Источник: А.С. Судольский, "Динамические явления в водоемах". Ленингорад, гидрометеоиздат 1991
      Глава 7. Перемещение наносов на береговых отмелях

      Наблюдениями уже давно установлено, что объемы перемещений наносов на береговых отмелях озер и водохранилищ заметно меньше, чем на морях. Действительно, если, например, объемы перемещений гравия и гальки на сочинском побережье Черного моря составляют 32 тыс. м3 в год [47, 52], а перемещения песка на Балтийском побережье — около 500 тыс. м3 в год и достигают в отдельные годы 1 млн м3 [6, 52, 85, 109], то перемещения илисто-песчаных наносов на береговых отмелях водохранилищ составляют 5—15 тыс. м3 в год [167, 190, 229], а на крупных озерах достигают, по приближенным оценкам, около 50—80 тыс. м3/год [52, 97, 186].

      На водохранилищах вдольбереговой перенос наносов происходит даже в период заполнения его чаши и обычно увеличивается по мере формирования отмелей и выравнивания береговой линии. Это обстоятельство было замечено при заполнении первых водохранилищ [219, 229] и подтверждено многими последующими исследованиями [190, 228].

      В первые годы существования водохранилищ обычно наблюдается интенсивное занесение затопленных приустьевых участков рек, оврагов, балок и других понижений рельефа. Благодаря этому увеличивается длина участков транзитного движения, что в свою очередь способствует увеличению расходов наносов. Протяженность участков перемещения наносов на вновь созданных водохранилищах обычно составляет сотни метров, а через несколько лет существования водохранилищ за счет занесения отрицательных форм подводного рельефа увеличивается до нескольких километров. На крупных озерах, как и на побережьях многих морей, длина участков транзитного движения наносов нередко достигает десятков километров.

     По мере формирования отмелей и выравнивания береговой линии на водохранилищах происходит изменение степени влияния волн различной высоты на объемы взмучивания, вид и форму транспортируемых наносов. Если на начальных стадиях формирования отмелей перенос наносов осуществляют как самые малые, так и штормовые волны средней и большой высоты, то на более поздних стадиях роль первых уменьшается, а роль штормовых волн увеличивается.

     Наносы в пределах береговых отмелей перемещаются во взвешенном состоянии, путем сальтации и влечения по дну. Взвешенные наносы могут перемещаться, как справедливо указывалось в работах [2; 109], практически со скоростью вдольберегового течения. Скорость вдольберегового перемещения галечных наносов на морских берегах в периоды штормов обычно не превышает нескольких десятков метров за 1 ч [47]. Такой же порядок обычно имеет скорость вдольберегового перемещения донных наносов на отмелях водохранилищ [167, 175, 229].

     Движение наносов обычно сопровождается возникновением на отмели дискретных аккумулятивных форм различного структурного уровня: знаков ряби; мелких гряд, подобных русловым микроформам; крупных гряд, примыкающих к берегу и придающих урезу плавно извилистые очертания в плане [167, 190, 228]. В при-урезовой зоне пляжа иногда возникают такие весьма неустойчивые формы, как пляжевые фестоны, а на отмелях, достигших стадии относительного динамического равновесия, формируются подводные валы, которые можно отнести к наиболее устойчивым образованиям.

7.2. Методы изучения перемещения наносов

     Для изучения вдольбереговых перемещений наносов в связи с различиями видов и форм переноса твердых частиц, а также с учетом различия задач исследований применяются методы минералогического и морфологического анализа [52], метод окрашивания твердых частиц люминофорами [52, 120] или облучения их радиоактивными изотопами [52], объемный, гидродинамический [109] и гидрометрический [2, 6, 167] методы.

