Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2021, № 3, стр. 19-28

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия на Кавказском побережье Краснодарского края усилились темпы деградации волногасящих галечных пляжей, защищающих берег от воздействия волн, в том числе полотно железной дороги и рекреационные объекты, расположенные между Туапсе и Адлером. Это предопределяет необходимость проведения эффективных берегозащитных мероприятий, соответствующих современным природоохранным, экологическим и рекреационным требованиям. Этому в полной мере отвечают природные и искусственные волногасящие галечные пляжи. Эффективность создаваемых берегозащитных пляжей во многом будет определяться достоверной оценкой баланса наносов при их проектировании. Основная приходная составляющая баланса наносов на участке берега между Туапсе и Адлером – твердый сток рек. В твердом стоке следует учитывать объемы выноса на берег наносов крупностью более 2 мм, определяющими пляжеобразующими фракциями галечных пляжей данного региона.

Наиболее полные данные по твердому стоку рек Черноморского побережья Краснодарского края приводятся в работах Г.Н. Хмаладзе [11] и В.В. Ромашина [8]. По данным Г.Н. Хмаладзе [11], среднемноголетняя ежегодная величина стока наносов крупнее 2 мм по всем значимым водотокам на участке берега от Туапсе и до устья р. Мзымта, впадающей в море в Адлере, в естественных условиях составляла 516.6 тыс. т. или 303. 9 тыс. м³. По данным В.В. Ромашина [8], величина стока пляжеобразующих наносов меньше – до 259.5 тыс. м³. Ранее А.М. Жданов [5] ежегодное поступление наносов из рек на этом участке берега в естественных условиях определил в объеме 150.0 тыс. м³.

Анализ береговых процессов, протекающих на рассматриваемом участке берега, свидетельствует о завышении величины стока, представленных в работах [8] и [11].

Литодинамические исследования, выполняемые при обосновании берегозащитных мероприятий с созданием волногасящих галечных пляжей на участке берега между Туапсе и Адлером, сопряженные с анализом поступления из рек пляжеобразующего материала и его распределением вдоль берега, свидетельствуют о завышении величин стока, представленных в работах [8] и [11].

В естественных условиях до возведения портов и берегозащитных комплексов и при отсутствии выборки наносов с пляжей и русел рек, рассматриваемый участок берега окаймляли широкие галечные пляжи, находящиеся в относительно равновесном состоянии. Относительная динамическая стабильность пляжа определялась вдольбереговым потоком галечных наносов, начинающимся от Туапсе и идущем в юго-восточном направлении до Абхазии. При своем движении поток, не прерываясь, огибал естественные преграды в виде небольших мысов (Уч-Дере, Видный и ряд других).

Устойчивость и ширина пляжей на конкретных участках берега зависела от соотношения поступления пляжеобразующего материала из рек, его истиранием, приходом и уходом за пределы рассматриваемого участка берега во вдольбереговом потоке. По мере своего движения вдольбереговой поток постоянно пополнялся выносами рек, многочисленных ручьев и временных водотоков (рис. 1). В естественных условиях для всего участка берега между Туапсе и Адлером в балансе наносов определяющими составляющими являлись твердый сток рек и потери в результате истирания галечных наносов, перемещаемых вдоль берега под воздействием волн. Величина вдольберегового потока на входе участка берега у Туапсе была равна нулю из-за полного его перехвата далеко выдвинутым в море мысом Кодош, расположенным в 3.3 км северо-западнее Туапсе, и оградительным юго-восточным молом Туапсинского порта. На выходе у устья р. Мзымта ежегодная величина потока не превышала 10 тыс. м³. До возведения волноотбойных стен, которые в настоящее время прикрыли береговой откос на протяжении почти 82% длины рассматриваемого участка берега, часть пляжеобразующего материала в береговую зону могла попадать в результате донной и береговой абразии.

Рис. 1.

Карта-схема берега между Туапсе и Адлером. Цифрами указаны расстояния от Туапсе.

Таким образом, твердый сток рек на участке берега от Туапсе до устья р. Мзымта в естественных условиях может быть оценен по объему истирания галечного материала, его поступлению в результате абразионных процессов и величине потока наносов, проходящего через устье р. Мзымта.

