Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2020, № 4, стр. 60-67

ВВЕДЕНИЕ

Берег между Туапсе и Адлером, как никакой другой из российских берегов Черного и Азовского морей, испытывает антропогенную нагрузку. Здесь, на относительно небольшом протяжении, расположены Туапсинский и Сочинский порты, грузовой терминал порта Сочи в Адлере – Имеретинский порт, парусный центр. Вдоль всего побережья протянулось полотно железной дороги, для защиты которого от воздействия волн возведены берегозащитные сооружения. Построено большое количество рекреационных комплексов. Все это накладывает определенные требования к пляжам, окаймляющим берег, не только как к рекреационному объекту, но и как к выполняющему берегозащитные функции.

Снижение в последнее время объемов берегозащитного строительства привело к интенсификации абразионных процессов, что создает угрозу нормальной эксплуатации расположенных вдоль побережья транспортных магистралей и объектов оздоровительного предназначения. В 1914 г. до начала строительства железной дороги средняя ширина пляжа на участке берега от Туапсе до р. Мзымта, впадающей в море в центре пос. Адлер, составляла 32 м, и участки берега без пляжа отсутствовали. К 1956 г. вследствие интенсивного вывоза материала с пляжей средняя их ширина сократилась до 17 м, а на протяжении 11 км пляжи были полностью размыты.

В настоящее время общая площадь пляжей, расположенных между Туапсе и р. Мзымта, составляет 211 га, а их средняя ширина – 19.8 м. При этом на 14.5 км пляж полностью отсутствует, а на 5 км его ширина не превышает 5 м. Это предопределяет проведение мероприятий по защите берега и возведенных объектов от разрушительного воздействия волн, отвечающих современному научно-техническому уровню и соответствующих экологическим и природоохранным требованиям. При условии почти сплошного использования рассматриваемого участка побережья в рекреационных целях этим требованиям наиболее полно отвечают мероприятия по восстановлению или созданию пляжей полного профиля. Максимальная эффективность от берегозащитных мероприятий достигается при их выполнении в пределах всей литодинамической системы, когда в полной мере учитываются протекающие на побережье природные процессы.

Пляж между Туапсе и Адлером сложен преимущественно гравийно-галечными наносами, поставляемыми реками и отчасти поступающими в береговую зону в результате абразии пород коренного дна. Ранее незначительная часть обломочного материала, не имеющая решающего значения, пополняла пляжи от абразии пород берегового уступа. С 1960-х гг. из-за возведения вдоль почти всей протяженности рассматриваемого участка берега подпорно-волноотбойной стены этим поступлением можно пренебречь.

Основным при оценке состояния пляжей и назначении мероприятий по их восстановлению является определение величины вдольберегового потока наносов. Вдольбереговое перемещение наносов определяется воздействием на них волн разных направлений, а точнее вдольбереговыми составляющими волновой энергии. Сгонно-нагонные явления и ветровые (дрейфовые) течения на перемещение галечного материала не оказывают существенного влияния. В пределах рассматриваемого фрагмента побережья со сложной орографией объемы, перемещаемых вдоль берега наносов, распределяются весьма неравномерно и зависят от экспозиции конкретного участка берега. Под воздействием штормовых волн, подходящих к берегу под разными углами, пляжный материал может смещаться в противоположных направлениях. В силу особенностей гидродинамического режима моря результирующее перемещение галечного пляжного материала на рассматриваемом участке берега за длительный период времени направлено с северо-запада на юго-восток, т.е. от Туапсе в сторону Адлера. Это результирующее перемещение наносов под воздействием всего спектра волн за длительный период времени (обычно за год) и является вдольбереговым потоком [9].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В структуре вдольберегового потока наносов выделяют три составных части, каждая из которых характеризуется доминированием определенных процессов развития:

1) участок зарождения потока наносов, в пределах которого преобладают процессы абразии и размыва;

2) участок транзита вдольберегового потока наносов, где процессы абразии и размыва чередуются с процессами отложения пляжного материала;

3) участок разгрузки, где происходит аккумуляция материала, перемещаемого под воздействием волн.

