создана оригинальная методика наблюдения за движением взвешенных и донных наносов в штормовых условиях на обширной акватории береговой зоны моря. С помощью этой методики в международных экспериментах и во внутрисоюзных экспедициях проведены обширные исследования по динамике наносов на участках побережий Балтийского, Черного и Средиземного морей. Эти исследования охватывают все характерные по динамической актишости участки береговой зоны моря. Выполненные исследования позволили сформулировать обоснованные представления о формировании потоков наносов на прибрежной акватории и изменчивости этих потоков в ходе шторма. Дана характеристика поля средней за шторм концентрации и состава взвепенных наносов. Исследована изменчивость поля кон- центраши вдали от зоны разрушения волн, вблизи ее границ и в самой зоне. Установлены закономерности распределения песчаных микроформ дна и состава слагающих их осадков вдаль профиля подводного берегового склона при шторме. Предложен метод расчета профилей концентрации и размеров взвешенных твердых частиц в поступательном потоке, при воздействии на дно неразрушенных волн, а также в зоне разрушения волн. Полученные выражения дополнены эмпирическими формулами для определения концентрации на фиксированном горизонте, что позволяет рассчитывать распределение абсолютных концентраций взвешенного обломочного материала на значительных акваториях со сложным рельефом и произвольным гранулометрическим составом осадков дна.
На основе данных натурных наблюдений проверены существуго-'дие рекомендации по расчету параметров донных форм, а также закономерности их образования и исчезновения. Определены условия существования'микроформ дна, описан способ оценки параметров пассивных рифелей.
Разработанные модели элементарных процессов, дополненные специально отобранными из литературных источников, объединены в единую модельную схему расчета вдольберегового расхода наносов. Предлагаемый метод предусматривает возможность оперативно вносить изменения и дополнения в модулисхемы в соответствии с. изменяющимися природными условиями побережья и менять отдельные модули по мере увеличения наших знаний о физине элементарных
процессов, без изменения последовательности расчетов в схеме.
По данным подробных натурных наблюдений за деформациями рельефа подводного склона и изменениями состава осадков дна в течение шторма удалось построить качественную схему перемещения наносов поперек подводного профиля береговой зоны моря во время шторма.
В работе эащищаится:
-
Новое представление о целостной картине взвешивания и переноса обломочного материала в водной толще ог уреза до морской границы береговой зоны. При этом концентрация взвеси по глубине определяется как экспонента от функции, учитывающей все основные гидродинамические и литодинамические факторы береговой зоны.
-
Критерий существования донных микрофорл, записанный в виде уравнения эллипса и учитывающий крупность наносов, значения параметров поверхностных волн, донную шероховатость и др. факторы.
-
Физический метод прогнозирования расхода вдольбереговых потоков наноса, учитывающий батиметрические особенности дна, особенности штормов и их поверхности и др.факторы.
-
Методика изучения процессов переноса материала в береговой зоне моря, в состав которой включена система ноЕых,разра-ботанных автором или при его участии,, технических средств и методических приемов, позволяющая проводить количественный анализ всех основных, действующих в береговой зоне факторов.
Практическая ценность работы заключается в том, что разра ботанные под руководством и при участии автора методика и технические средства представляют широкие возможности для проведени исследований и изысканий на морских шельфах и во внутренних водо емах.
С помощью разработанной методики собран большой материал натурных наблюдений, не имеющий аналогов в мире. Результаты его анализа позволили углубить и расширить представления о лктодина-мическсм режиме береговой зоны морл, по-существу, поднять их на качественно новый уровень. Результаты исследований и выводы по закономерностям перемещения обломочного материала уже использо-
вались и могут оказаться весьма полезными для работ, связанных с защитой от заносимости морских портов и каналов, строительством гидротехнических сооружений, забора воды с небольшим количеством примеси для охлаждения атомных и тепловшс электростанций, морской добычи строительных материалов, для определения оптимальных трасс морских подходных каналов, прокладки трубопроводов, кабельных линий. Сюда же следует добавить важные рекреационные и санитарные аспекты использования прибрежной зоны. Для выработки технических решачий, связанных с проблемой размещения плантаций ыарикультур, также требуется информация о движении наносов. Переносимые водными потоками твердые частицы могут являться абсорбентами химического или радиационного загрязнения, поэтому исследование расхода и направлений перемещения наносов - важная задача экологии.
