Введение

Введение
По определению В.В. Лонгинова береговая зона должна рассматриватсяг «как область моря: в которой движения воды определяются постоянным взаимодействием с сушей» (Лонгинов, 1963). В данной работе мы будем исходить из этого определения береговой зоны моря, которое определяет границы береговой зоны динамически, в зависимости от исследуемых или фактических движений воды. Например, во время штиля и в отсутствии волн ширина береговой зоны должна быть принята равной нулю. Все основные движения воды в береговой зоне, за исключением ряда течений (приливных, для которых все море является береговой зоной, вдольбереговых градиентных, плотностных, геострофических, ветровых дрейфовых и т.д.), индуцируются волнением, подходящим к берегу из открытого моря. Практически вся энергия, накопленная волнением, диссипируется в береговой зоне.

По мере развития общества и технического прогресса интенсивность освоения береговой зоны морей возрастает. Это связано с ростом как транспортных (строительство новых портов, нефтяных и газовых терминалов и трубопроводов), так и рекреационных нагрузок. Соответственно возрастает риск техногенных и природных катастроф в береговой зоне моря и значительного экономического ущерба при нерациональном использовании ресурсов береговой зоны. Поэтому необходим достоверный прогноз динамических процессов береговой зоны и разработка методов расчета размывов и заносимости гидротехнических сооружений, искусственных и естественных пляжей, берегозащитных сооружений, а также расчета переноса загрязнений, образования низкочастотных колебаний и циркуляционных течений в портах, гаванях, вокруг искусственных островов и подводных рифов.
С точки зрения фундаментальной науки береговая зона интересна тем, что в ней сконцентрированы проявления самых разнообразных физических закономерностей. Например, особенности рельефа дна приводят к проявлению практически всех известных свойств нелинейных волн. Знакопеременный характер движения: частиц воды а волновом потоке накладывает дополнительную нестационарность на классические механизмы генерации турбулентности. Процессы взвешивания и переноса наносов определяются чрезвычайно широким спектром масштабов движения воды от мелкомасштабной турбулентности до низкочастотных гравитационных волн.
Анализ современного состояния изученности динамики береговой зоны показывает общепризнанность того факта, что поверхностное волнение является основным источником поступления энергии в береговую зону моря и определяет большинство динамических процессов в этой зоне. Вся энергия волн, накопленная ими в открытом море под действием ветра диссипируется в береговой зоне моря. Все режимы волнения на внешней границе береговой зоны нерегулярны и обладают групповой структурой, проявляющейся в чередовании цугов высоких и низких волн. По мере распространения волн к берегу волновое движение нелинейным образом трансформируется в движения разных типов и масштабов, включая турбулентные и инфрагравитационные, вызывая перенос донных осадков и загрязнений, значительные деформации рельефа дна и изменения береговой линии. Такие движения оказывают порой катастрофическое воздействие на берегоукрепительные, гидротехнические, портовые и другие сооружения.
В последние годы развит ряд численных и аналитических моделей, позволяющих адекватно описывать практически все известные нелинейные эффекты в поле волн в как во временной, так и в частотной областях. Трудности остаются только в правильном задании граничных условий и описании диссипации энергии волн в прибойной зоне. Написаны десятки вариантов численных математических моделей, позволяющие решать нелинейные уравнения распространения волн на конечной глубине как в
реальных простанственно-временных координатах, так и в спектральном виде, и адекватно описывающие практически все встречаемые эффекты в поле ветровых волн (современные обзоры можно найти в работах Zaharov, 1998; Becq-Girard et al., 1999). Несмотря на явные успехи численного и аналитического моделирования ветрового волнения, стройная качественная картина нелинейной деформации нерегулярных волн над наклонным дном отсутствует, что объясняется отсутствием продолжительных непрерывных рядов измерений параметров волнения, позволяющих достаточно полно исследовать и классифицировать закономерности эволюции волн на мелкой воде, обусловленные многообразием вариантов трансформации поля волн над особенностями рельефа дна и разными масштабами временной изменчивости. Это часто приводит к использованию ошибочных предпосылок при построении и верификации упрощенных геоэкологических моделей, использующих среднестатистические и спектральные параметры. Несмотря на очевидный прогресс в изучении волн, существует большой разрыв между резко выросшими в последние годы возможностями численного моделирования эволюции волн и нашей способностью понять и проинтерпретировать физические механизмы, лежащие в основе этого комплексного процесса. Кроме того, эта задача осложняется разнообразием волновых режимов на входе в береговую зону и многообразием форм рельефа дна. Такая ситуация привела к отсутствию среди исследователей единого мнения по ряду принципиальных вопросов динамики волн в береговой зоне.
