Мониторинг береговой зоны намывных территорий

Намывные побережья образованы в большинстве случаев грунтами дноуглубления, вскрышными грунтами береговых и подводных карьеров со значительным объемом глинистых фракций. Создание намывных побережий из таких грунтов без проведения специальных природоохранных мероприятий приводит к большим материальным и экологическим ущербам, ухудшению санитарного состояния водной среды, сокращению и гибели гидробионтов.

Особенностями водонасыщенных глинистых и илистых грунтов являются:

  • - малая плотность, и как следствие этого высокая сжимаемость, достигающая 10-15% мощности слоя при нагрузках 1-1,5 кг/см2;
  • - низкие прочностные характеристики (ползучие грунты имеют угол внутреннего трения 5-12° и сцепление 0,1-0,3 кг/см2);
  • - длительная продолжительность процесса фильтрационной консолидации (уплотнения) - месяцы и годы;
  • - отчетливо выраженные реологические свойства. Пороги начальной и установившейся ползучести равны нулю. Период неустановив- шейся ползучести мал, а установившаяся сдвиговая ползучесть после завершения процесса уплотнения протекает непрерывно, не обнаруживая тенденций к затуханию. Коэффициент вязкости в периоде установившейся ползучести находится в диапазоне 101 °— 1013 П;
  • - возможность тиксотропного разупрочнения под воздействием динамической нагрузки.

Незакрепленные берега намывных территорий имеют прихотливую, часто перемещающуюся береговую линию.

Проектирование береговых укреплений на слабых основаниях предъявляет специальные требования к инженерно-геологическим изысканиям. Для выбора типа сооружения и размеров конструкции на слабых основаниях необходимо изучить указанные выше особенности слабых грунтов.

Переформирование берегов намывных территорий представляет собой нестационарный многофакторный процесс, в результате которого возникают различные формы берегов.

Предполагается, что при проектировании, строительстве и эксплуатации намывных территорий учтены особенности взаимодействия искусственной береговой зоны с погребенным ее геолого-геоморфологическим основанием. Однако реальные проекты слабо учитывают эволюцию береговых процессов, которые будут развиваться по аванконтуру намывной территории на дне и откосах. Продолжительность периода такой эволюции регламентирует выбор того или иного подхода к моделированию.

Модели процессов обладают наибольшей детальностью и информативностью. Однако при прогнозировании долговременных изменений они оказываются не эффективными, если речь идет о достаточно зрелых берегах, в первую очередь- естественного происхождения. Их эволюция управляется факторами, которые почти не заметны на малых масштабах времени и не улавливаются моделями элементарных процессов. Вместе с тем использование «моделей процессов» за пределами установленных временных рамок может дать положительные результаты для искусственных берегов или для берегов водохранилищ на ранних стадиях развития, когда квазиравновесный профиль еще не выработался.

Отход пляжной линии может быть заметен даже при незначительном подъеме уровня моря, так как пляжные поверхности зачастую имеют низкий уровень наклона. Согласно правилу Брюна индекс эрозии примерно в 50-100 раз выше, чем индекс подъема уровня моря, это значит, что подъем уровня моря на 1 м привел бы к потере 50-100 м береговой полосы.

Как правило, берега техногенных территорий, образованных средствами гидромеханизации, подвергаются закреплению, поскольку в проектах заранее предусматривается комплекс берегозащитных мероприятий превентивного назначения, ориентированных на обеспечение безопасного функционирования портовых и других инженерных сооружений. Кроме того, здесь проводятся регулярные регламентные наблюдения за состоянием геологической среды.

Закрепление протяженных намывных берегов проводится в зависимости от конкретных условий береговой зоны шпунтом, каменной наброской, набережными и прочими инженерными устройствами, включая сетки, габионы, технологии Geotube.

Переработка незакрепленных намывных берегов (рис. 5.7) идет наиболее интенсивно в первые годы эксплуатации от 5 до 10 лет. Для стабилизации берега требуется срок от 20 до 30 лет. Невооруженным глазом видна береговая эрозия.