Предлагаемая в работе схема расчета расхода вдольберего-вого потока наносов может быть использована для определения потенциальных объемов транспортируемых осадков с любой обеспеченностью вдоль любого исследуемого участка побережья бесприливного моря. Она может быть использована также для' ориентировочного прогнозирования изменения подводного рельефа морского берегового склона и очертаний береговой линии, либо реконструирования прошедших их переформирований.
Внедрение результатов. Методика измерений распределения концентрации взвезенных наносов нашла широкое применение как у нас в стране так и за рубежом. Перечислить все случаи использования этой методики весьма затруднительно, можно лишь перечислить некоторые из организаций, внедривших ее при помощи автора з своих исследованиях. Это Союзморяиипроект, Теплоэлектропроект, КаспморНиипроект, Кубаяьгипроводхоэ, Черноморское устричное хозяйство, Лимнологический институт АН СССР, ИЕН АН СССР, УкрНИИ-госкомгидромет, Тянь-Шаньская высокогорная физико-географическая станция Киргизской АН, отделом географии Литовской АН, а также Институты Болгарской, Кубинской и Польской АН и т.д.
Описанные в работе выводы и расчетные формулы использовались Теплоэлектропроектом при составлении прогноза зависимости каналов забора охлаждающей воды из моря для Двухцелевой Атомной
электростанций и Опреснительного комплекса в Ливии; УкрНИИГос-комнидрометом при исследованиях перемещения радиоактивных осадков по реке Припять и Киевскому водохранилищу во время работ по ликвидации последствий аварии Чернобыльской АЭС; Производственным и научно-исследовательским институтом по инженерным изысканиям в строительстве Госстроя СССР при составлении "Руководства по методам исследований и расчетов перемещения наносов и динамики берегов при инженерных изысканиях" (1975); БНЛИВодгео при расчетах противооползневых мероприятий на побережье НРБ; Всесоюзным морским научно-производственным объединением инженерной геологии при проведении литодинамических работ на шельфе о.Сахалин; ГШН при построении численной модели Бургасского залива Черного моря; СоюзморНШпроектом при прогнозировании заносимос-ти подходного канала к порту БайяБланка (Аргентина); Центром экологических проектов при составлении проекта подходного канала к порту Нарьян-Мар; в учебных курсах ряда высших учебных заведений и т.д.
По разработанной методике выполнены расчеты потенциального вдольберегового расхода песчаных наносов на болгарском побережье от мыса Калиакра до мыса Емине, как на отдельных участках, так и по всему побережью в целом. Результаты расчетов переданы институту океанологии БАН, где они используются для разработки мероприятий по рациональному использованию и охране болгарского побережья.
По устному сообщению президента американской ассоциации по защите берегов (American Shore and Beach Preservation Association Орвилла Магуна ( о.Hagоon ) опубликованная ( Koa'yan, 1985 ) схема расчета вертикального распределения взвешенных под действием волн наносов широко используется в практике работ Ассоциации.
Материалы, исполу^зованные в работе и вклад автора.
Изучением движения наносов в береговой зоне моря автор занимается с 1968 года. Этим вопросам посвящены его дипломная работа, кандидатская диссертация, болілая часть последующих исследований и, наконец, настоящая работа.
Диссертационная работа построена по материалам выполненного автором теоретического анализа; по результатам лабораторных
исследований, вияолнекных при участии автора в 1968-1975 годах и почерпнутым из литературных источников; и, в основном, по результатам натурных наблюдений, осуществленных в пяти внутрисоюзных экспедициях; девяти международных экспериментах стран-членсв СЭВ в Польше, и Болгарии: "Любятово - 74, 76", "Камчия -77, 78, 79", "Шкорлиловцы - 82, 83, 85, 88"; во время специализированных прибрежных исследований у берегов Ливии и Кубы и на берегах озера Иссык-Куль. Некоторые наблюдения, нашедшие отражение в диссертации выполнены из подводной лаборатории "Черномор" в 1971, 72 годах. Кроме того, проделан анализ к обобщение опубликованных в литературных источниках результатов исследований процессов береговой зоны моря, выполненных гидротехниками, геологами, гидрологами, гидрсмеханиками, геоморфологами, литологами с целью решения частных задач.