На участке берега от Туапсе до Адлера нет классического деления вдольберегового потока наносов на зону зарождения, транзита и разгрузки (аккумуляции). В сложных орографических условиях, обусловливающих наличие постоянных рек и многочисленных небольших ручьев и временных водотоков, зоны зарождения вдольберегового потока наносов и его транзита слились в единую зону – зону насыщения вдольберегового потока наносов.

В относительно чистом виде зоны разгрузки вдольберегового потока наносов (аккумуляции пляжного материала) на рассматриваемом участке берега приурочены к северо-западным флангам аккумулятивных выступов таких рек, как Аше, Псезуапсе, Сочи, Мзымта (рис. 1). Участки аккумуляции пляжного материала также можно наблюдать у мысов, например, Уч-Дере или Видный. В зависимости от поступления пляжеобразующего материала и изменения углов подхода волн к берегу величина вдольберегового потока может меняться.

Как любое природное образование вдольбереговой поток наносов должен иметь начало и окончание. Ранее до возведения портов Туапсе и Сочи от мыса Кодош, расположенного северо-западнее г. Туапсе, и до мыса Пицунда на протяжении 160 км был выражен единый вдольбереговой поток наносов [6]. Это дает основание для выделения этого участка берега в единую литодинамическую систему. Согласно современным представлениям, литодинамическая система – это участок береговой зоны, в пределах которого выражен вдольбереговой поток наносов, а его литодинамический режим относительно независим от смежных участков [10]. Следовательно, вдольбереговой поток наносов является основным фактором при выделении литодинамической системы. При этом внутри этой системы может меняться транспортирующая способность волн, зависящая от соотношения их направления с контуром береговой линии. На рассматриваемом фрагменте берега (Туапсе–Адлер) в выделенной литодинамической системе нет единой зоны зарождения вдольберегового потока наносов и его транзита, так как на всем его протяжении расположены многочисленные источники поступления пляжного материала в береговую зону. В процессе продвижения в юго-восточном направлении по мере своего истощения в основном в результате истирания наносов поток постоянно пополняется галечным материалом от твердого стока крупных и малых рек, а также ручьев и временных водотоков.

На участке берега от Туапсе до Адлера с учетом основных источников поступления материала, каковыми являются крупные реки рассматриваемого региона (Аше, Псезуапсе, Шахе, Сочи и Мзымта), в пределах единой Кодош-Пицундской литодинамической системы по мере пополнения вдольберегового потока наносами можно выделить ее составные части – литодинамические подсистемы: Аше-Туапсинскую, Аше-Псезуапсинскую, Шахе-Псезуапсинскую, Шахе-Сочинскую, Сочинско-Мзымтинскую и Псоу-Мзымтинскую. Общее в этих литодинамических подсистемах – наличие вдольберегового потока наносов, направленного с северо-запада на юго-восток. Вдольбереговой поток наносов обходит устья указанных выше рек и выдвинутые в море мысы. Поэтому рассматриваемые подсистемы являются не замкнутыми. Таким образом, на этом участке берега границами литодинамических подсистем являются устья наиболее значимых по величине твердого стока крупных рек.

Внутри выделенных подсистем дополнительное поступление галечного материала происходит в результате твердого стока более мелких рек – Кудепста, Хоста, Псахе, Дагомыс, Лоо, Хобза и ряд других, а также временных водотоков. Внутри литодинамических подсистем, учитывая поступление пляжного материала от менее значимых рек и влияние на вдольбереговой поток наносов контура береговой линии, можно выделить литодинамические районы. Таким образом, литодинамические районы внутри подсистем выделяются с учетом контура береговой линии и поступления в береговую зону пляжного материала из менее значимых, чем для литодинамических подсистем рек. При более подробном анализе внутри литодинамических районов, исходя из конфигурации береговой линии, можно выделить литодинамические участки.

Начиная с середины 1930-х гг., после возведения оградительных молов Сочинского порта, ставших преградой для потока наносов, Сочинско-Мзымтинская литодинамическая подсистема оказалась автономной. Оградительные молы Сочинского порта прервали вдольбереговой поток наносов. В связи с этим, на расположенном южнее порта участке берега стали преобладать процессы абразии, и пляжи начали размываться. Пополнение пляжей происходило только за счет наносов, выносимых реками Бзугу, Мацеста, Агура, Хоста, Кудепста и рядом более мелких постоянных или временных водотоков, а также в результате искусственных отсыпок материала.