     Метод минералогического анализа используется в основном для выяснения направления и дальности перемещения наносов. Метод морфологического анализа и объемный дают возможность определять не только направление перемещения, но и объемы аккумуляции наносов за некоторые, достаточно продолжительные промежутки времени. Следует заметить, что в зарубежных работах основное внимание уделяется изучению деформаций дна и оценкам вдольбереговых перемещений наносов объемным методом. Это связано с тем, что в иностранной литературе (причем не только в отдельных научных статьях, но и в монографиях [60, 77]), высказывается мнение о невозможности непосредственного измерения расходов наносов и существенно преуменьшается роль взвешенных наносов.

     Применение «меченных» люминоформами или изотопами твердых частиц позволяет определить скорость, направление и размеры зон перемещения наносов, а совместно с данными о слое деформаций — объемы перемещений наносов [52].

     В гидродинамическом методе, разработанном В. В. Лонгиновым [109], наносодвижущее действие волнения и прибойного потока определяется по данным о числовых значениях и суммарной повторяемости горизонтальных волновых давлений в придонном слое с учетом состава донных отложений и сдвигающих скоростей. Гидрометрический метод базируется на определении расхода наносов по данным о расходе и мутности воды. Впервые он был применен на Черноморской станции Института океанологии АН СССР. В створе, оборудованном подвесной люлькой, производились измерения скорости течения и отбирались пробы воды на мутность [2]. Этот метод наиболее широко использовался и в исследованиях, проводившихся экспедиционными группами ГГИ на внутренних водоемах. Последний отличался от указанного выше метода только тем, что измерение скорости течения и отбор проб воды на мутность производились не только с помощью дистанционного тросового устройства, но также и с эстакады, лодки или вброд [190, 227]. Дистанционным устройством (с пролетом от 25 до 127 м) было оборудовано три створа на Кайраккумском водохранилище и один створ (с пролетом 156 м) на Азовском море, а эстакадой (протяженность 80 м)—один створ на Кременчугском водохранилище [186, 190] (рис. 7.1). Пробы воды на мутность при каждом измерении отбирались обычно на шести— восьми вертикалях. Число точек измерения на вертикали составляло две—четыре.

      В приурезовой зоне пробы отбирались интеграционно по вертикали. Для отбора проб обычно использовались батометры длительного наполнения — батометр-бутылка на штанге или тросе [164]. Во время работ на Каховском и Кременчугском водохранилищах широко использовался интеграционный (по ширине отмели) способ отбора проб воды, при котором о средней в створе мутности судили по одиночным пробам, отбиравшимся из верхнего и придонного слоев в пределах между урезом и внешней границей зоны мутности [173]. В некоторых случаях определялось мгновенное распределение мутности воды по вертикали. Для отбора проб воды со взвешенными наносами применялись стандартные батометры и батометры, разработанные А. С. Судольским: плавучий батометр-интегратор, придонный батометр-интегратор и батометр-дифференциатор [173],показанные на рис. 7.2.

      Для измерений расходов донных наносов использовались ловушки [167], которые заглублялись до уровня дна и поэтому не вызывали заметных нарушений потока и перемещения наносов. Элементы волн во время работ на береговых отмелях регистрировались электромеханическим волнографом, механическими регистраторами волновых колебаний уровня с помощью электроконтактных вех [154, 169], а за время измерения расхода наносов нли отдельный шторм определялись по максимально-минимальным волномерным вехам, устанавливаемым для этой цели на бровке береговой отмели.

      Ширина береговых отмелей на водных объектах составляла "5—25 м на Кайраккумском водохранилище и 150—300 м на Ладожском озере. За время работ на всех указанных выше.водных объектах было измерено около 200 расходов взвешенных наносов и около 50 расходов донных наносов.

7.3. Основные черты механизма перемещения наносов

      Исследователи динамики береговой зоны морей и внутренних водоемов уже давно установили некоторые общие черты воздействия движущейся воды на частицы наносов в русловом и волновом потоках. На основании этого достижения динамики русловых потоков можно распространять на область береговых процессов в водоемах и наоборот. Наряду с такими мнениями, высказываются соображения о значительном различии процессов в волновых и русловых потоках. Многие вопросы взвешивания и перемещения наносов до настоящего времени остаются нерешенными. Высказывается даже мнение, что в настоящее время существует столько теорий движения наносов, сколько исследователей занимается этими вопросами. Для доказательства такого положения дел, кроме противоречивых представлений о движении твердых частиц, ссылаются на разнообразие представлений о волновых колебательных движениях, переносных течениях, циркуляции воды и турбулентности потоков.