Во внутрисоюзных экспедициях автор принимал участие в должности начальника отряда либо начальника экспедиции. В подводной лаборатории "Черномор" автор был акванавтом-исследователем. В международных экспериментах автор участвовал в качестве заместителя начальника интернационального отряда, начальника такого отряда, либо руководителя советской делегации. Он был членом научно-технических советов этих экспериментов. У берегов Ливии автор руководил работой группы советских специалистов, выполнявших ли-тодинамические исследования; он был начальником 18-го рейса НЙС "Витязь", проводившего исследования у берегов Кубы. Таким образом, автор имел право и возможность воспользоваться материалами натурных исследование для их обобщения и анализа.
Автор настоящей работы является одним из участников создания оригинального методического комплекса, позволившего выполнять наблюдения за гидрогенными перемещениями наносов во время штормов на большом участке акватории береговой зоны моря. За этот комплекс он в 1989 году награжден серебряной медалью ВДНХ. Он ссазтор методики и технических средств для натурных измерений концентрации и состава взве.екных наносов, орбитальных скоростей жидкости, штормовых параметров донных песчаных микроформ береговой зоны моря, экспресс-анализа гранулометрического состава осадков. Помянутые технические средства и методика их использования описаны в публикациях, новизна некоторых из них защищена авторскими свидетельствами. Автор является членом Меяздународной ра-
бочзй группы по разработке методики лито- и гидродинамических исследований в береговой зоне моря, Председателем группы "Лкто-динамика океана" в Комиссии по проблемам Мирового океана Президиума АН СССР, членом Океанографического комитета Советского Союза и, таким образом, участвует в разработке технической политики нашей страны в области морских исследований.
Настоящая диссертация является обобщением современных сведений о гидрогенных перемещениях наносов в береговой зоне моря, причем заметная часть их разработана самим автором.
Апробация диссертации. Основные результаты исследований по теме диссертационной работы систематически излагались и представлялись на международных и всесоюзных съездах, конференциях, симпозиумах, совещаниях и семинарах, начиная с 1969 года, в том числе: на конференции молодых ученых ліїУ по проблемам Мирового океана (Москва, 1969); всесоюзном совещании по методике, технике и результатам морских инженерно-геологических и морских исследований (Ялта, 1973); всесоюзной конференции по проблемам изучения и освоения шельфа (Ленинград, 1974); совещании МОЛЛ по теме "Механическая дифференциация твердого вещества на континенте и шельфе" (москва, 1975); международном симпозиуме "Любятово-74" (Гданьск, ПНР, 1975); международном рабочем совещании по ли-тодшамике представителей стран-членов СЭВ (Москва, 1976); международном научном семинаре по теме "Береговая зона бесприливных морей" (Гданьск, ПНР, 1976); У всесоюзном совещании по россыпям полезных ископаемых (Рига, 1977); І, П Всесоюзных симпозиумах по литодинамике океача (Москва, 1977, 1981); международном совещании по теме "Теоретические и экспериментальные исследования взаимодействия турбулентного пограничного слоя атмосферы с волнами" (Варна, НРБ, 1977); 1-м и Ш-м съездах океанологов (Москва, 1977; Ленинград, IS87); международных научных семинарах по теме "Взаимодействие атмосферы, гидросферы и литосферы в прибрежной зоне моря" (Шкорпиловцы, НРБ, 1977, 1978, 1979, 1985, 1986); Междуна-родном симпозиуме "Любятово-76" (Гданьск, ПНР, 1978); ХГУ научной конференции Секции морских Cv.-roB Океанографической комиссии (Сочи, 1978); семинарах рабочей группы по литодинамике Океана Комиссии по проблемам Мирового океана АН СССР (Москва, 1979; Ленинград, 1982; Измаил, 1979; Москва, 1982; Тбилиси, 1983; Еен?-спилс, 1983; Сочи, 1984); Меж ународноы симпозиуме "Камчия-77"