При изменении уровня весь профиль перемещается в новое положение (правило Зенковича-Брюна: величина горизонтального перемещения береговой линии вглубь прилегающей к водоему суши прямо пропорциональна величине изменения уровня воды, ширине подвергающегося воздействию волн подводного берегового склона и обратно пропорциональна глубине на внешней границе склона).

Переработка незакрепленных намывных берегов при изменении уровня моря (/?*) и различных значениях бюджета наносов (В)

Рис. 5.7. Переработка незакрепленных намывных берегов при изменении уровня моря (/?*) и различных значениях бюджета наносов (В)

Профиль относительного динамического равновесия описывается функцией: h = Лу2/3, где h - глубина, м; у - горизонтальная координата, м; А - параметр крутизны профиля, зависящий от крупности материала d).

При дисбалансе бюджета наносов смещается урез, а основание профиля фиксировано. В результате при дефиците бюджета берег отступает, и его средний уклон уменьшается. При избыточном питании, наоборот, берег выдвигается, и его уклон растет.

Скорость смещения берега определяется как изменениями уровня моря, так и дисбалансом бюджета наносов В, который, во-первых, обусловливает изменения геометрии профиля, а во-вторых, влияет на его эволюцию при изменении уровня моря.

Не существует никаких ограничений для распространения таких зависимостей на намывные территории, предназначенные для массовой жилищной застройки. Бюджет наносов описывается выражением:

где q*- поперечный поток через нижнюю границу береговой зоны;

Члео1 ~ поток через верхнюю границу пляжа; dQ/dy - градиент вдольбере- гового потока наносов; Q - дополнительные источники (Q = 0).

Профиль равновесия морского берега достигается прекращением размыва и приноса отложений течениями и волнами, и склон принимает профиль выпуклый, с более крутой нижней частью.

Подводная часть береговых укреплений, подверженная временному или постоянному затоплению (особенно по линии их сопряжения с дном водоема), должна быть надежно защищена от воздействия размывающих скоростей течений. Для условий намывных территорий в Невской губе согласно СНиП «Сооружения мелиоративных систем» [71] допускаемые величины неразмывающих скоростей течения 0,3-0,5 м/с (мелкозернистые и пылеватые пески с размером частиц 0,05-0,25 мм). Наиболее распространенной причиной деформаций и разрушения береговых укреплений является подмыв их основания из-за недостаточного заглубления.

При моделировании поведения берегов с более устоявшейся морфологией достаточно эффективен подход, использующий полуэмпириче- ские аппроксимации берегового профиля, либо одной, либо двумя кривыми (рис. 5.8).

Прогноз развития намывных побережий может быть выполнен с учетом ожидаемых изменений уровня моря и требует определения бюджета наносов в морфодинамической системе, в которую включен исследуемый берег, оценки потенциальных изменений уровня моря в течение рассматриваемого периода времени и моделирования динамики профиля берега на основе данных о бюджете и уровне моря при сохранении массы наносов.

Поведение берегов с более устоявшейся морфологией

Рис. 5.8. Поведение берегов с более устоявшейся морфологией: профиль абразионного (сплошная линия) и аккумулятивного (пунктир) подводного склона

Практическим следствием представленного фрагментарного обзора угроз, процессов и явлений в береговой зоне намывных территорий является констатация обязательности анализа их воздействий на водные, земельные и биологические ресурсы при проектировании ПХС, включения в Программу мониторинга соответствующих наблюдений и ведения таких наблюдений при эксплуатации созданной береговой полосы. В числе превентивных мероприятий необходимо разрабатывать комплекс активной и пассивной берегозащиты, обеспечивающей стабильность береговой зоны [74].