Перехват наносов, выносимых реками и перемещающихся во вдольбереговом потоке бунными комплексами, возведенными вблизи устьев рек, в межбунные отсеки которых не производилась отсыпка пляжеобразующего материала, приводит к возникновению и распространению низовых размывов и неравномерному распределению вдоль берега ширины галечного пляжа.

Антропогенное вмешательство в естественные русловые процессы, связанное с канализацией русел и выборкой руслового аллювия, существенным образом отразилось на сокращении стока крупнообломочного материала. Современную величину твердого стока на участке берега между Туапсе и Адлером возможно оценить по объему истирания наносов на протяжении стабильных участков аккумулятивных выступов рек.

Выполненные исследования по оценке литодинамических условий береговой зоны на участке берега между Туапсе и Адлером проводились с целью:

− определения величины стока пляжеобразующих наносов крупностью более 2 мм рек Черноморского побережья Краснодарского края на участке берега между Туапсе и Адлером до активного антропогенного вмешательства в природные процессы (конец 1940-х – начало 1950-х гг.);

− определения современного твердого стока рек в условиях усиливающегося антропогенного вмешательства в береговые и русловые процессы;

− уточнения ранее опубликованных данных по твердому стоку рек рассматриваемого региона;

− оценки современного состояния галечного пляжа и берегозащитных сооружений;

− оценки влияния уменьшения твердого стока рек и нерационального проведения берегозащитных мероприятий на состояние галечных пляжей на рассматириваемом участке берега.

Проведенные исследования выполнены на основе балансового метода, включающего анализ приходных и расходных его составляющих с использованием последних данных по вдольбереговому потоку и истиранию галечных наносов. Полученные результаты сравнивались с ранее опубликованными данными. Анализ динамики состояния галечных пляжей выполнен по результатам сравнения современного их состояния, полученного по детальным обследованиям пляжной полосы и берегозащитных сооружений, выполненным авторами в 2018–2019 гг. с данными за предыдущие годы.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В естественных условиях ежегодная величина пополнения пляжей крупнообломочными наносами от абразии берега и дна на участке берега от Туапсе до Адлера не превышала 20.0 тыс. м³ [5]. Общие потери на истирание гравийно-галечного материала при его перемещении под воздействием волн в пределах рассматриваемого участка берега можно оценить с учетом его протяженности и удельных потерь, приходящихся на 1 км береговой линии.

По А.М. Жданову [4], объем потерь пляжеобразующего материала на 1 км берега в зависимости от прочности пород, выносимых реками на берег, изменяется от 900 до 1600 м³. Н.Н. Федоровский [10] величину потерь на 1 км берега принимает равной 1.7 тыс. м³ в год. У Е.К. Гречищева [1] эта величина колеблется от 1.0 до 1.3 тыс. м³ в год. По расчетам, выполненным в [9], величина потерь на истирание пляжеобразующего материала на 1 км берега от Туапсе до Адлера равна 1.55 тыс. м³.

Имея в виду выше приведенные значения, для дальнейшего анализа удельная величина потерь объема наносов на 1 км берега принимается равной 1.5 тыс. м³ в год. Тогда ежегодные потери объема пляжного материала на истирание при длине рассматриваемого участка берега равной 105.1 км, составят 157.7 тыс. м³. Как было отмечено выше, объем наносов, уходящий во вдольбереговом потоке за пределы устья р. Мзымта в естественных условиях, не превышал 10.0 тыс. м³ в год. Следовательно, общие потери, определяющие расходную часть баланса на участке берега от Туапсе до устья р. Мзымта в естественных условиях, составляли 167.7 тыс. м³ в год. Из равенства в балансовых расчетах приходных и расходных его частей следует, что ежегодный объем крупнозернистых наносов, выносимый водотоками на берег, исключая материал, поступающий на пляжи от абразионных процессов (20.0 тыс. м³ в год), должен был составлять 147.7 тыс. м³. Полученная расчетная величина очень близка к твердому стоку рек, определенному А.М. Ждановым [5].

При величине твердого стока рек по источнику [11], равной 303.9 тыс. м³ в год, потери на истирание наносов для сохранения нулевого баланса должны увеличиться до 3 тыс. м³ на 1 км берега, что явно не соответствует действительности. Можно предположить, что значения твердого стока рек по данным Г.Н. Хмаладзе [11] и В.В. Ромашина [8] завышены. На это обращает внимание в своей работе и Ш.В. Джаошвили [3], который отмечал двукратное завышение в источнике [11] величины твердого стока р. Мзымта.