Строгих и полностью обоснованных методов расчета концентрации взвешенных наносов и расхода осадочного материала не существует до сих пор. Большая часть используемых моделей • носит эмпирический, полуэмпирический или феноменологический характер. Прогресс в данном направлении тормозится отсутствием детальных экспериментальных данных об элементарных процессах и механизмах взвешивания осадков, а также сложностью адекватного описания поля волн, вызывающего движения
осадков. Общепризнанно, что непосредственное влияние на взвешивание осадков оказывает мелкомасштабная турбулентность, однако точные механизмы генерации турбулентности, ее статистическое описание для условий волнового потока и количественные связи между параметрами турбулентности и концентрации взвешенных наносов отсутствуют.
Можно заключить, что в настоящее время существует большое количество как чисто теоретических, так и эмпирических и полуэмпирических моделей описывающих специфические динамические процессы береговой зоны моря. Большинство моделей, явно или не явно, опираются на систему представлений и гипотез об элементарных процессах, . протекающих в береговой зоне моря. Между тем, эти представления в большинстве случаев до сих не получили исчерпывающей экспериментальной проверки, и часто основываются лишь на здравом смысле исследователей. Как правило, большинство процессов, протекающих в береговой зоне, имеют нелинейных характер и не могут быть проинтерпретированы с точки зрения одного лишь здравого смысла и на основе совпадения конечных результатов моделирования с наблюдениями в природе без детального рассмотрения их механизмов. Отсутствие стройной физической картины динамики береговой зоны может в свою очередь приводить к неправильной интерпретации, как экспериментальных данных, так и результатов моделирования. Это, в свою очередь, приводит к использованию ошибочных предпосылок при создании новых полуэмпирических моделей специфических процессов береговой зоны.
Из проведенного обзора вытекает актуальность нового направления исследований динамики береговой зоны, которому посвящена диссертация - установлению физических механизмов протекающих процессов.
Предметом диссертации является теоретическое обобщение экспериментальных исследований процессов трансформации нерегулярных волн в береговой зоне моря, генерации турбулентности в придонном слое и
при обрушении волн и вызываемое ими взвешивание наносов, их перенос и результирующие деформации рельефа дна. Цель диссертационной работы -создание физической картины трансформации нерегулярных волн в береговой зоне, выяснение и параметризация основных механизмов образования турбулентности в волновых потоках на мелководье, выяснение механизмов взвешивания и транспорта наносов под действием волнения и турбулентности и оценка их относительного вклада в формирование расхода наносов и переформирования рельефа дна.
Основными методами исследования являются:
проведение натурных экспериментов по синхронному измерению поверхностного волнения, скоростей частиц воды и концентрации взвешенных наносов в нескольких точках береговой зоны моря;
использование современных методов анализа временных рядов для выяснения физических закономерностей на фоне нестационарных, перемежающихся, нелинейных проявлений взаимодействия различных масштабов волнения и турбулентности в процессе перемещения осадков и деформаций рельефа дна.
Использование численного и аналитического моделирования для обобщения и интерпретации наблюденных эффектов.
Для развития данного направления автором были:
1. Разработаны методы измерения скоростей частиц воды и концентрации взвешенных наносов в береговой зоне моря.
2. Обоснована методика разделения волновых и турбулентных движений частиц воды.
3. Проведены серии комплексных натурных экспериментов по синхронному измерению волнения, волновых скоростей и концентрации взвешенных песчаных осадков.
4. Выяснена структура нерегулярного волнения на входе в береговую зону.
8
5. Исследованы закономерности трансформации нерегулярных волн в береговой зоне на основе данных численных и натурных экспериментов.
6. Изучены условия возникновения мелкомасштабной турбулентности, инициируемой волнением, и ее статистические свойства на основе данных натурных экспериментов.
7. Экспериментально, в натурных условиях, выяснены доминирующие механизмов взвешивания и переноса осадков волнами и мелкомасштабной турбулентностью.