      Действительно, по вопросам движения вод в волновых потоках, хотя они и определяют взвешивание и перемещение наносов, не выработаны общепринятые концепции [6, 25, 33, 52, 61, 109]. По этой причине основными факторами, определяющими взвешивание и перемещение наносов, одни исследователи считают волновые колебательные движения, другие — переносные течения, а третьи — совместное действие волновых движений и переносных течений. В. В. Лонгинов [109], в частности, определяющим фактором считает волновые колебательные движения, а второстепенными— вдольбереговые и компенсационные течения. Отмечая отсутствие сведений о турбулентности в волновом потоке, этот автор предполагает, что возвратно-поступательные волновые движения не могут способствовать развитию сколько-нибудь устойчивой турбулентности и отсюда делает вывод, что турбулентность не относится к определяющим взвешивание наносов факторам.

     Для обеспечения размыва донных отложений и взвешивания твердых частиц в первую очередь необходимо, чтобы скорость потока независимо от его вида (волновые колебания, сравнительно устойчивое вдольбереговое течение или пульсационные движения) превышала размывающую скорость для грунтов. Следовательно, при решении вопросов динамики наносов береговой зоны водоемов основное внимание необходимо уделять таким видам движений воды, скорость которых в конкретных условиях может достигать наибольших значений и осуществлять размыв и взвешивание твердых частиц.

      Наибольшую скорость в волновом потоке имеют волновые колебательные движения. В прибойной зоне внутренних водоемов, они могут достигать в зависимости от силы шторма 3—5 м/с. Скорость пульсационных движений в условиях движения волн на глубокой воде обычно на порядок меньше скорости волновых колебательных движений. Однако в зонах интенсивного забуру-нивания и разбивания волн предельные значения пульсаций скорости могут приближаться к скорости волновых колебательных движений и, наряду с последними, оказывать существенное влияние на процессы взмучивания твердых частиц и поддержание их во взвешенном состоянии [7, 52, 89, 109, 239]. Скорость переносных течений, к которым относятся вдольбереговые и компенсационные течения, при штормах средней силы обычно составляет 0,1—0,5 м/с, а при штормах наибольшей силы может достигать 1,0—1,5 м/с. Эти течения осуществляют в основном перенос наносов, взвешиваемых в результате волновых и пульсационных движений, но нередко при штормах средней и большой силы они могут размывать дно и заметно влиять на процессы взвешивания твердых частиц.

      Сочетание волновых колебательных и пульсационных движений с переносным течением приводит к тому, что траектории частиц жидкости в волновом потоке над береговой отмелью приобретают весьма сложный вид (см. гл. 2), существенно отличающийся от вида траекторий движения частиц в речном потоке. Несмотря на это, в волновом потоке, как и в русловом, наблюдается три вида перемещения твердых частиц: во взвешенном состоянии, сальтацией и влечением. Однако каждый из этих видов движений отличается большей сложностью и разнообразием, чем в русловом потоке.

      На береговых отмелях внутренних водоемов выделяют три качественно различных режима движения влекомых наносов: рифельный, грядовый и гладкий.

      Рифельный режим движения наносов наблюдается в условиях сравнительно слабого и достаточно упорядоченного волнового воздействия на донные отложения. При прохождении гребней волн под действием волновых движений твердые частицы перекатываются или скользят по лобовым склонам рифелей, затем срываются с гребней и попадают в область вихрей над подвальями, где возникают вальцы с резко повышенным содержанием твердых частиц. Вальцы часто располагаются параллельными рядами и нередко прослеживаются вдоль рифелей на несколько метров. Твердые частицы из области вихрей частично переходят в область потока, а частично выпадают на гребни соседних рифелей. Попавшие в область потока взвешенные частицы при косом подходе волн к берегу движутся по зигзагообразным траекториям и обычно смещаются вдоль берега переносным течением.