Использование данных по твердому стоку рек, впадающих в море между Туапсе и Адлером, взятых из источников [11] и [8], могут привести к ошибкам при литодинамических исследованиях и назначении берегозащитных мероприятий.

Выполненные расчеты свидетельствуют, что данные по стоку рек, помещенные в работе [11], необходимо уменьшить в 2 раза, а в работе [8] – в 1.7 раза.

В табл. 1 (столбец 3) приводятся данные по величине объемов выноса реками наносов крупнее 2 мм по источнику [11] в естественном состоянии русел, т.е. не затронутых выборкой руслового аллювия, а в столбце 4 – значения, полученные по балансовому расчету.

Ранее, до начала строительства в 1914 г. железной дороги Туапсе–Сочи, берег был окаймлен сплошной полосой галечного пляжа, средняя ширина которого составляла 32 м. Наиболее полные данные по ширине галечных пляжей можно найти в материалах изысканий, выполненных перед началом строительства железной дороги. В естественных условиях береговая зона от Туапсе до Абхазии представляла собой единую литодинамическую систему, устойчивость пляжей в которой поддерживалась вдольбереговым потоком наносов, пополняемым по мере своего продвижения твердым стоком рек, основными из которых являлись Аше, Псезуапсе, Шахе, Сочи и Мзымта.

Возведение в 1936 г. оградительных молов Сочинского порта, в 1980-х гг. парусного центра при проведении летней олимпиады, а в начале 2000-х гг. – Имеретинского порта, расположенного в 130 м юго-восточнее устья р. Мзымта, прервало единый вдольбереговой поток галечных наносов. Береговая зона оказалась разделенной на обособленные литодинамические подсистемы, состояние пляжей в которых определялось не единым вдольбереговым потоком, а выносами рек, впадающих в море в их пределах. Существенное влияние на вдольбереговое перемещение материала и сокращение ширины галечного пляжа оказали берегозащитные мероприятия, защищающие береговой откос и железную дорогу от штормового воздействия волн, особенно возведение бун и волноломов, а также выдвижение на пляжную зону рекреационных объектов.

Катастрофические последствия на состояние галечных пляжей оказала выборка аллювиальных отложений из пляжей и русел рек на строительство различного рода народнохозяйственных объектов [2, 8]. Так, к середине 1970-х гг. только из русел наиболее крупных рек Туапсе, Аше, Псезуапсе, Шахе и Сочи было выбрано около 9 млн м³ аллювиальных отложений. Устройство карьеров по изъятию материала непосредственно с пляжей повлияло на то, что выносы рек не могли поддерживать пляжи в стабильном состоянии. К середине 1950-х гг. их средняя ширина на участке берега между Туапсе и Адлером по сравнению с 1914 г. уменьшилась почти вдвое и составила 17 м, при этом на протяжении 10.8 км пляж был полностью размыт [12]¹¹. К 1966 г. средняя ширина пляжа на рассматриваемом участке берега сократилась до 14.6 м. Принятые на правительственном уровне в конце 1960-х гг. меры, запрещающие выборку материала с пляжей и русел рек, и производимые отсыпки пляжеобразующих наносов, способствовали стабилизации пляжной полосы и некоторому ее расширению. К середине 1970-х гг. средняя ширина пляжа увеличилась до 18.2 м. Интенсивное изъятие наносов с русел рек, начавшееся с 1990-х гг. существенно подорвало сток пляжеобразующего материала, и к концу этого десятилетия средняя ширина пляжа на участке берега между Туапсе и устьем р. Мзымта уменьшилась до 17.9 м. Значительное сокращение изъятий наносов из русел рек после 2010 г. привела к некоторому восстановлению ширины пляжа.