8. Путем натурных и численных экспериментов исследовано влияния временной и пространственной изменчивости параметров волнения на концентрацию и расход взвешенных наносов.
В ходе развития данного направления исследований автором были получены следующие основные результаты:
1. Установлено существование ламинарного, переходного и турбулентного режимов в волновом потоке на мелководье.
2. Получен критерий перехода к турбулентному режиму в волновом потоке, и исследованы зависимости статистических характеристик турбулентности от параметров волн.
3. Выяснены и объяснены механизмы трансформации групповой структуры волн в прибрежной зоне моря.
4. Выяснены особенности частотной избирательности диссипации энергии волн в прибойной зоне.
5. Экспериментально установлена дисперсионная природа вторичных волн за подводными валами.
6. Открыт и объяснен парадокс аномальной дисперсии ветровых волн на мелкой воде.
7. Прямыми измерениями продемонстрирована и описана связь взвешивания осадков с интенсивностью турбулентности в придонной области.
8. Экспериментально установлены основные механизмы взвешивания осадков гравитационными волнами.
9. Установлены границы его применимости "энергетической" подхода к прогнозу транспорта осадков и экспериментально проверены его основные постулаты,.
10. Выявлено влияние перемежаемости турбулентности и нелинейного взаимодействия групп гравитационных волн с инфрагравитационными волнами на процессы взвешивания и результирующий перенос осадков.
На защиту выносится физическая модель динамических процессов береговой зоны, включающая в себя следующие положения:
1. Все режимы волнения на входе в береговую зону моря имеют групповую структуру, обладающую свойствами автомодельности.
2. Выравнивание высот волн при их приближении к берегу происходит из-за нелинейной перестройки спектра волн в области частот первых гармоник и эффекта заполнения промежутков между группами, созданными первыми гармониками, группами высокочастотных волн. При этом мгновенное отношение амплитуд первой и второй гармоник меняется во времени.
3. Степень асимметрии волн и уклон дна определяют три типа частотной зависимости скорости диссипации энергии волн при обрушении. Обрушение изменяет форму спектра волн, компенсируя действия процессов линейной и нелинейной трансформации.
4. В природном волновом потоке на мелководье, в отсутствии обрушения, существуют ламинарный и турбулентный режимы. При переходе от ламинарного к турбулентному режиму флуктуации скорости имеют место лишь под гребнями и ложбинами волн. Критерием этого перехода является крутизна волны.
5. Существуют три основных механизма взвешивания наносов, определяющие временные масштабы флуктуации концентрации: а) выброс
вихрей из-за фебней песчаных рифелей при смене направления придонной скорости воды, б) образование вихрей в пограничном слое вследствие гидродинамической неустойчивости волнового потока при его замедлении в) образование крупномасштабных вихрей при обрушении гребней волн .
6. Групповая структура волн, особенно ее сочетание с инфрафавитационными волнами, и вид частотной зависимости диссипации энергии при обрушении определяют величины и направления расхода взвешенных наносов и деформаций рельефа дна.
Новизна работы определяется поставленными задачами, использованными подходами и полученными результатами. Новизной постановки задачи является направленность исследования на выяснение и элементарных и комплексных физических механизмов динамики береговой зоны. Новизной подхода является совместное использование тщательно спланированных натурных экспериментов и численного и аналитического моделирования как для разделения различных механизмов динамики береговой зоны, так и для их теоретического обобщения. Все упомянутые результаты работы обладают новизной и демонстрируют сложность и взаимосвязанность динамических процессов береговой зоны моря.
Личный вклад автора существенен на всех этапах проведенных исследований. Основная часть экспериментальных результатов получена при непосредственном участии автора в 11 натурных экспериментах: «Камчия-79», «Нида-81», «Шкорпиловцы -82, 83, 85, 88», «Нордерней-94», «Эбродельта-96», «Новомихайловка- 93, 99, 02». В приборных разработках и комплексных натурных экспериментах, выполненных в соавторстве с коллективами ИО РАН и ЮО ИО РАН автор был инициатором, руководителем отдельных и непосредственным участником всех проводимых исследований. Обработка экспериментальных данных, моделирование и интерпретация полученных результатов была выполнена в соавторстве с сотрудниками ЮО ИО РАН и ИО РАН, первичная обработка экспериментальных данных и значительная часть аналитических и
численных расчетов была выполнена непосредственно автором.