      Грядовый режим движения наносов наблюдается в условиях интенсивных вдольбереговых течений. Под их действием на береговых отмелях, сложенных песками, возникают гряды, близкие по форме к обычным русловым. Чаще всего они располагаются между зоной разбивания волн и урезом. На узких отмелях (15— 20 м) Кайраккумского водохранилища при скорости вдольберего-вого течения около 0,7—0,9 м/с в период исследований часто наблюдались трехмерные гряды руслового типа длиной 1,5—2,0 м и высотой 0,10—0,12 м. На поверхности этих крупных гряд обычно перемещались более мелкие гряды с размерами примерно на порядок меньшими, чем у крупных гряд. Гряды больших и малых размеров обычно полностью исчезали по мере затухания шторма и вдольберегового течения. p>      На широких береговых отмелях Азовского моря, Ладожского и Онежского озер при вдольбереговых течениях возникали гряды длиной до нескольких десятков метров и высотой до 0,2—0,3 м. Чаще всего их удавалось наблюдать на выпуклых в плане участках берега, где вдольбереговые течения при косом подходе волн получали наибольшее развитие. Крупные трехмерные гряды на широких отмелях нередко сохранялись, частично трансформируясь, в течение нескольких штормов сравнительно небольшой силы. Сильные штормы вызывали коренную перестройку рельефа береговой отмели и меняли режим движения наносов. В условиях преобладания-постепенной трансформации волн и вдольбереговых течений на отмелях водоемов со сложным строением донного рельефа (рис. 7.3) наблюдалось сочетание двух и даже трех режимов движения наносов. Наиболее отчетливо при этом были выражены грядовый и рифельные режимы. Рифельный режим движения наносов чаще всего наблюдался в подвальях примкнувших к урезу крупных гряд, а грядовый — в зоне наиболее интенсивного вдольберегового течения.

      Гладкий режим движения наносов на береговых отмелях внутренних водоемов наблюдается при сильных штормах и большой скорости вдольбереговых течений. На береговых отмелях, сформированных у приглубого берега, благоприятные условия для такого режима движения наносов создаются в случаях, когда штормовые волны почти полностью разрушаются у бровки отмели. Вдольбе-реговое течение при этом периодически, но незначительно, нарушается потоками наката, не искажающими существенно поступательного перемещения воды и наносов. Концентрация твердых частиц в придонном слое в таких условиях достигает больших значений, что и создает впечатление о движении наносов в виде слоя. В действительности, как показывают наблюдения, под слоем взвешенных и сальтирующих частиц высокой концентрации донные отложения находятся в неподвижном состоянии.

      Движение твердых частиц происходит и при практически плоской форме дна береговых отмелей. При прохождении волн над плоским дном твердые частицы перекатываются или скользят по нему, сальтируют или переходят во взвешенное состояние в зависимости от высоты волны и скорости переносного течения. Отрыву и взвешиванию твердых частиц благоприятствуют, по видимому, колебания фильтрационного давления в порах грунта, которые учитывает Н. Е. Кондратьев [90] в своей теоретической схеме движения наносов при формировании береговых отмелей. На основании наблюдений затруднительно выяснить, какой из факторов — изменение фильтрационного давления или асимметрия волновых движений — определяет отрыв ото дна и взвешивание твердых частиц. Можно предположить, что на отмелях, сложенных мелкозернистыми песками, процессы отрыва частиц происходят преимущественно в результате асимметрии волновых колебательных движений, а на отмелях с преобладанием гравийно-галечных пород—в результате изменений фильтрационного давления. Однако надежные данные по этому вопросу еще не получены.

...