По детальным обследованиям состояния берега и берегозащитных сооружений между Туапсе и Адлером, выполненным в октябре–ноябре 2018 г., средняя ширина пляжа на этом участке равнялась 19.8 м. Наряду с этим, общая протяженность участков берега без пляжа увеличилась до 14.5 км, что составляет 13.8% от общей протяженности береговой линии, а галечные пляжи с шириной менее 5 м распространены еще на 4.9 км (4.7%). Следовательно, из 105 км протяженности берега между Туапсе и Адлером в настоящее время галечный пляж на 19.4 км (18.5%) отсутствует или же его ширина не превышает 5 м. И это, несмотря на то, что к настоящему времени на этом участке берега возведено 774 бетонных и каменнонабросных пляжеудерживающих бун, из которых 670 расположено в пределах города-курорта Сочи. В среднем на каждые 136 м длины берега приходится по одной буне. Протяженность пляжей с шириной более 15 м, по данным выполненных обследований, составляет 63.2 км (60.1%). Таким образом, почти на 40% береговой линии между Туапсе и Адлером ширина галечного пляжа оказалась менее 15 м, что недостаточно для необходимого волногашения и может привести к возникновению аварийных ситуаций, угрожающих нормальной эксплуатации железнодорожного транспорта и рекреационных объектов.

Не смотря на отсыпки привозного пляжеобразующего материала, основным источником пополнения пляжей наносами остается твердый сток рек. Последствия изъятий материала из русел рек, сказавшиеся на сокращении их твердого стока, проявляются в настоящее время и не прекратятся в ближайшем будущем. В связи с этим немаловажное значение приобретает оценка фактической современной величины твердого стока рек.

Современный объем крупнозернистых наносов, выносимых реками, можно оценить по аккумулятивным выступам рек, включая галечные пляжи, сформированные в бунных комплексах, расположенных вблизи устьев рек ниже по ходу потока наносов, и фрагменты пляжей северо-западных флангов этих выступов. Юго-восточнее устья р. Туапсе в пределах бунного комплекса располагается фрагмент галечного пляжа протяженностью 2.5 км, положение которого в последнее время не меняется (рис. 2).

Рис. 2.

Аккумуляция наносов, выносимых р. Туапсе в пределах бунного комплекса.

Из этого следует, что выносы реки в пределах этого участка берега компенсируют только потери на истирание пляжного материала. Можно допустить, что незначительная часть наносов, не превышающая 1 тыс. м³, уходит за пределы рассматриваемого фрагмента берега во вдольбереговом потоке. Ежегодные потери на истирание наносов в пределах этого участка берега при среднем его значении равном 1.5 тыс. м³ на 1 км составят 3.75 тыс. м³. При принятом допущении о возможном обходе материалом бунного комплекса, современный сток пляжеобразующих наносов р. Туапсе составит около 5 тыс. м³ в год.

Аналогичным способом с учетом истираемости пляжного материала на северо-западных флангах современных аккумулятивных мысов были определены стоки рек Аше, Псезуапсе и Шахе (рис. 3), которые в настоящее время соответственно составили 9.6, 12.5 и 24.4 тыс. м³ в год. Полученные величины твердого стока близки к данным В.В. Ромашина [8] по измененному стоку этих рек, уменьшенному на коэффициент 1.7. Следует отметить, что уменьшение твердого стока, обусловленного выборкой наносов с русел, наблюдается в основном на относительно крупных водотоках и не затрагивает малые реки и ручьи. Данные по современному стоку пляжеобразующих наносов представлены в табл. 1 (столбец 5).

Рис. 3.

Современный аккумулятивный выступ р. Аше.

При отсутствии надежных данных по твердому стоку рек Черноморского побережья Краснодарского края и величине вдольбереговых потоков наносов при расчете баланса наносов на исследуемом участке берега возможна его оценка по литодинамическим признакам, характеризующим этот фрагмент берега.

Сравнение ширины пляжа от Туапсе до Адлера, установленной по обследованиям, выполненным в 2018 г., с предыдущими данными свидетельствует о возрастающей ее неравномерности вдоль берега, связанной с диспропорцией между участками берега с избыточно широкими пляжами и участками, где их ширина недостаточна. Это обусловлено усиливающимися негативными последствиями антропогенной нагрузки на береговую зону, проявляющимися в возведении берегозащитных комплексов без отсыпки пляжа полного профиля, строительстве длинных бун, перехватывающих вдольбереговой поток наносов, перед которыми формируются пляжи избыточной ширины, и ряда других. Так по северной грани буны длиной 88 м, возведенной по правому берегу р. Дагомыс, сформировался пляж шириной до 83 м, за которой после пляжного комплекса “Дагомыс” он исчезает, а волноотбойная стена защищена установленными перед ней бетонными массивами.

