Динамическая геоморфология - Ананьев Г.С.
ISBN 5-211-01618-1
Скачать (прямая ссылка):
Общие представления о методах исследования вдоль береговых потоков наносов излагаются в ряде монографий и учебных пособий (Зенкович, 1962; Леонтьев, 1961; Леонтьев и др., 1975; Лонгинов, 1963; Ингл, 1971; Сафьянов, 1973, 1978, 1987). Интересные результаты в этой области достигнуты английскими и американскими исследователями (Longuet Higgins, 1970; Bowen, 1969; Komar, Inman, 1970; Inman et al, 1969).
Полученные П. Комаром и Д. Инманом расчетные выражения касаются двух моделей транспорта песка вдоль берега. Первая модель исходит из пропорциональности расхода вдольберегового потока наносов, выраженного массой песка в воде (иммерсионной массой) Jj, вдольбереговой составляющей потока волновой енер
389
Рис. 80. Скорость вдольберегового транспорта песка в иммерсионном (погруженном) весе (Н-с-1) как функция вдольбереговой составляющей потока волновой энергии (Вт-м-1). Полевые данные наблюдений за волнением исправлены от высот значительных волн к высотам среднеквадратическим (!шпал et al., 1976): 1 - пляж Сильвер; ? - Эль Морено; 5 - другие; 4 ~ постоянная амплитуда
гии (рис. 80):
Ii = к(ЕСп)р sin op сое ар>
где E - плотность энергии; Cn - групповая скорость волн (скорость переноса энергии); ар - угол подхода волн к зоне разрушения. Значение коэффициента к по данным экспериментальных наблюдений оказалось равным 0,77.
Вторая модель предполагает, что волны обеспечивают энергию для движения и взвешивания наносов, орбитальное движение перемещает наносы по направлению луча волны и обратно, но не создает направленного переноса, хотя волновая энергия расходуется. Направленное перемещение вдоль берега, однако, обеспечивается вдольбереговой составляющей течения Vj, которое в общем случае может быть и не связано с углом подхода волн к зоне разрушения. Расход вдольберегового потока наносов для этого случая представлен в виде
Ii = K'(ECn)pcosap(Vt/Vm),
390
где Vm - величина максимальной горизонтальной составляющей придонной скорости в. зоне разрушения волн. Ее значение может быть получено из теории одиночных волн:
в котором Cp - фазовая скорость волн, 7Р - отношение высоты волны в зоне разрушения к глубине разрушения, равное 0,78. Вдольбереговой перенос песка пропорционален диссипации энергии при трении о дно. Численное значение коэффициента К', полученное по данным экспериментов, равно 0,28.
Применимость приведенных выражений установлена для диапазона изменения крупности частиц на пляжах от 0,175 до 0,6 мм, но, по-видимому, он несколько шире.
Общим недостатком этих выражений служит очевидный недоучет роли крупности наносов. Так, например, в экспериментальных условиях Б.А. Шуляком получено, что величина интегрального расхода при изменении диаметра частиц от 0,3 до 0,1 мм изменялась в 50 раз. Этот пример показывает, как важно знать функцию распределения частиц по размеру и плотности.
Учет гранулометрического состава наносов особенно очевиден при попытках расчета величины расхода вдольберегового потока галечных наносов.
Комплекс натурных наблюдений, выполненных в широком диапазоне параметров волн и гранулометрического состава наносов пляжей, позволил получить зависимость расхода галечного потока наносов от вдольбереговой составляющей потока волновой энергии (Петров и др., 1983; Петров, 1984). Исследования проведены в диапазоне высот волн 1%-ной обеспеченности (в системе) по линии последнего разрушения от 0,25 до 3,0 м, углах их подхода к берегу от 0 до 45° и средних периодах от 3,1 до 9,8 с. Расчетная зависимость для расхода потока галечных наносов имеет вид:
G = 2 • №*рд2Ь*х%та~1 sin ар cos ар,
где р - плотность морской воды; д - ускорение силы тяжести; т - средний период волн; hpX% - высота волн в зоне разрушения 1%-ной обеспеченности (в системе); d - осредненный для прибойной зоны медианный диаметр пляжеобразующего материала; ар - угол подхода волн к зоне последнего разрушения.
В природных условиях пляжи неоднородны по составу наносов, что сказывается на начальных условиях сдвига. На начало движения неоднородной по гранулометрическому составу грунтовой смеси целесообразно принять начало движения наносов с
391
крупностью, соответствующей медианному диаметру. Экспериментально было установлено (Петров и др., 1983), что при равенстве медианных диаметров пляжевых наносов для вовлечения в движение неоднородного материала необходимо более интенсивное волновое воздействие, и эта неоднородность может быть уч-• тена в выражении для расхода вдольберегового потока наносов.
Однако механизм вдольберегового перемещения сложен во времени и во многом зависит от стадии формирования профиля. Было замечено (Катков и др., 1984), что в начальный период движение прибойного потока не обнаруживает заметной связи с циркуляцией воды до зоны разрушения. С увеличением длины наката по мере выработки профиля увеличивается и время наката, а время для действия обратного потока, наоборот, уменьшается. Откат не успевает завершиться до подхода следующей волны, которая попадает в более глубокий поток и разрушается не по типу ныряющего буруна, а по типу неполного разрушения. Затем уже этот "удвоенный" откат взаимодействует с третьей волной и образует правильное ныряющее обрушение. Такое неустойчивое поведение потока приводит к местной продольной межфестонной циркуляции, для которой характерно наличие разрывных течений и вдольбереговое изменение высоты волны. Три волны, следующие друг за другом по линии обрушения, образуют разную амплитуду, через три периода подходящих волн меняя положение на обратное. Вдоль линии обрушения возникают колебания по типу краевых волн. Из анализа соотношения силы, приводящей к межфестонной циркуляции, и силы, которая возбуждает вдольбереговое течение, получены условия равновесия (Котаг, 1971). Отсюда образование фестонов вызвано вдольбереговым изменением высоты волны, которое тем больше, чем больше угол подхода волн. По мере дальнейшего формирования поперечного профиля разница в фазах между временем наката и периодом поступающих волн становится равной периоду волны, возникают условия для выработки равновесного предельного профиля. Исчезает различие высот волн вдоль берега, фестоны смещаются в соседние по ходу потока межфестонные ложбины.