Практическая значимость работы определяется созданием физической модели динамики береговой зоны моря, которая описывает волнение на входе в береговую зону, основные черты трансформации волн, генерацию мелкомасштабной турбулентности в волновом потоке, механизмы взвешивания и переноса песка волнами и мелкомасштабной турбулентностью. Эта модель может быть применена в качестве основы для уточнения старых и построения новых полу эмпирических методов расчета волнения, потоков наносов и деформаций рельефа дна в береговой зоне моря.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах Лаборатории шельфа и морских берегов, и Лаборатории морской турбулентности ИО РАН, на семинарах кафедры физики моря МГУ, на 9 всесоюзных и всероссийских конференциях и на 22 международных конференциях.
По теме диссертации опубликовано 77 научных работ, их них 12 статей в отечественных и зарубежных рецензируемых журналах, 12 статей в тематических сборниках и коллективных монографиях, 22 статьи в трудах конференций.
Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 206 страниц текста, 111 рисунков, 5 таблиц; список литературы содержит 208 названий.
В главе 1 приведены описания приборов для измерения волн, волновых скоростей и концентрации взвешенных наносов, и обоснованы использованные в работе методы измерений. Описано 11 натурных экспериментов, использовавшихся при исследовании.
Глава 2 посвящена экспериментальным исследованиям волнения в береговой зоне. В ней рассмотрена изменчивость параметров волн на входе в береговую зону, приведены типичные сценарии и механизмы трансформации
волн и их групповой структуры, выяснен вид частотной зависимости скорости диссипации энергии волн при их обрушении, обсуждены вопросы применимости классических понятий фазовой и групповой скорости к волнам в береговой зоне, описаны механизмы образования вторичных и инфрагравитационных волн.
В главе 3 рассмотрены методы экспериментального разграничения волновых и турбулентных движений при различных режимах волнового потока в мелкой воде. Получены критерии перехода волнового потока к турбулентному режиму, найдены соотношения между статистическими характеристиками турбулентности и параметрами волнения на основе данных натурных экспериментов.
В главе 4 рассмотрены механизмы взвешивания и транспорта наносов волнами и производимой ими турбулентностью. Результаты численных и натурных экспериментов демонстрируют пренебрежимо малое влияние волнового движения и доминирование турбулентности среди всех гидродинамических факторов в их влиянии на процессы взвешивания песка. Приведены экспериментальные и модельные оценки влияния волн, групп гравитационных волн и инфрагравитационных волн на концентрацию и расход взвешенного песка.
Замечания об оформлении работы: список литературы составлен в алфавитном порядке; нумерация рисунков, таблиц и формул - по-главная.
Автор считает своим долгом выразить признательность профессору Р.В. Озмидову, профессору Р.Д. Косьяну, к.г.н. Н.С. Сперанскому, к.ф.-м.н. Н.В. Пыхову, к.ф.-м.н. Я. В. Сапрыкиной за большую помощь в выполнении работы и ценные обсуждения полученных результатов.
Глава 1. Измерительная аппаратура и эксперименты
Основной целью проведенных натурных экспериментов было синхронное измерение поверхностного волнения, скоростей частиц воды и концентрации взвешенных наносов в толще потока в нескольких точках береговой зоны моря для последующего анализа при построении физической модели динамики береговой зоны. В этой главе кратко описаны условия проведения основных натурных экспериментов и использованного для измерений оборудования.
1.1. Аппаратура для проведения натурных экспериментов
Условия проведения натурных экспериментов в прибрежной зоне моря накладывают ряд специфических требований на измерительную аппаратуру. С одной стороны все используемые датчики должны быть достаточно прочными, чтобы противостоять натиску обрушающихся волн, нередко содержащих водоросли и различного рода твердые предметы (ракушки, гальку, обломки деревьев, досок, пластмассовые изделия и т.п.), с другой стороны достаточно точными и охватывать широкий частотный диапазон флуктуации измеряемых величин начиная от частот инфрагравитационных волн и до частот турбулентных флуктуации. Подробный обзор существующих методов измерений гидро- и литодинамических процессов в береговой зоне, их относительные достоинства и недостатки приведен в монографии Р.Д. Косьяна и Н.В. Пыхова (1991). В этом разделе описываются только приборы, использованные в данном исследовании и методики измерений, разработанные специально для данного исследования. Выбор приборов определялся как их функциональными возможностями, так и финансовыми возможностями исследовательских коллективов, проводивших измерения. Рассмотрены измерители скорости частиц воды - датчики динамического давления ВДК, двухкомпонентные электромагнитные датчики, волнографы - датчики давления, струнные волнографы
сопротивления, электроконтактные волнографы, измеритель концентрации -турбидиметр.