Аналогичная ситуация возникла и при возведении в 2008 г. Имеретинского порта, расположенного южнее устья р. Мзымта, оградительные молы которого прервали вдольбереговой поток наносов, что явилось причиной размыва пляжа, распространившегося в настоящее время до мыса Константиновского [12]. После строительства Имеретинского порта Псоу-Мзымтинская литодинамическая подсистема также стала автономной.

Существующие эмпирические зависимости позволяют оценить объем пляжного материала, перемещаемого вдоль берега под воздействием волн с учетом их параметров и продолжительности воздействия. Величина вдольберегового потока наносов, как результирующее перемещение от воздействия штормов всех направлений, обычно определяется как алгебраическая сумма объeмов, рассчитанных по градациям высот волн каждого волноопасного направления, предварительно трансформированных с глубокой воды до зоны их обрушения, что предопределяет большой объем вычислений.

В настоящей работе предлагается величину вдольберегового потока наносов определять по параметрам волн, рассчитанных по энергетической равнодействующей волнения, под которой понимается векторная сумма среднемноголетних годовых румбовых потоков волновой энергии, каждый из которых представляет собой осредненную за длительное время скалярную сумму потоков энергии [4]. Следовательно, величина энергетической равнодействующей определяет интегральную высоту волны и соответствующий ей период от совокупного воздействия на конкретный участок берега волн всех направлений, которые могут быть использованы для определения величины вдольберегового потока наносов. При этом, если в эмпирические зависимости по определению объемов перемещаемого под воздействием волн материала входят параметры волн по их обрушению, то необходимо полученные значения волн на глубокой воде трансформировать до зоны их обрушения.

Идея оценки тенденций развития берега, включая и определение направления движения пляжного материала по волновой энергии, поступающей на рассматриваемый участок берега не нова [1]. При этом энергия может быть рассчитана как по параметрам волн [7], так и по данным о ветре [2]. По обоим этим методам можно получить распределение волновой энергии вдоль рассматриваемого участка берега, которое отражает качественную, но не количественную оценку, протекающим литодинамическим процессам. Разработанные методы не позволяют рассчитать параметры волн, необходимые для определения величины вдольберегового потока наносов.

В качестве примера энергетическая равнодействующая волнения на глубокой воде определена для участка берега от Туапсе до Адлера, входящего во второй район Черного моря, охватывающий акваторию от Крымского полуострова до Абхазии, данные по волновому режиму которого представлены в документе [11]. Следует учитывать, что на конкретных фрагментах берега внутри рассматриваемого района при разной конфигурации береговой линии возможны различия в назначении волноопасных направлений. Так для восточных берегов Крыма, входящих во второй район, перечень волноопасных направлений будет несколько отличаться от участков берега, расположенных южнее Анапы.

Энергетическая равнодействующая установившегося волнения на глубокой воде определяется по потокам энергии волн каждого волноопасного направления, рассчитанных по высоте и периоду волн.

На участке берега между Туапсе и Адлером расчет потоков энергии в секторе от северо-запада до юго-востока выполнен для пяти волноопасных направлений. Для чего использовались данные о волновых режимах, содержащихся в источнике [11], в котором по градациям с шагом в 1 м для выбранных направлений штормов содержатся сведения о повторяемости и направлении высот волн 3% обеспеченности в системе. При волновых исследованиях обычно используют среднюю в системе шторма высоту волн. В связи с чем, для каждой градации по коэффициенту перехода от волн 3% обеспеченности [3] определены средние высоты волн h_ср. Для каждого волноопасного направления с учетом скорости ветра (V) средний период волн по градациям τ определен по безразмерным соотношениям между gh_ср/V ² и gτ/V  [3].

По полученным средним значениям высот и периодам волн вычислен секундный поток энергии [4] по зависимости:

где Э – секундный поток энергии волн, кгм/с³; ρ – плотность морской воды, кг/м³; g – ускорение силы тяжести, м/с²; h и τ – соответственно средние значения высот (м) и периодов волн (с); π – число, равное 3.14.

По вычисленным секундным потокам энергии с учетом их повторяемости (продолжительности) определялись потоки волновой энергии каждой градации волн, суммирование которых давало общий годовой поток волновой энергии по данному волноопасному направлению. В табл. 1 в качестве примера для участка берега от Туапсе до Адлера представлен расчет годового потока волновой энергии штормов юго-западного волноопасного направления.