(Варна, іЧРБ, 1979); Международном совещании по методике измерения изменчивости взнесенных наносов (Москва, 1979); Международном симпозиуме "Камчия-78" (Варт, НРБ,-1980); ІУ Всесоюзной школе по морской геологии (Геленджик, 1980); Международном симпозиуме по теме "Изучение геологической истории и процессов современного осадкообразования Черного и Балтийского морей" (Киев, 1983); Всесоюзном совещании по проблемам изучения, охраны и рационального использования водных ресурсов (Москва, . 1983); 1-й Всесоюзной тихоокеанской школе по морской геологии и геофизике (Владивосток, 1983); Всесоюзной конференции "Прогрессивные методы в проектировании и строительстве берегозащитных сооружений" (Сочи, 1984); Всесоюзной конференции "Динамика и термшса рек и водохранилищ" (Москва, 1984); УІ Всесоюзном лимнологическом совещании (Иркутск, 1985); Всесоюзной конференции по теме "Пробле-. мы и методы исследовании динамики береговой зоны внутренних водоемов (Фрунзе, 1987); the International Symposium "Mechanics of Sediment Transport in Pluvial and I.Iarins Environments. Euromech 215" (Genova, Italy, 1987); the International Symposium on the Coastal Zone with specoal reference to the Coastal Zone of. (Beijing, China, 1988); I.Iiedzynarodoive Seminarium "Polowanie powierzchniowe oraz cyrkulncja wod \v brsegowej ctrefie топа. Teoria і eksperiment, ( v/arsaw, 1988 ); конференции "Итоги и перспективы физико-географических исследований в Киргизии" (Фрунзе, IS88); Международном совещании по теме "Минералки и рек-реациснни ресурси на Българского Черноморско крайбреже" (Варна, НРБ, 1983); научно-практической конференции по проблемам экологии Геленджикской бухты (Геленджик, 1968); Международном совещании по теме "Потоки осадочного материала и закономерности формирования пельфовых и глубоководных отложений Черного и Балтийского морей" (Геленджик, 1988); Всесоюзной щкоде по океанологической технике (Геленджик, 1969); the Sixth Symposium on Coastal and Ocean Management "Coastal Zone S9" (Charleston, South Carolina, USA, 1989); Международном семинаре "Помсрис-90" (Бургас, НРБ, 1990); Международной конференции "Современные проблемы берегоукрепительной гидротехники в условиях Болгарского
Черноморского побережья" (Варна, НРБ, 1990). The second'сопзгевз on narine sciences ( Ьа НаЪапа, Cuba, 1990).
Отдельные этапы работы неоднократно докладывались на коллоквиумах лаборатории лктодинамики и лаборатория шельфа ИОАН СССР, на коллоквиумах гидрофизической лабораторій и лаборатории литодинамики береговой зоны моря DO ИОАН СССР, на заседаниях НТС DO ИОАН СССР (Москва, Геленджик, 1973-1989).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 93 научных работы, среди них 3 монографии, 30 опубликованных работ написано лично. Традцать три работы опубликованы ja рубежом в Болгарии, Голландии, Италии, Китае, Кубе, Полызе, США. Имеется два авторских свидетельства. Работа автора "Движение взвешенных наносов в верхней части шельфа" в I960 голу отмечена премией Ленинского комсомола в области науки.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из 7 глав, введения и заключения, изложенных на 312 страницах машинописного текста и сопровождается 94 рисунками, 24 таблицами на 30 страницах. Список литературы включает 326 наименований.
Работа выполнена в Южном отделении Института океанологии им.П.П.Ширшова АН СССР. Создание настоящей работы оказалось возможным благодаря исследованиям, в выполнение которых много сзое-го труда вложили сотрудники Института океанологии АН СССР СМ. Аниыферов, Н.В.Пыхов. Благодаря совместным с ними исследования:.: автору удалось опубликовать большинстве из цитированных в диссертации работ по методике и результатам изучения движения взвешенных наносов. Большую помощь при проведении морских работ оказали Т.Басиньски, В.Дачев, С.А.Ефремов, СКеремитчиев, А.Д.Кочергин, О.Л.Кузнецов, О.А.Куприков, И.О.Леонтьев, Г.Г.Мияеев, Х.Николов, Э.Л.Онищенко, В.И.Пахомов, Н.С.Сперанский, А.П.Филиппов.Оформить диссертацию помогли М.Т.Антоненко, Е.И.Бирина, В.Г.Кондратская, Т.М.Подымова я О.Ю.Потапенко. Множество полезных советов, способствовавших написанию работы, аг-гэр получил от своих коллег Н.А.Айбулатова и Н.В.Есина. Постоянную поддержку выполняемым исследованиям оказывали профессор А.А.Аксенов и директор Института океанологии БАН З.Белберов. Считаю приятным долгой выразить им всем искрению благодарность. Автор хочет отметить, что изучение
гидрогенных перемещений наносов он начинал под руководством профессора В.В.Лонгкнова. Его неизменную поддержку и внимание автор неизменно получал и в дальнейшем, на всех этапах исследований. Светлая память о Владимире Витальевиче Лонгинове сохранится в сердце автора навсегда.