1.1.1 Датчик динамического давления ВДК
Измеритель динамического давления (ВДК), сконструированный Н. В. Вершинским, А. А. Депрейсом и А. П. Кестнером (Вершинский, 1950, 1952; Кестнер, 1961) нашел широкое применение в практике натурных и лабораторных измерений как прибор для измерения скорости движений воды. Методика измерения скорости потока с его помощью рассмотрена в статье автора диссертации (Кузнецов, Сперанский, 1986). Датчик регистрирует силу динамического давления воды на воспринимающий элемент, которая затем пересчитывается в скорость. Конструкция представляет собой дифференциальный индукционный приемник с воспринимающим элементом (рис. 1.1.1.1 - а) в виде шара или диска, закрепленном с помощью стойки б на стержне якоря в. Отклонение якоря, пропорциональное моменту сил, действующих на воспринимающий элемент, преобразуется в ток разбаланса мостовой схемы (указанные на рис. 1.1.1.1 катушки индуктивности являются двумя изменяющимися плечами) и передается на регистратор.
Достоинство измерителя заключается в простоте конструкции, прочности и надежности работы в натурных условиях, а также в компактности. Еще одно преимущество ВДК состоит в том, что его работа не зависит от наличия в воде взвешенных наносов, которые значительно увеличивают погрешности современных акустических и электромагнитных измерителей и даже делают невозможным их применение. Его недостатки связаны с инерционностью, а также с тем, что измеряемой величиной является не скорость, а сила динамического давления на воспринимающий элемент. Поэтому при использовании датчика ВДК для определения мгновенной скорости надо знать частотную характеристику измерителя силы и способ перехода от динамического давления к скорости.
Рисунок. 1.1.1.1. Принципиальная схема датчика ВДК.
а - диск, воспринимающий гидродинамическое давление; б - стойка; в упругий стержень якоря; г - сердечник; д - обмотки сердечника; е магинтопровод якоря.
/6
Кестнер (1961) определяет границу верхних частот ^ регистрируемых датчиком с завалом по амплитуде на 30%, как fb = (2лт0)"', где г0- постоянная времени, определенная по времени релаксации воспринимающего элемента датчика в воде, равная 0,007 с. Рабочий диапазон датчика как измерителя силы определен в пределах от 0 до 23 Гц (Кестнер, 1961).
Попов (1958а) определил динамические характеристики тензометрического варианта датчика ВДК как измерителя скорости, исходя из уравнения движения его воспринимающего элемента. Однако член этого уравнения, описывающий сопротивление диска потоку, был принят пропорциональным первой степени скорости, хотя известно, что закон сопротивления зависит от режима обтекания. По данным Гольдштейна (1948), критическое число Re^ для поступательного потока, начиная с
которого закон обтекания становится квадратичным, равно 200. Для диска диаметром 20 мм, используемого в натурных измерениях, соответствующая критическая скорость vKp=0,01 м/с. Для волнового потока по результатам
тарировок на основе сравнения амплитуд волновых скоростей, измеренных с помощью ВДК и эталонных измерителей (киносъемка, микровертушка), проведенных Волковым (1961 в) и Слабаковым (1982), квадратичный закон справедлив, начиная примерно с Re^ =2000, т. е. для диска 20 мм начиная со
скорости порядка 0,1 м/с.
Таким образом, результаты Попова (1958а) справедливы только для относительно малых скоростей. При больших скоростях закон сопротивления должен быть принят квадратичным, уравнение становится нелинейным, и получить его аналитическое решение не удается.
В другой своей статье Попов (1958в) рассмотрел процесс восстановления скорости потока по записи силы динамического давления PD(t) = ^v + 5v|v|, где v- ускорение потока, v - скорость потока, / - время, а А и В - коэффициенты, зависящие от размеров воспринимающего элемента

Список литературы