Значения потоков энергии, полученные по каждому волноопасному направлению, могут быть представлены в виде векторов, по которым в принятом масштабе в соответствующей последовательности с учетом их направления строится энергетический многоугольник [4], показанный на рис. 2. Замыкающая этого энергетического многоугольника представляет собой суммарный вектор волновой энергии или равнодействующую установившегося волнения на глубокой воде для участка берега от Туапсе до Адлера, вектор которой соответствует величине энергии и ее направлению.

По величине энергетической равнодействующей (см. рис. 2) с учетом повторяемости волнений всех направлений равной 61.2% [11] определено секундное значение равнодействующей потока энергии. По полученной величине энергетической равнодействующей методом итерации подобраны значения высоты волны и ее периода. При этом соблюдены их соотношения в установившемся волнении [3].

Согласно выполненным расчетам, средняя высота волны энергетической равнодействующей волнения на глубокой воде для рассматриваемого участка Черного моря для установившегося волнения h_ср составит 0.76 м, а ее средний период Т_ср – 4.2 с. Направление луча волны будет соответствовать азимуту энергетической равнодействующей и составит 248.5°. Для установившегося волнения полученные параметры равнодействующей волны на глубокой воде будут одинаковыми в пределах выбранного участка берега и будут являться исходными данными для расчета вдольберегового потока наносов.

В береговой зоне от Туапсе до Адлера в основном распространены галечные пляжи. Объем галечного материала, перемещаемый вдоль берега под воздействием волн, может быть определен по зависимости [5, 8]:

где Q – объем материала, перемещаемый под воздействием волн, м³/сут; ρ и ρ_н – соответственно плотность морской воды и наносов, кг/м³; g – ускорение силы тяжести; h_cr.1% – высота волны по линии ее последнего обрушения 1% обеспеченности в системе шторма, м; τ – средний период волн, с; D_50% – крупность наносов, соответствующая 50% обеспеченности по кумулятивной кривой их гранулометрического состава, м; α_cr – угол между направлением берега и фронтом разрушающейся волны.

Как видно, в зависимость по определению объема материала, перемещаемого под воздействием волн, наряду с другими параметрами входит высота волн 1% обеспеченности в системе расчетного шторма по линии последнего обрушения. Если средний период волн не изменяется при их продвижении к берегу, то для получения высоты волны по линии последнего обрушения необходимо ее значение, определенное по энергетической равнодействующей волнения на глубокой воде, трансформировать в береговую зону с учетом азимута берега и подводного рельефа.

Для осредненной между Туапсе и Адлером линии берега средняя высота волн в последнем обрушении согласно выполненным расчетам составит 0.73 м, а высота волн 1% обеспеченности в системе, с учетом коэффициента перехода от средней высоты волны к 1% [3] – 1.20 м. Полученные данные по высоте и периоду волн в зоне их последнего обрушения являются исходными данными для расчета величины вдольберегового потока.

При движении волн к берегу наряду с высотой волны меняется и направление их луча или фронта волны. Для выбранного фрагмента берега в результате трансформации азимут луча равнодействующей волны с 248.5° на глубокой воде уменьшается до 237° по линии их обрушения. Исходя из этого, угол между фронтом волн, подходящих к зоне их обрушения (147°), и берегом, осредненный азимут которого равен 136°, будет составлять 11°. Средняя крупность галечных наносов, слагающих пляж на рассматриваемом участке берега, по данным натурных измерений, равняется 0.035 м. Тогда величина вдольберегового потока галечных наносов, рассчитанная по зависимости (2), составит 27.3 м³/сут, а с учетом годовой повторяемости (продолжительности) действия волн по всем волноопасным направлениям равной 61.2% – 6.1 тыс. м³/год.