Широкий пляж в основном формируется в пределах бунных комплексов, возведенных вблизи устьев рек, за которыми ниже по ходу потока наносов развивается низовой размыв, приводящий к полному исчезновению волногасящего пляжа. Это характерно для устьев рек Туапсе, Аше, Псезуапсе, Шахе и ряда более мелких водотоков. Развитие таких процессов обусловлено недостаточными объемами или полным отсутствием во время строительства отсыпок пляжеобразующего материала в межбунные отсеки, которые не заполняются наносами, выносимыми реками, что приводит к резкому сокращению вдольберегового потока. При этом сами буны, в межбунные отсеки которых не отсыпан в полном объеме пляжеобразующий материал, не способны защитить береговой откос от воздействия волн. Они будут перехватывать вдольбереговой поток галечных наносов, формируемый выносами рек, что приведет к размыву оставшихся фрагментов галечных пляжей. Наибольшую угрозу это создает существованию трем крупным фрагментам сохранившихся естественных пляжей, расположенных на Лазаревском аккумулятивном выступе протяжением 4.3 км между устьем р. Лоо и мысом Уч-Дере, и пляжам Имеретинской низменности, протяжением 7.8 км, расположенным между устьями рек Мзымта и Псоу.

Буны, возведенные северо-западнее устья р. Лоо без отсыпки в межбунные отсеки волногасящих пляжей полного профиля, прервали, хотя и несколько уменьшенный из-за сокращения твердого стока рек, вдольбереговой поток галечных наносов, формируемый в основном выносами р. Шахе, впадающей в море в 14 км западнее. В пределах пос. Лоо во время прохождения в 2017 г. шторма западного направления был почти полностью размыт некогда существовавший широкий галечный пляж и разрушена набережная (рис. 4а). Дальнейшие волнения полностью размыли остатки пляжа, и для предохранения от разрушения прилегающей территории была возведена подпорно-волноотбойная стена (рис. 4б). Однако при отсутствии перед ней пляжа или волногасящего сооружения, что запрещено нормативными документами [9], возведенная на рыхлых основаниях волноотбойная стена в ближайшее время может быть разрушена. Начавшийся размыв рассматриваемого фрагмента естественного галечного пляжа из-за перехвата вдольберегового потока наносов будет распространяться в юго-восточном направлении, что создаст угрозу нормальной эксплуатации проходящей в его тыльной части железной дороги и значительно уменьшит рекреационный потенциал пляжей.

Рис. 4.

Размыв пляжа в пос. Лоо (а) (2017 г.) и возведенная волноотбойная стена (б) (2019 г.).

Наибольшее влияние на вдольбереговое перемещение галечного материала оказывают оградительные молы портов, размещенные юго-восточней устьев рек. Возведенные на южных флангах устьевых аккумулятивных выступов молы Сочинского порта, построенные в 1936 г., и Имеретинского порта в 2007 г., полностью прервали вдольбереговые потоки наносов. Проблемы с пляжами, расположенными южнее устья р. Сочи, из-за невозможности их пополнения выносами реки, проявляются в последние 70–80 лет и не решены полностью в настоящее время. Подобная проблема возникла и после возведения Имеретинского порта, приведшая к полному перехвату вдольберегового потока наносов, формируемого выносами р. Мзымта. Естественные галечные пляжи Имеретинской низменности быстрыми темпами начали размываться. В настоящее время пляж на протяжении 1 км от порта полностью размыт [7, 13]. От разрушения волнами набережная защищена наброской крупных камней (рис. 5) и, тем не менее, подвергается систематическому разрушению [6]. Этот участок берега полностью исключен из рекреационного использования. Без принятия срочных мер по отсыпкам пляжеобразующего материала размыв пляжа будет продолжаться.

Рис. 5.

Защита набережной олимпийского комплекса в Адлере наброской крупного камня (а) и ее разрушение (б).