Очень важны для защиты рукотворных берегов от абразии мероприятия по формированию нового профиля равновесия на подводном береговом склоне наподобие естественно существующей здесь исключительно пологой подводной поверхности. Также известно, что счастливым следствием системной организации биосферы является возможность инженерными методами ликвидировать нарушенные и загрязненные участки, а на сопредельных территориях создать условия для функционирования здоровой биоты. Излишне говорить о том, что образование намывных территорий не может быть сведено только к размещению на морском дне или берегу грунтов дреджинга, а требует осмысленных действий по их укладке под защитой специализированных гидротехнических сооружений и при непрерывном экологическом контроле намыва.

Исследованиями установлено неоднозначное влияние дноуглубительных работ и складирования грунта в береговой зоне на состояние водной среды и гидробионтов. Положительное их влияние проявляется в улучшении путей миграции рыб, гидрохимического режима прибрежных вод, их самоочищении от нефтяных загрязнений, коагуляции и адсорбции некоторых видов токсикантов. Установлены также случаи высокого уровня развития бентоса и адаптации отдельных видов гидробионтов к мутьевому засорению минеральными взвесями.

В то же время в результате проведения дноуглубительных работ и гидроотвалообразования наблюдается ухудшение санитарно-гигиенического и рыбохозяйственного состояния вод прибрежной акватории. Под влиянием повышенной мутности уменьшается биомасса бентоса, фито- и зоопланктона, ухудшаются условия нагула и нереста рыб, уничтожаются их кормовые ресурсы.

Вопросам совершенствования технических средств, технологий гидромеханизированного производства и дноуглубления с целью охраны окружающей среды посвящены десятки работ отечественных и зарубежных исследователей. Они позволили создать ряд новых природоохранных решений по осветлению сбросных вод гидромеханизации с использованием коагулянтов, магнитной обработки и сгущения пульпы, складированию илистых и глинистых грунтов на подводных и береговых гидроотвалах, геотехнической и биологической рекультивации прибрежных и морских карьеров с устройством противофильтрационных ограждений и противомутьевых завес различных конструкций, способствовали совершенствованию способов технологического контроля состояния водной среды и грунтовых материалов.

Инженерно-экологические и экономические аспекты создания намывных объектов морского побережья позволили установить приоритетность создания намывных побережий как основы морской берегоза- щиты, максимально приближенной к безопасным природным процессам. Новые технические решения для гидромеханизированного производства включают создание волногасящих пляжей, бун и волноломов с использованием мягких оболочек и местных грунтовых материалов, методы бай- и бэкпассинга[1] береговых наносов, инженерной морфоди- намики берегов. Вместе с тем предложенные технические решения не в полной мере отвечают современным требованиям охраны водной среды и нередко приводят к загрязнению прибрежной акватории.

Остаются нерешенными задачи обеспечения абразионной устойчивости побережий при намыве грунтов со значительным содержанием мелкодисперсных фракций, что негативно проявляется сейчас на намывных территориях в Арабских Эмиратах.

Стандартная процедура намыва предполагает подачу пульпы внутрь карты намыва и сброс осветленных вод через шандорные колодцы, а также создание карт резерва грунта. Намыв новых территорий Васильевского острова, происходивший попутно и одновременно с реализацией проекта Морской фасад, эти элементы гидромеханизированных работ не использовал, поэтому прибрежная зона новых берегов практически лишена бентоса, пегона и перифитона.

Создание намывных побережий из грунтов дноуглубления без проведения специальных природоохранных мероприятий приводит к большим материальным и экологическим ущербам, ухудшению санитарного состояния водной среды, сокращению и гибели гидробионтов.

Сложность возведения намывных гидротехнических сооружений, являющихся наиболее эффективными средствами берегозащиты и восстановления нарушенного ландшафта, заключается также в необходимости обеспечения абразионной устойчивости намываемого грунтового материала при создании природоохранных технологий и конструкций для локализации и утилизации нежелательных ингредиентов, сохранения и восстановления запасов промысловых видов рыб.

  • [1] Перемещение береговых наносов от наветренной стороны залива к его подветренной стороне и наоборот.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >