Процессы движения песчаных осадков в береговой зоне моря

В истории изучения Мирового океана исследованию его береговой зоны, как области наибольшей концентрации интересов человечества, всегда отводилась важная роль. За последнее время по целому ряду объективных причин, в том числе, таких как более глубокое понимание роли береговой зоны в динамике океана, понимание перспектив освоения и необходимости сохранения этой наиболее уязвимой части океана и снижение военного противостояния интерес исследователей заметно сместился от глубоководной зоны океана к его прибрежной части. Практически во всех приморских странах исследование береговой зоны стало приоритетным направлением в изучении океана.

По-видимому, началом научного исследования динамики береговой зоны следует считать работы, инициированные интересами портостроения и судоходства, появившиеся в эпоху позднего Возрождения (см. Лонгинов, 1959). По сведениям из того же источника в это время осуществлялся не только анализ природных явлений, но и попытки модельных исследований. А приоритет в постановке лабораторных исследований волнения и деформации дна принадлежит, по-видимому, Леонардо да Винчи. Он же указывал на существования вдольберегового потока наносов и возможность заносимости портовых сооружений.

Начало отечественных систематических исследований береговой зоны связано с именами выдающихся гидротехников М. Н. Герсеванова и В. Е. Тимонова (там же). Во второй половине XIX в России появляется первый курс лекций М. Н. Герсеванова по морским сооружениям, включающий сведения по динамике прибрежной зоны. И, судя по результатам цитированного уже исторического исследования В. В. Лонгинова (1959), в это время русская гидротехническая мысль, несмотря на отсутствие оригинальных исследований, находилась на уровне западноевропейской и использовала все те представления и гипотезы, касающиеся динамических процессов в береговой зоне, которые можно было считать вполне достоверными.

Образование современной отечественной береговой школы связано с именами В. П. Зенковича и В. В. Лонгинова. Справедливо считающийся ее основателем советской школы «береговиков» В. П. Зенкович, сразу после войны организовал и возглавил работы по систематическому изучению берегов Мирового океана в ведущем научном учреждении СССР — Институте океанологии. Появление его монографии «Динамика и морфология морских берегов» в 1946 г. было первым глубоким отечественным обобщением и анализом состояния проблемы. Вышедшая уже в 1962 г. его же книга «Основы учения о развитии морских берегов» была уже воспринята как признание значительных успехов этой школы и сразу же переиздана на английском языке. Из этого направления выделилась в самостоятельную отрасль знаний динамика прибрежной зоны моря, включающую и задачи динамики наносов. Определение круга задач, последовательный, глубокий и детальный анализ достижений в этом направлении были сделаны в вышедшей в 1963 монографии В. В. Лонгинова «Динамика береговой зоны бесприливных морей», которая и до сих пор остается настольной книгой специалистов. По существу, именно в этой книге содержится наиболее четкая постановка задачи разработки количественных методов прогноза динамических процессов прибрежной зоны .

Очевидно, что для эффективного использования и сохранения этой части океана необходимы широкомасштабные комплексные исследования. Общие интересы приморских стран в изучении, освоении и охране моря объективно приводят к необходимости интегрирования усилий по изучению береговой зоны. И для отечественной науки весьма продуктивным был период с 1974 по 1988 гг., когда усилия целого ряда научных учреждений стран-членов СЭВ были объединены долгосрочной программой «Мировой океан». Тогда были проведены несколько крупных комплексных прибрежных экспериментов, задачи и техническое оснащение их тщательно прорабатывались, и итоги их оказались значительными. Они изложены в нескольких международных сборниках 1 и монографиях2, а также в ряде статей. Анализ их результатов, касающихся вопросов динамики наносов дается и в настоящей работе.

По существу и в этой и в других международных программах, направленных на исследование прибрежной зоны признавалась первоочередная значимость изучения динамических процессов: помимо самостоятельной значимости они являются фундаментальной базой для изучения физических, химических, биологических и геологических процессов. Здесь уместно привести цитату из упомянутой монографии В. В. Лонгинова: «Движение воды и твердого вещества в береговой зоне играют огромную роль в общем балансе энергии и вещества нашей планеты. В энергетическом балансе земли береговая зона мирового океана — один из наиболее мощных гасителей энергии, передаваемой океану из атмосферы. Таким образом, процессы динамики береговой зоны должны входить важнейшим элементом в расходную часть баланса солнечной энергии на нашей планете.».

Поясним теперь термины, которыми будем пользоваться в тексте. Термин «береговая зона» будем относить к динамическим понятиям, и определять его как зону активного воздействия волн и течений на дно. Морская граница береговой зоны, устанавливаемая по началу движения донного материала, будет меняться и от шторма к шторму и в ходе шторма. Тогда, когда основным фактором воздействия является волнение, внутри береговой зоны выделяются две части — внешнюю и внутреннюю зоны, отличающиеся интенсивностью динамических процессов. Границей между ними будет начало разрушения волн. Естественно диссипация волновой энергии во внутренней, называемой также прибойной зоной значительно выше. Здесь возникают и течения волнового генезиса, которые отчасти проникают и во внешнюю зону, другие вторичные движения воды. Схематическое деление береговой зоны бесприливного моря на характерные участки дано на рис. 1.

Прибрежная зона", называемая иногда верхней частью шельфа — понятие морфологическое. То, что активные динамические процессы накладывают определенный отпечаток на дно, позволяет определить прибрежную зону как область, сохраняющую морфологические черты, характерные для береговой зоны (малые глубины, большие уклоны дна, переход дна в поверхность суши).

Особенности и трансформация гидродинамических процессов в прибрежной зоне бесприливного моря. Результаты международного эксперимента «Любятово-74». Мог. Inst. Ryb. Raporti, 1977. R, N 2. Gdynia. Береговые процессы бесприливного моря. Результаты международного эксперимента «Любятово-76» Prace Institute Budownictwa Wodnego PAN, 1978, N.5, Gdansk.

Три сборника под общим названием «Взаимодействие атмосферы гидросферы и литосферы в прибрежной зоне моря. Результаты международного эксперимента «Камчия-77» / -78 /-79. София, Изд. Болг.АН. 1980/ 1982/ 1983.

2 Анцыферов С. М., Косьян Р. Д. Взвешенные наносы в верхней части шельфа. М.: Наука. 1986.

Косьян Р.Д., Пыхов Н. В. Гидрогенные перемещения осадков в береговой зоне моря. М.: Наука. 1991. Dynamical Processes in Coastal Regions. Results of the Kamchiya Intern. Project (Editoral Board: Antsyferov S.M., Belberov Z.K., Massel S.) Sofia.: Pabl. House of the Bulgarian Acad. Sei. 1990.

Припайная зона (нерегулярные Волны) |.

Внешняя часть ¿-ереговой зоны 1 Зона |.

-" ->1<То У я заплеска.

Зона деформации Волн I ЬЛ™*г^Ушвни Прибойная зона г*-^.

— 1——I (регулярные волны) «.

Рис. 1 .Схематическое деление береговой зоны бесприливного моря (Нопкау/а, 1988).

Морская граница прибрежной зоны по существу совпадает с границей береговой зоны для наиболее сильных штормов. Мы будем придерживаться этой позиции, но отметим, что существует и другое определение прибрежной зоны, которым часто пользуются западные специалисты. С их точки зрения морская граница прибрежной зоны совпадает с кромкой континентального склона, она, естественно, испытывает заметное влияние основной глубоководной части океана.

Береговая зона является пограничной областью, и это определяет ее особую роль в динамике океана. Прежде всего, это связано с огромной диссипацией энергии, поступающей сюда из-за пределов морской границы зоны. Вобрав в себя гигантскую энергию ветров на всем громадном пути разгона, волны расходуют ее в основном в этой зоне, и значительная часть энергии тратится на процессы перемещения твердого материала. На это же в мелководной зоне расходуется и существенная часть огромной энергии прилива.

Следствием диссипации энергии является возникновение целого ряда специфических и интенсивных динамических процессов. Здесь развиваются сильные и очень изменчивые течения, образуются сложные системы интенсивного водообмена, формируются и перемещаются подводные валы, взвешиваются и переносятся громадные массы осадков, происходит переформирование берегов и т. д. Причем протекают они комплексно, а отдельные процессы включаются в этот комплекс в самых разных комбинациях. При этом часто оказывается, что процессы эти являются взаимосвязанными. Так, например, формирование микрорельефа дна сопровождается изменением кинематической структуры придонной области, что в свою очередь, приводит к изменениям, как рельефа, так и поля взвеси.

Влияние со стороны другой, береговой границы сказывается в том, что в прибрежную зону с суши на многих участках впадают речные воды, еще более усложняя механику воздействия на дно и берега. Вместе со стоком рек сюда непрерывно поступает обломочный материал. Другими источниками поступления твердого материала являются абразия берегов, бенча, эоловые и ледовые процессы, биогенная и химическая седиментация. Состав материала, поступающего в прибрежную зону, очень пестр и заметно меняется по участкам и по сезонам. В этой зоне он по существу перерабатывается, в результате чего частицы либо захораниваются здесь, либо выносятся в другие зоны океана. Таким образом, прибрежная зона служит своеобразным фильтром на пути твердого материала к океанским глубинам.

В результате такого разнообразия условий в береговой зоне встречаются почти все динамические процессы, которые можно встретить и в других частях океана. Причем протекают они здесь значительно интенсивнее, чем на больших глубинах и оказываются доступнее для наблюдения. По этой причине прибрежная зона представляет собой своеобразную лабораторию для изучения Мирового океана.

Другим следствием активности береговой зоны является то, что здесь наиболее концентрировано, чем в других областях океана представлены основные минеральные, строительные и пищевые ресурсы океана, и их добыча также оказываются доступнее. Уже давно прибрежная зона стала областью интенсивной экономической экспансии, темпы которой заметно растут и, очевидно, будут продолжать расти в обозримом будущем. И по-видимому, надолго, если не навсегда, эта зона для человека останется экономически наиболее важной частью океана.

Кроме этого прибрежная зона часто несет интенсивную рекреационную нагрузку, а для густонаселенных прибрежных районов выполняет еще задачи санирования.

Все это уже привело к тому, что антропогенный фактор воздействия играет все более важную роль в динамике береговой зоны. А поскольку эта зона является и наиболее уязвимой частью океана, то сейчас являются крайне важной проблема ее сохранения. И за последнее время в общественном мнении заметно выросло понимание того, что значимые изменения условий «жизни» береговой зоны приведут к не менее существенным изменениям жизни всего человечества. Очевидно, что и в будущем эта проблема будет стоять не менее остро.

Таким образом, и жизнедеятельность и жизнеобеспечение и интересы национальной безопасности связаны с процессами берговой зоны больше, чем с таковыми в открытом океане. Все эти проблемы требуют умения строить как отдаленный (на годы и десятилетия) прогноз развитие береговой зоны, так и прогноз сравнительно короткопериодных изменений. Среди этих последних особенно важны штормовые (изменения за шторм в целом и в ходе шторма). И в кругу динамических процессов прибрежной зоны важное место занимают процессы динамики наносов, изучению которых и посвящена настоящая работа.

Проблеме динамики наносов береговой зоны посвящено множество публикаций, среди которых имеются глубокие обобщающие исследования. Помимо упоминавшейся уже работ, здесь нужно выделить еще одну монографию В. В. Лонгинова (1973), а также книги П. Нильсена (Nielsen, 1979, 1992), К. Хорикава (Horikawa, 1988), Й. Фредсё и Р. Дейгаарта (Freds<|)e, Deigaart, 1992), Л. Ван Рийна (Van Rijn, 1993). К ним примыкают работы, в которых рассматриваются отдельные задачи динамики наносов прибрежной зоны (Айбулатов, 1966, 1990; Аксенов, 1972, 1995;.Леонтьев, 1989;.Дебольский и др., 1994; Сафьянов, 1978, 1996 и многие другие). Все эти работы, безусловно, сыграли важную роль в развитии представлений о берговой зоне моря. Однако накопление новых знаний и экспериментальных данных, особенно обширного ряда данных о взаимодействии потока с наносами в штормовых и других экстремальных ситуациях, позволяет заново рассмотреть эту традиционную проблему, выделив в ней ряд принципиальных задач. К этому же побуждает возможность использования новых результатов, полученных в областях знаний, интересы которых перекрываются с таковым интересующей нас проблемы3.

Мы будем рассматривать здесь круг основных задач динамики песчаных и крупноалевритовых частиц (категория несвязных материалов) в широком диапазоне условий взаимодействия потока с размываемым дном. Выбор объекта исследований связан, во-первых, с тем, что, несмотря на определенную широтную зональность, выражающуюся в преобладании типов осадков в зависимости от климата, песчаные осадки составляют значительную часть на всех широтах (Hayes, 1967). Это и аллювий, и материал абразии рыхлых толщ, и результат интенсивного истирания и дробления крупных обломков, в том числе гальки. Во-вторых, песчаные наносы обладают не только подвижностью, но и сильной устойчивостью к истиранию, что существенно для постановки натурных экспериментов. Наконец, в-третьих, некоторые результаты и методологию исследований динамики песчаных частиц можно распространить и на другие осадки. И в настоящей работе по ходу решения выдвигаемых задач будут рассмотрены некоторые вопросы о движении более мелких частиц.

В круг наиболее важных для геофизического и геоэкологического прогноза задач о движении несвязных наносов в берегогвой зоне моря, очевидно, входят задачи о начале движения донного материала, о формировании донного рельефа, о подъеме наносов со дна и интенсивном перемещении их потоком. По существу эти задачи являются взаимосвязанными. То есть, с началом движения донного материала становится возможным и образование форм донного рельефа. Развитие рельефа может продолжаться и при появлении взвеси, более того, появление донных форм будет существенно влиять на поле взвеси. Эта ситуация вынуждает настороженно отнестись к результатам анализов, выполнявшихся в рамках традиционного подхода, априорно постулирующего возможность изучения каждого процесса независимо от других. Вопрос об адекватности такого анализа природным явлениям в каждом случае должен тщательно рассматриваться.

Столь сложные условия определенным образом ограничивают и возможности использования результатов теоретического анализа. До того уровня надежности количественных связей, учитывающих набор существенно влияющих аргументов, который необходим для геофизического прогноза, эти задачи не могут быть решены без привлечения экспериментальных данных. И ввиду многообразия условий массив таких данных должен быть весьма обширным. Наибольшую ценность в нем будут представлять данные наблюдений в экстремальных ситуациях, т. е. в условиях штормов или при действии интенсивных течений. При этом одной из задач натурного эксперимента останется разделение влияющих факторов на аргументы первого и второго порядка значимости, что, собственно, и является основой для построения адекватных моделей.

Все это, плюс жесткие условия работы в штормовых ситуациях предъявляет высокие требования к методике наблюдений, особенно натурных, из числа которых наиболее важны и интересны те, что выполняются в штормовых условиях. Высокие методические требования предъявляются и к физическому моделированию, в котором задачи корректного воспроизведения процессов транспорта наносов оказываются сложнее, чем гидродинамических процессов. Таким образом, задача разработки и физического обоснования методики исследования литодинамических процессов также становится одной из важнейших для настоящей работы.

3 Ссылки на привлеченные работы такого рода будут даваться при анализе конкретных задач.

Во всем этом комплексе можно выделить определенный ряд более узких задач.

Во-первых, это задачи методики литодинамических исследований:

1. Разработка информативной и экономичной методики измерения распределения средних величин концентрации и статистических характеристик состава взвешенных наносов, способной надежно работать в жестких штормовых условия береговой зоны, в условиях отсутствия видимости в воде, наличия разного рода загрязнений, при изменении химического состава воды. Методика должна позволять собирать детальную информацию о распределении взвешенных наносов в наиболее насыщенной придонной толще, по обширной акватории в диапазонах изменения: концентрации — несколько порядков, размеров частиц — в несколько раз.

2. Разработка метода воспроизведения в лабораторных условиях стационарного взвесенесущего потока, насыщенного разнородными частицами, и методики измерения литодинамических характеристик такого потока.

3. Проведение методической оценки данных наблюдений по изучению микроформам дна в натурных условиях с точки зрения соответствия их характеристик тому гидродинамическому режиму, которому приписывается их формирование.

А во-вторых, уже собственно задачи динамики песчаных наносов:

1. Выявление, на основе анализа состояния изученности проблемы начала движения твердых частиц под воздействием потока, пробелов в представлениях о механике трогания твердых частиц на подвижном дне, оценка возможности использования существующих рекомендаций по установлению условий трогания для решения задач геофизического прогноза и оценка надежности этих рекомендаций. Заполнение некоторых из этих пробелов, выбор решений пригодных для задач геофизического и прогноза и определение путей дальнейших исследований стадии начала развития дна.

2. Разработка и обоснование представления о механизме образования и развития микроформ рельефа дна. Выбор наиболее надежной методики определения условия существования донных форм, образованных течением и методики расчета их параметров.

3. Установление границы области существования наиболее распространенных в береговой зоне микроформ — рифелей, сформированных неразрушенными волнами, разработка метода прогноза их параметров.

4. Разработка модели расчета параметров рифелей, сформированных совместным действием волн и попутного течения.

5. Обсуждение возможность построения палеодинамических реконструкций по сохранившимся «послештормовым» данным о форме дна.

6. Анализ состояния исследований по проблеме движения стационарного взвесенесущего потока и особенностей формирования взвесенесущего потока в сложных и разнообразных условиях прибрежной зоны. Обоснование по итогам анализа выбора теоретической базы для построения моделей, пригодных для задач прогноза на акватории прибрежной зоны, и выявление факторов, не включенные в теоретические решения, но существенных для реальных условий.

7. Разработка, с учетом перечисленных выше факторов, моделей распределения концентрации и статистических характеристик состава наносов, взвешенных со дна действием стационарного и приливного течений, неразрушенных волн, а также совместным действием волн и течений. При этом, кроме прочего, должно быть учтено, что состав донного материала может быть неоднороден и, в зависимости от гидродинамической ситуации, дно может оставаться плоским, либо на нем могут образовываться (а также и стираться) формы донного рельефа.

Решение всего этого комплекса задач и является целью настоящей работы.

Этим комплексом не исчерпываются все задачи динамики наносов прибрежной зоны, но определенно он является стержневым для этой отрасли знаний и для литодинамического прогноза в прибрежной зоне моря, что и определяет его актуальность. По сути дела, актуальность этого комплекса или большинства его задач всегда была очевидна, поэтому ни одна из них в отдельности не является новой, более того, большую часть их можно назвать традиционными. И новизна настоящей работы заключается лишь в ином уровне их постановки и решения, при которых некоторые из них рассматривались как взаимосвязанные и взаимозависимые, а видимая простота технических решений — итог направленной и детальной методической проработки.

Сложность и дороговизна мероприятий по освоению и защите прибрежной зоны обусловливают очень высокую эффективность научных исследований, на базе которых осуществляется геофизический прогноз для этой части океана. Поэтому результатам работ, которым удается заслужить доверие практиков, обеспечено широкое внедрение.

Перечислить все случаи использования результатов настоящей работы теперь уже затруднительно, упомянем лишь некоторые. Методические результаты настоящей работы использованы при постановке натурных наблюдений для изучения особенностей динамики прибрежных участков и для изысканий под крупные объекты гидротехнического строительства на Черном, Каспийском, Балтийском, Белом, Охотском, Карском Средиземном, Красном, Карибском, Японском морях, на побережье Западной и Восточной Атлантики. Для тех же целей она использовалась на озерах Байкал и Иссык-Куль, на р. Волге, на ряде водохранилищ. Они применялась при исследовании перемещения радиоактивных осадков по реке Припять и по каскаду Днепровских водохранилищ после аварии на Чернобыльской АЭС (см. также схему рис. 3.39).

Построенные модели литодинамических процессов использованы для разработки геофизических и геоэкологических прогнозов, связанных со строительством и эксплуатацией многих гидротехнических объектов. Среди них 100-км подходной канал к порту Байя-Бланка (Аргентина), подходной канал к порту Варна, газаконденсатные месторождения «Приразломное» и «Штокмановское», нефтепроводная система КТК, магистральный газопровод Ямал-Запад (переход через Байдарацкую губу), морские сооружений ТЭС «Аюн Муса» (Египет), реконструируемые порты Ейск и Темрюк, проектируемый порт в оз. Соленое (Черное море) и др.

Из числа проектных и изыскательских организаций, использовавших результаты автора можно упомянуть РАО Газпром, Каспийский трубопроводный консорциум (КТК),.

ВМНПО Союзморинжгеология, Союзморниипроект и его филиалы Ленморниипроект и Каспморниипроект, Теплоэлектропроект, Гипроречтранс, Укргипрокоммунхоз и др.

Некоторые результаты вошли в учебные курсы (Сафьянов, 1996; Смирнов, 1987) и технические и методические рекомендации (Руководставо по методам исследований., 1975; Технически отчет. ИМИО БАН, 1981; Инженерно-гидрометеорологические изыскания., 1993). По результатам исследований автор читал специальный курс лекций для объединенной группы вьетнамских специалистов Центра морской и речной динамики, Института механики и Ханойского университета, а также спецкурс для студентов Географического ф-та МГУ.

Материалы, использованные в работе и вклад автора.

Диссертационная работа построена по материалам выполненного автором и с участием автора теоретического анализа, лабораторных исследований, проведенных в лабораториях МИИТ, МГУ, Черноморского отделения ЦНИИС, Сочинской волноисследовательской станции Союзморниипроекта, натурных наблюдений, выполненных в ряде экспедиций на территории бывшего СССР (Анапа, Донузлав, Иссык-Куль, р. Волга), в нескольких международных экспериментах на территории Польши («Любятово-74» и «Любятово-76») и Болгарии («Камчия-78»), в полуторогодовом цикле наблюдений в заливе Байя-Бланка (Аргентина).

В работе использованы также материалы международных экспериментов «Камчия-77» и «Камчия-79», а также международных экспериментов «Шкорпиловцы» 1982;85 гг. Кроме того, привлечены многие опубликованные данные натурных наблюдений, среди которых наиболее важны материалы П. Нильсена (побережье Австралии) и Р. Д. Косьяна (побережье Средиземного моря, Ливия).

В лабораторных и натурных исследованиях автору принадлежала постановка задачи экспериментов по динамике наносов. При этом в большинстве случаев автору отводилось роль руководителя отряда (в том числе, и международного отряда) и руководителя группы советских специалистов. Руководство отрядом не завершалось с окончанием полевых работ, а включало и период анализа и подготовки публикаций. Автор входил в состав редколлегии международных сборников, посвященных итогам экспериментов «Любятово» и «Камчия», а также монографии «Dynamical Processes in Coastal Regions. Results of the Kamchiya International Project» (1990), обобщающей эти и другие результаты.

В период совместных работ академических институтов и других научных учреждений стран-членов СЭВ по программе «Мировой океан» автор был избран руководителем международной рабочей группы «Методика литои гидродинамических исследований» и имел возможность в значительной степени определять стратегию этой деятельности.

Следует отметить, что весьма существенный вклад в разработку методики натурных исследований динамики береговой зоны внесен совместными работами академических институтов стран-членов СЭВ, более десяти лет сотрудничавших в рамках программы «Мировой океан». В этот период автор был избран руководителем международной рабочей группы «Методика литои гидродинамических исследований» и имел возможность в значительной степени определять стратегию этой деятельности.

Вместе с тем, ведущую роль в исследованиях по программе «Мировой океан» выполняла российская сторона, и автор, будучи в то же время зам. председателя Рабочей группы «Литодинамика океана» Комиссии по проблемам Мирового океана АН СССР, имел определенную возможность координировать научную политику отечественных и международных исследовательских групп.

Апробация итогов исследований по теме диссертационной работы осуществлялась путем систематического представления результатов на всесоюзные, всероссийские, международные совещания, начиная с 1968 г. В их числе:

Вторая межвузовская конференция «Движение наносов и гидравлический транспорт» (Москва, 1968),.

XII научная конференция по изучению морских берегов (Паланга-Нида, 1971), Всесоюзное совещание по методике технике и результатам морских инженерно-геологических и морских исследований (Ялта, 1973),.

Совещание МОИП по теме «Механическая дифференциация твердого вещества на континентальном шельфе» (Москва, 1975),.

Международный симпозиум «Любятово-74» (Гданьск, Польша, 1975), Международное рабочее совещание по литодинамике представителей стран-членов СЭВ (Москва, 1976),.

Международный научный семинар «Береговая зона бесприливных морей» (Гданьск, Польша, 1976),.

I, II и III всесоюзные симпозиумы по литодинамике океана (Москва, 1977, 1979, 1981), I, II и III съезды советских океанологов (Москва, 1977; Ялта, 1982, Ленинград, 1987), XIV научная конференция Секции морских берегов Океанографической комиссии АН СССР (Сочи, 1978),.

Международный научный семинар «Взаимодействие атмосферы, гидросферы и литосферы в прибрежной зоне моря» (Варна, Болгария, 1979),.

Международное совещание по методике измерения изменчивости взвешенных наносов (Москва, 1979),.

Семинары и совещания рабочей группы «Литодинамика океана» Комиссии по проблемам Мирового океана АН СССР (Москва, 1979;. Измаил, 1980; Ленинград, 1981; Москва, 1982; Тбилиси, 1983; Вентспилс, 1983; Сочи, 1984), Всесоюзное лимнологическое совещание (Иркутск, 1985),.

Заседания Совеа Уполномоченных и Научно-технического совета стран-членов СЭВ по проблеме «Мировой океан» (Варна, 1980; Новороссийск, 1983; Киев, 1986),.

The International Symposium «Mechanics of Sediment Transport in Fluvial and Marine Enviroments. Euromech 215. (Genova, Italy, 1987),.

The International Symposium on the Coastal Zone with Special Reference to the Coastal Zone of China (Beijin, China, 1988),.

International Maritime Association of Mediterranean (IMAM). VIth IMAM'93 (Varna), IV всесоюзная конференция «Динамика и термика рек и водохранилищ» (Москва, 1994),.

International Conference of Coastal Dynamics' 95 (Barcelona, Spain, 1994), Fourth International Conference on Coastal and Port Engineering in Developing Countries (COPEDEC IV) (Rio de Janeiro, Brasil, 1995),.

International Conference of Coastal Dynamics' 94 (Gdansk, Poland, 1995), International Conference «Dynamics of Ocean and Atmosphere (Moscow, 1995), International Conference on Coastal Change BORDOMER'95 (Bordeaux, France, 1995), Первая Всероссийская конференция «Взаимодействие в системе литосфера-гидросфера-атмосфера» (Москва, 1996),.

Вторая Всероссийская научная конференция по физической экологии (Москва, 1999).

International Conference Oceanography of the Eastern Mediterranean and Black Sea (Athens, 1999).

Fifth International Conference on Coastal and Port Engineering in Developing Countries (COPEDEC V) (Cape Town, 1999).

По результатам работы опубликовано около сотни статей в отечественных, и международных изданиях, а также три монографии, одна из них на английском языке.

Защищаемые положения.

Итогом работы является создание методического комплекса для наблюдений за литодинамическими процессами в натурных и лабораторных условиях, разработка представлений о процессах взаимодействия потока с песчаными частицами в диапазоне от начала трогания до интенсивного взвешивания частиц, а также пакета моделей, позволяющих давать количественную оценку итогов этого взаимодействия.

1. Создан методический комплекс, включающий экономичные и надежные методы детального измерения характеристик распределения взвешенных наносов на обширной акватории береговой зоны в насыщенной наносами придонной толще, составляющей первые метры от дна, и методы обработки, позволяющие определять средние величины концентрации и статистические характеристики состава взвешенных песчаных и алевритовых частиц. Эти методы надежно работают в условиях штормового волнения и интенсивного течения, при наличии загрязнений и позволяют регистрировать изменения концентрации в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотых г/л.

2. Разработан метод воспроизведения в лабораторных условиях взвесенесущего поступательного и смешанного (волна на течении) потоков, основанный на рециркуляционной системе водооборота, позволяющий автоматически поддерживать на границах рабочего участка потоков твердой фазы по величине и составу и методики измерения литодинамических характеристик такого потока.

3. Построена модель, описывающая механику отрыва частиц под действием водных потоков, оригинальность которой заключается в том, что она базируется на представлении о взаимодействии когерентных структур в придонной области потока с твердыми частицами. Модель позволяет объяснить ряд особенностей начальной стадии движения наносов, таких как отличия в условиях отрыва частиц при различном характере шероховатости, существенную роль фильтрационных явлений в процессе трогания частиц, особенностей движения частиц после отрыва. Ранее эти экспериментально зафиксированные факты не имели адекватного физического обоснования. Кроме того, дана оценка возможности использования существующих рекомендаций по установлению условий трогания для решения задач геофизического прогноза.

4. Сформированы представления о развитии проницаемого и размываемого дна, в соответствии с которыми механика формирования микрорельефа определяется взаимосвязанными процессами развития локальных вихрей, привязанных к вершинам микроформ и самих этих микроформ, а также крупных вихревых образований, движущихся в толще потока, способных при определенных условиях подавить систему придонных вихрей, что вызовет и стирание донных форм. На базе этих представлений и предложенной методики отбора корректных данных наблюдений, установлены границы области существования наиболее распространенных в береговой зоне микроформрифелей, сформированных неразрушенными волнами и разработан метод прогноза их параметров. Разработана также новая модель расчета параметров рифелей, сформированных совместным действием волн и попутного течения. Дана оценка возможности выполнения палеодинамических реконструкций по сохранившимся «послештормовым» данным о рельефе дна.

5. Обоснована возможность применения принципа суперпозиции для описания закономерностей движения отдельных фракций разнородных наносов, взвешенных с проницаемого, подвижного дна. С учетом этого на базе представлений диффузионной теории взвесенесущего потока и положения о взаимосвязанности процессов формирования потока взвеси и развития рельефа дна разработаны модели распределения средних величин концентрации и статистических характеристик состава наносов, взвешенных с размываемого дна стационарным и приливным потоками, а также неразрушенными волнами. В этих моделях учтены реальная разнородность состава материала и инерционные свойства поднятых во взвесь частиц, а также, вероятность присутствия зерен вообще на поднимающихся в толщу воды. Учтена и возможность появления (и стирания) донных форм. Создана база для построения подобных решений для условий совместного действия волн и течения. Модели успешно апробированы в лабораторных и натурных условиях.

Работа выполнена в Институте океанологии им. П. П. Ширшова РАН, она состоит из введения, 6 глав и заключения, она содержит 248 страниц, включая 111 рисунков и 17 таблиц, в списке литературы 270 наименования.

При выполнении значительной части исследований автор пользовался советами и неизменной поддержкой проф. В. В. Лонгинова, и настоящая работа по существу является развитием его замыслов. Серьезную помощь и поддержку этой работе постоянно оказывали профессора. А. А. Аксенов и Н. А. Айбулатов, которые дали автору много ценных советов. При выполнении исследований по международным проектам, автор всегда ощущал внимание и под держку со стороны руководителей институтов и их подразделений польской и болгарской АН акад. ПАН Ч. Друета, проф. С. Масселя, проф. З.Белберова. Считаю своим приятным долгом выразить им глубокую благодарность.

Пользуюсь случаем выразить признательность своим постоянным коллегам В. К. Дебольскому и Р. Д. Косьяну, а также Н. В. Пыхову, И. Г. Кантаржи, Т. М. Акивис, С.Г. и.

A.B. Белошапковым, Э. Л. Онищенко, В. М. Коткову, Т. Басиньскому, в совместной работе с которыми получены многие приведенные в диссертации результаты.

При постановке и проведении натурных исследований, обработке и анализе их результатов значительную помощь автору и его коллегам оказали И. О. Леонтьев, Н. С. Сперанский, Г. Г. Минеев, А. Д. Кочергин, А. П. Филиппов, А. С. Ефремов, Х. И. Николов,.

B.Ж.Дачев, З. Касперович, О. А. Амбарян, Г. Э. Арутюнян, Г. И. Литвиненко, команда и водолазы катера «Водолаз-6» Одесского морского порта и многие другие, с кем приходилось сотрудничать при выполнении натурных экспериментов. Автор считает приятным долгом поблагодарить их всех за помощь.

Автор признателен всему коллективу Лаборатории шельфа и морских берегов им. В. П. Зенковича Института океанологии РАН за ту помощь и поддержку, которую он постоянно чувствовал на протяжении многих лет работы в этом коллективе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей работе автор стремился представить современное состояние предмета «динамика песчаных наносов прибрежной зоны моря», выделяя в нем место разработанных новых представлений и моделей. При этом основное внимание уделено тем представлениям, моделям и методам, которые могут быть использованы для геофизического и геоэкологического прогноза, необходимого для эффективного экономического освоения и сохранения этой чрезвычайно важной для человечества и, вместе с тем, наиболее уязвимой области Мирового океана.

В диссертации представлены результаты анализа и моделирования литодинамических процессов в довольно широком диапазоне взаимодействия потока с проницаемым, подвижным и деформируемым дном, от трогания отдельных твердых частиц до их интенсивного массового взвешивания. Стремление создать основу для надежного количественного прогноза определило необходимость совместного анализа одновременно протекающих литодинамических процессов, выявление аргументов, играющих наиболее существенные роли в реальных природных условиях и использования их при разработке новых моделей, опоры на результаты обширного массива лабораторных и натурных экспериментов, выполненных в широких диапазонах переменных.

Необходимостью получения значительного объема надежной информации из эксперимента обусловлено пристальное внимание к вопросам методики исследований. Разработаны оригинальные комплексы для постановки лабораторных и натурных экспериментов. Помимо того, что с их помощью решены задачи обеспечения данными, необходимыми для модельных построений, само их создание представляется самостоятельным и достаточно важным результатом. Достаточно указать, что рециркуляционная система оборота для взвесенесущего потока и предложенные методы измерения расхода и концентрации наносов воспроизведены в целом ряде лабораторных установок. Разработанный комплекс для натурных наблюдений за взвешенными наносами, позволивший в числе прочего проводить управляемые натурные эксперименты даже в штормовых условиях, существенно расширил возможности исследовательских и изыскательских работ в прибрежной зоне и на шельфе. Вместе с методикой интерпретации данных измерений он обеспечил возможность сбора информации о распределении концентрации и состава взвешенных наносов в условиях шторма и интенсивного прилива на обширной акватории и в наиболее насыщенной наносами части потока. А при перемещении наносов течением возможным оказывается и регистрация расхода и объеме перенесенного материала. Созданная методика с успехом использована при изучении целого ряда прибрежных участков, для решения задач геоэкологического прогноза в России и за рубежом.

Далее, не останавливаясь еще раз на отдельных результатах исследований процессов движения наносов, приведенных в заключительных разделах глав, попытаемся отметить лишь наиболее значительные итоги, а также высказать соображения о вкладе выполненных исследований в изучение динамики прибрежной зоны и о тех задачах дальнейших работ, которые могут быть поставлены исходя из полученных результатов.

Можно считать, и приведенные здесь результаты подтверждают это, что по существу все процессы воздействия потока на частицы наносов являются процессами с обратной связью. Образование фильтрационных токов и влечение частиц по дну уже при скоростях близких к началу трогания вызывает определенные энергетические потери и изменение структуры потока в придонной области. Появление взвешенных твердых частиц в потоке приводит к дальнейшим изменениям его структуры, которые могут затронуть уже и основную толщу потока. Степень изменения определяется объемом и составом взвешенных и транспортируемых по дну частиц, а также составом донного материала. Деформация дна, вызванная ростом или снижением интенсивности потока, также приводит к весьма заметным изменениям его кинематической структуры, особенно существенным в придонной области, что в свою очередь, изменяет объем поднятого во взвесь материала и т. д. Как следует из результатов настоящих и других исследований, все эти изменения могут быть значительными. Таким образом, наиболее интересные и важные результаты могут быть получены в исследованиях, постановка которых предусматривает учет взаимного влияния этих факторов. Однако, из проделанного выше анализа можно также заключить, что в ближайшем будущем не приходится ждать пригодных для геофизического прогноза результатов решение задач динамики наносов в такой простановке теоретическими методами. По-прежнему значимая роль должна будет отводиться лабораторному и натурному эксперименту.

В работе подчекркнуто, что понятие «начало движения наносов» трактуется неоднозначно, поэтому, используя рекомендации по определению условий начала движения, следует представлять, для какого из состояний они разработаны. Но и при этом прогноз, базирующийся на методах, построенных в рамках традиционных представлений о трогании частиц, может быть сравнительно надежным лишь для относительно однородных по составу, плотности и форме частиц. В остальных случаях к этим методам целесообразно вводить поправки и регламентировать способы определения входящих величин. На основании проделанного анализа для задач сегодняшнего прогноза рекомендован один из таких методов, надежность которого базируется на наиболее полном массиве экспериментов и зависимости пути расчета от конечной задачи прогноза.

Вместе с тем показано, что с помощью традиционных представлений о механизмах взаимодействия потока с частицами не удается объяснить ни механику трогания частицы, ни целый ряд характерных процессов, протекающих на начальной стадии движения наносов. Создание моделей потери устойчивости частицы, находящейся на проницаемом дне, в результате фильтрационного взвешивания, а также в результате опрокидывания позволило объяснить целый ряд эффектов, известных из эксперимента, но не имевших адекватного обоснования в рамках традиционных представлений. Это же дало возможность заложить основы вероятностного описания начальной стадии движения наносов, допускающего учет неоднородности состава донного материала. Развитие этого подхода и построение на его основе количественных связей представляется актуальной задачей будущих исследований. Это особенно важно, если учесть, что единого понимания термина «начало движения» не существует, а субъективные оценки занимают довольно большой диапазон изменения параметров потока. Итоги наших исследований приводят к выводу, что объективной характеристикой процесса начала движения наносов может служить вероятность отрыва частиц, а допустимое значение этой вероятности должно определяться общей задачей прогноза.

Но для решения задачи прогноза в такой постановке потребуется специальный цикл экспериментов. В их числе будет исследование особенностей циркуляции жидкости в зоне действия когерентной структуры, изменения в зависимости от пористости и фильтрационных свойств грунта, а также определение воздействующих в этой зоне на частицы сил и соотношения между ними в зависимости от размера, плотности и формы частиц. Сюда же войдет изучение вероятностных аспектов отрыва частиц в зависимости от свойств грунта и характера когерентных структур донного пограничного слоя. Разработка программы и методики этих экспериментов является самостоятельной и достаточно сложной задачей, однако ее общие контуры уже ясны.

Одной из самых интересных задач, которая может быть решена в описанной выше постановке, является задача об образовании и стирании донных микроформ. И по мнению автора, отправным пунктом может служить физическая модель, обсужденная в главе 5, согласно которой у дна, покрытого рифелями, формируется система местных вихрей, играющая роль упругого слоя для движущихся в основной толще потока крупномасштабных образований. При сравнительно малой мощности крупномасштабных вихрей этот упругий слой будет отталкивать их, но при увеличении мощности он будет продавливаться этими вихрями, толщина упругого слоя будет уменьшаться, и затем система местных вихрей может быть подавлена, а рифели стерты. Исследования в этом направлении, дополняемые сбором экспериментальных данных — путь к построению более обоснованных моделей прогноза параметров донных форм и условий смены форм рельефа дна, чем те, что предложены в настоящей диссертации.

Вместе с тем, представленные здесь методы прогноза области существования и параметров песчаных рифелей, сформированных волнами, из существующих сейчас являются наиболее надежными, хотя бы потому, что для их построения использованы данные натурных наблюдений, прошедшие тест, позволяющий подтвердить их принадлежность к активным формам. Именно такой отбор данных позволил описать едиными закономерностями итоги лабораторных и натурных наблюдений, а также построить на этой базе метод расчета параметров рифелей, образованных совместным действием неразрушенных волн и течения позволивший рассчитывать параметры форм при распространении волн и течений по одному направлению.

Несмотря на прогресс, достигнутый в изучении формирования рифелей при совместном действии волн и течения, его следует считать лишь началом исследований обширной и весьма важной для литодинамического прогноза проблемы. Ее исследование также должно базироваться на анализе вихревой структуры придонного слоя, образующегося в этих условиях. Эта работа должна включать в себя и классификацию типов донных форм, параметрами которой будут и величины, учитывающие соотношение энергетического воздействия обоих факторов и характеризующие направление их действия. В программу изучения рифелей, формируемых смешанным потоком войдут и многие другие примыкающие задачи, поэтому создание такой программы, опять таки, является самостоятельной и довольно сложной задачей.

Следует ожидать, что характер изменения параметров рифелей, а соответственно и связи, характеризующие эти параметры, могут быть различным при развитии и при затухании волнения. Настолько же важно получить возможность проследить за изменениями рельефа песчаного дна при воздействии приливного потока. В обоих случаях можно ожидать изменения не только параметров, но и формы рельефа, что может привести и к изменению вида связей, характеризующих шероховатость дна.

Вообще говоря, исследования имеющие целью определение параметров донных форм и шероховатости дна в разные стадии приливного цикла будет интереснее ставить шире, как задачу о развитии рельефа дна под действием нестационарного потока. Эта задача представляется довольно сложной, так как аргументами ее кроме характеристик изменчивости потока, а также характеристик подвижности частиц и донных форм будут и начальные условия — исходное состояние дна. Это условие может оказаться весьма существенным: в зависимости от него, при прочих равных условиях, процесс изменения рельефа дна может пойти и довольно интенсивно и весьма вяло.