В пределах выделенных литодинамических подсистем средние азимуты береговых линий составляют в: Аше-Туапсинской – 133°, Аше-Псезуапсинской – 137°, Шахе-Псезуапсинской – 139°, Шахе-Сочинской – 137°, Сочинско-Мзымтинской – 136° и Псоу-Мзымтинской – 113°. Полученные средние значения азимутов береговой линии в пределах четырех литодинамических подсистем совпадают или близки к азимуту берега осредненного между Туапсе и устьем р. Мзымта равного 136°. Следовательно, и величина вдольбереговых потоков наносов в этих подсистемах будет близка к 6 тыс. м³/год, полученной для азимута берега, осредненного между Туапсе и устьем р. Мзымта. Несколько отличается азимут береговой линии в первой Аше-Туапсинской литодинамической подсистеме, где он составляет 133°, в связи с чем, на этом участке берега величина вдольберегового потока галечных наносов составит 7.6 тыс. м³/год. Существенное различие в азимуте береговой линии отмечается для Псоу-Мзымтинской литодинамической подсистемы. Здесь угол между осредненным направлением береговой линии и подходящим к берегу фронтом равнодействующей волны составляет 20°–22°. При этом угле подхода величина вдольберегового потока наносов увеличивается до 11 тыс. м³/год.

Внутри литодинамических подсистем на конкретных фрагментах берега с отличными азимутами береговой линии расчетные величины вдольбереговых потоков наносов могут отличаться от представленных выше. В Аше-Туапсинской литодинамической подсистеме на участке берега от Туапсе до мыса Магри при азимуте береговой линии равном 140° величина вдольберегового потока наносов составляет 3.9 тыс. м³/год, а на участке от мыса до устья р. Аше при азимуте берега 125° увеличивается до 11.3 тыс. м³/год. Во второй литодинамической подсистеме восточнее устья р. Аше при азимуте береговой линии равном 115° величина вдольберегового потока галечных наносов возрастает до 14.5 тыс. м³/год. В Шахе-Сочинской литодинамической подсистеме западный фланг приустьевого участка берега р. Шахе развернут почти параллельно фронту равнодействующей волны, поэтому ожидать здесь больших объемов материала, перемещаемого вдоль берега, не приходится. Восточнее устья реки, где азимут берега 128°, величина вдольберегового потока увеличивается до 10.0 тыс. м³/год. В середине этой подсистемы на участке берега между поселками Якорная Щель и Лоо, где азимут берега равняется 135°, величина потока уменьшается до 6.6 тыс. м³/год.

Интерес представляют участки берега и фланги аккумулятивных выступов, расположенные западнее устьев крупных рек. Так азимут береговой линии западного фланга аккумулятивного выступа р. Аше – 146°, аналогичный фланг на р. Псезуапсе – 149°, а р. Шахе – 157°. Азимут линии уреза моря пляжа, расположенного между Лоо и мысом Уч-Дере – 153°. Как видно западные фланги аккумулятивных мысов и свободные галечные пляжи, восточные фланги которых ограждены естественными препятствиями (мысами), под воздействием всего спектра волн разворачиваются параллельно фронту равнодействующей волны. Вследствие чего, величина вдольберегового потока галечного материала здесь снижается.

Максимальная величина вдольберегового потока галечных наносов для приглубых берегов, к которым относится и рассматриваемый участок берега, возможна при угле подхода волн близких к 45° [6]. При этом угле максимально возможная величина вдольберегового потока галечных наносов на участке берега от Туапсе до Адлера может составить 16.3 тыс. м³/год. Следует обратить внимание, что полученная величина отражает поток наносов, как результирующее перемещение наносов под воздействием волн разных направлений. Объемы миграций галечных наносов, перемещаемых волнами разных направлений, могут существенно превосходить это значение.

ВЫВОДЫ

Наибольшая эффективность от берегозащитных мероприятий достигается при их осуществлении в пределах литодинамической системы, выделенной до начала выполнения необходимых разработок. Основная характеристика при оценке процессов, протекающих в литодинамической системе, – расход вдольберегового потока наносов, величина которого определяется интегральным воздействием штормовых волн разных направлений.

Существующие методики по его определению громоздки и трудоемки. Предлагается расход вдольберегового потока наносов оценивать по параметрам волны, рассчитанной по энергетической равнодействующей установившегося волнения на глубокой воде, полученной из потоков энергии волн каждого волноопасного направления.

Для участка берега от Туапсе до Адлера средняя высота равнодействующей волны на глубокой воде для установившегося волнения h_ср составит 0.76 м, а ее средний период Т_ср – 4.2 с. При необходимости параметры равнодействующей волны на глубокой воде могут быть трансформированы в береговую зону.