Перехват вдольберегового потока наносов системой бун привел к размыву пляжей на северо-западном фланге Лазаревского аккумулятивного выступа (рис. 6). Берег превратился в нагромождение бетонных шпал и блоков, защищающих железнодорожное полотно от воздействия волн, но используемых рекреантами для отдыха. Практически полное отсутствие естественного вдольберегового потока наносов и отсыпок привозного пляжеобразующего материала скажется на продвижении размыва пляжа в сторону центра пос. Лазаревское, что сопряжено с утратой сохранившегося естественного галечного пляжа, возможным разрушением береговой инфраструктуры и существенным сокращением рекреационной зоны.

Рис. 6.

Состояние берега на северо-западном фланге Лазаревского аккумулятивного выступа.

ВЫВОДЫ

Хозяйственная деятельность человека негативно отразилась на состоянии галечных пляжей Черноморского побережья Краснодарского края. Необходимость защиты железной дороги, протянувшейся вдоль всего берега от Туапсе до Адлера, и курортная значимость этого региона, предопределили проведение берегозащитных мероприятий на основе восстановления утраченных и создания искусственных галечных пляжей. Несмотря на значительные отсыпки привозного пляжеобразующего материала, основным источником наносов, пополняющих пляжи, является твердый сток многочисленных водотоков. При литодинамических исследованиях, проводимых при разработке берегозащитных мероприятий, включающих создание волногасящих галечных пляжей полного профиля, до настоящего времени пользуются данными по среднегодовому стоку пляжеобразующих наносов крупностью более 2 мм, представленными в работах Г.Н. Хмаладзе [11], а позднее – В.В. Ромашина [8].

Выполненные авторами на основе балансовых расчетов исследования свидетельствуют:

− данные по величине стока пляжеобразующего материала для рек Черноморского побережья Краснодарского края у Г.Н. Хмаладзе завышены в 2 раза;

− величина стока пляжеобразующего материала у В.В. Ромашина завышена в 1.7 раза.

По объемам крупнообломочного материала, отложившегося в межбунных отсеках на участках берега вблизи устьев крупных рек, дается оценка величины современного стока рек между Туапсе и Адлером, сокращающегося в результате усиливающегося антропогенного вмешательства в береговые, а особенно в русловые процессы, связанные с канализацией русел и выборкой аллювиального материала.

Использование при балансовых расчетах данных, приведенных в указанных выше работах, завышает объем пляжеобразующего материала, поступающий из рек на берег, что негативно отражается на прогнозах состояния пляжной полосы между Туапсе и Адлером.

Сокращение реками твердого стока, перехват вдольберегового потока галечных наносов оградительными молами портов и возведенными пляжеудерживающими сооружениями являются причинами неравномерного распределения ширины галечного пляжа между Туапсе и Адлером и размыва последних фрагментов естественных пляжей. Это усугубляется порочной практикой проведения берегозащитных мероприятий, когда в межбунные отсеки возведенных бетонных или каменнонабросных бун отсыпаются недостаточные объемы пляжеобразующего материала или же материал вообще не отсыпается в надежде их заполнения наносами выносимыми реками. Уменьшение поступления на берег пляжеобразующего материала из рек, объемы которого не в состоянии поддерживать пляжи в стабильном состоянии, приводит к усилению темпов деградации галечных пляжей на Черноморском побережье Краснодарского края.

Для восстановления утраченных галечных пляжей, выполняющих в рассматриваемом регионе как берегозащитные, так и рекреационные функции, необходимо полностью запретить выборку аллювиального материала с русел приморских рек, что увеличит объемы пляжеобразующего материала, поступающего на берег. Это будет способствовать хотя и медленному, но неуклонному увеличению ширины пляжей. Наиболее перспективным является восстановление утраченных галечных пляжей в результате отсыпки крупнообломочного пляжеобразующего материала, т.е. создание искусственных галечных пляжей.

При проведении берегозащитных мероприятий необходимо в межбунные отсеки отсыпать пляжный материал в объеме, предусмотренном проектом, а также заполнить крупнообломочными наносами существующие пустующие межбунные отсеки до полной пляжеудерживающей способности возведенных бун. Это позволит создать искусственные галечные пляжи на значительном протяжении берега. Необходимо предусматривать отсыпки наносов за построенными бунными комплексами и исключить их возведение вблизи устьев рек, что существенным образом уменьшит низовые размывы пляжей.