Отдельно следует рассматривать задачу о рельефе дна в зоне разрушения. Сейчас мы имеем лишь результаты отдельных наблюдений (см., например, работы Н. А. Айбулатова 1966 и Р. Д. Косьяна 1987 г.), из которых следует, что там формируются специфические образования с длинными плоскими вершинами и короткими ложбинами. Очевидно, что их также можно отнести к классу микроформ рельефа, но следует полагать, что механизм образования этих форм будет иным, чем присущий рифелям, образованным течением или проходящими волнами. Но, вообще говоря, следует ожидать, что при постановке систематических наблюдений в зоне обрушения будет зафиксирован определенный набор донных образований. Формы могут различаться в зависимости от типа разрушения, соотношения числа разрушающихся и проходящих волн, донного материала. И успех дальнейших исследований будет зависеть в частности от возможности сбора сведений о развитии деформаций дна в ходе шторма, и серьезное внимание должно быть уделено развитию технических методов «проникновения» в шторм.

Подчеркнем еще раз, что рассмотренным здесь классом микроформами дна не исчерпывается все многообразие форм донного рельефа прибрежной зоны. Хорошо известны формы иных порядков: подводные валы, шаг которых составляет десятки метров, бары, банки, гидробарханы с горизонтальными размерами в сотни метров и километры. Существует целый набор мнений о механизмах образования форм таких порядков, однако все они остаются на уровне гипотез. Практически нет надежных зависимостей для расчета параметров этих форм. И построению моделей их формирования и разработке методов расчета параметров должны быть посвящены специальные и достаточно масштабные исследования. При этом, результаты настоящей работы не могут служить отправным пунктом для постановки исследований динамики этих форм.

Основными итогами исследований динамики взвесенесущего потока в настоящей работе являются создание представлений о распределении наносов, взвешенных действием штормового волнения и интенсивного приливного течения на разных участках прибрежной зоны и в разные стадии шторма. Разработаны модели, позволяющих вполне удовлетворительно описывать распределение по глубине средней концентрации и статистических характеристик состава наносов, взвешенных стационарным и приливным течениями, а также проходящими волнами. Основные достоинства моделей — учет разнородности состава наносов, особенностей движения сравнительно тяжелых частиц вблизи дна и влияния микроформ рельефа. Вместе с тем показано, что распределение наносов, взвешенных над жестким и размываемым дном подчиняется различными закономерностями, что связано с заметными затратами энергетических ресурсов придонной области потока на процессы взаимодействия с дном в последнем случае. Показано, что расхождение между коэффициентом турбулентной диффузии частиц и турбулентной кинематической вязкостью жидкости заметно меняется в зависимости от характеристик частиц и жидкости и от глубины.

Для случая совместного действия неразрушенных волн и попутного течения построена модель, позволяющая рассчитывать значение придонной концентрации наносов, и определено направление исследований для разработки модели распределения концентрации по всей глубине потока.

Обоснованием надежности разработанных методов прогноза для столь сложных условий являются использование в качестве фундамента для построения моделей, во-первых, сравнительно простой теоретической базы, не нагруженной не вполне обоснованными гипотетическими построениями, а во-вторых, — весьма основательной экспериментальной базы, включающей обширные массивы данных корректных лабораторных и, что еще важнее, натурных экспериментов, поставленных в существенно различных условиях.

Но для завершения работ задаче о распределении взвеси при совместном действии волн и течения следовало бы предварительно построить модель распределении относительной концентрации наносов, взвешенных волнами, с теми же гидродинамическими аргументами, что используются при определении нормирующего значения концентрации. Такая форма будет гораздо удобнее для совместного анализа случаев воздействия волнения и течения.

Помимо этого в будущем предстоит разработка моделей для описания взвесенесущего потока в зоне обрушения волн. Эти задачи представляются не менее актуальными, чем таковые для области действия проходящих волн ввиду того, что в сравнительно узкой зоне обрушения формируется значительная, если не основная, часть вдольберегового потока наносов. И определенно эти задачи являются и более трудными, что обусловливается, во-первых, слабой изученностью кинематической структуры потока в этой зоне, а во-вторых, техническими трудностями постановки наблюдений в этой зоне.

Отметим еще раз, что полученные представления и модели распределения взвешенных потоком наносов разработаны для разного времени осреднения. Но во всех рассмотренных в работе случаях это время значительно больше периода энергосодержащих турбулентных образований или периода волн. При таком условии действительно удается решать многие задачи геофизического и геоэкологического прогноза. При этом, конечно, не удается исследовать не только формирование поля взвеси внутри индивидуальной волны, но и изменение этого поля при прохождении группы волн.

Судя по результатам работ последних лет (Бои^Ьу е! а1., 1984; Пыхов и др., 1997; Коэ’уап е! а1., 1997 и др.) в донном пограничном слое над шероховатым дном и при значительных скоростях, подобно процессам, описанным в главе 3, формируются когерентные структуры, а генерация турбулентной энергии имеет взрывной характер. По-видимому, вклад в подъеме наносов во взвесь вихрей, образовавшихся вследствие таких «взрывов» и проникающих в толщу воды, значителен. Очевидно, подобный механизм реализуется и при воздействии на дно течения. Работы по изучению турбулентного механизма взвешивания и установлению связей между турбулентной кинетической энергией и концентрацией взвешенных наносов сейчас интенсивно ведутся. И одной из важных и интересных задач будущих исследований должно стать отыскание связи между результатами действия «взрывного» механизма взвешивания твердых частиц и энергетическими характеристиками, полученными по данным о средних параметрах потока, таких как приведенные в настоящей работе. Задачи такого рода можно решать при постановке экспериментов, в которых были бы зарегистрированы изменения кинематических характеристик потока и характеристик концентрации взвеси в масштабах времени от десятых долей секунды до десятков минут. Современные технические средства уже позволяют ставить такие эксперименты.