Сваш , или в географии форваш , — это турбулентный слой воды, который выбрасывает на пляж после того, как наступающая волна разбилась. В результате волнового движения пляжный материал может перемещаться вверх и вниз по пляжу, что приводит к обмену отложений между берегами. [1] Время волнового движения варьируется от секунд до минут в зависимости от типа пляжа (типы пляжей см. на рисунке 1). Большее волнение обычно происходит на более плоских пляжах. [2] Движение перекоса играет первостепенную роль в формировании морфологических особенностей и их изменении в зоне перекоса. Воздействие также играет важную роль как один из мгновенных процессов в более широкой прибрежной морфодинамике.
Существует два подхода к описанию косых движений: (1) косая волна, возникающая в результате обрушения высокочастотных скважин ( ) на береговой поверхности; и (2) перекос, характеризующийся стоячими низкочастотными ( ) движениями. Какой тип волнового движения преобладает, зависит от волновых условий и морфологии пляжа, и это можно предсказать, рассчитав параметр сходства прибоя (Гуза и Инман, 1975):
где – высота прибоя, – гравитация, – период падающей волны, – уклон пляжа. Значения указывают на диссипативные условия, при которых перекос характеризуется стоячим длинноволновым движением. Значения указывают на условия отражения, когда в волнах преобладают волновые волны. [3]
Промывка состоит из двух фаз: восходящая (береговой поток) и обратная промывка (морской поток). Обычно восходящий поток имеет более высокую скорость и меньшую продолжительность, чем обратная промывка. На суше скорости максимальны в начале подъема, а затем уменьшаются, тогда как скорости на море увеличиваются к концу обратного потока. Направление подъема меняется в зависимости от преобладающего ветра, тогда как обратный поток всегда перпендикулярен береговой линии. Это асимметричное движение волн может вызвать дрейф вдоль берега , а также перенос наносов через берег . [4] [5]
Зона волн — это верхняя часть пляжа между пляжем и зоной прибоя , где во время штормов происходит интенсивная эрозия (рис. 2). Зона перекоса попеременно влажная и сухая. Инфильтрация (гидрология) (над уровнем грунтовых вод ) и эксфильтрация (ниже уровня грунтовых вод ) происходят между волновым потоком и уровнем грунтовых вод пляжа. Берма, берма, ступенька и выступы пляжа являются типичными морфологическими особенностями, связанными с волновым движением. Инфильтрация (гидрология) и перенос наносов волнами являются важными факторами, определяющими уклон береговой поверхности. [4]
Лицо пляжа – это плоский, относительно крутой участок профиля пляжа, подверженный процессам волнения (рис. 2). Лицо пляжа простирается от бермы до уровня отлива . Береговая поверхность находится в динамическом равновесии с волновым действием, когда количество наносов, переносимых восходящим и обратным потоком, одинаково. Если поверхность пляжа более пологая, чем равновесный градиент, подъемом переносится больше наносов, что приводит к чистому переносу наносов на берег . Если береговая линия круче равновесного градиента, в переносе наносов преобладает обратный поток, что приводит к чистому переносу наносов в море. Равновесный уклон береговой линии определяется сложной взаимосвязью таких факторов, как размер отложений, проницаемость и скорость падения в зоне волнения, а также высота волны и период волны. Лицо пляжа нельзя рассматривать отдельно от зоны прибоя , чтобы понять морфологические изменения и равновесие, поскольку на них сильно влияют зона прибоя и процессы мелководья, а также процессы в зоне волнения. [4] [5]
Берма – это относительно плоская часть зоны волновой волны, где скопление осадков происходит в самой дальней части волновой волны в направлении к суше (рис. 2). Берма защищает пляж и прибрежные дюны от волн, но в условиях высокой энергии, таких как штормы, может произойти эрозия . Берму легче определить на галечных пляжах, и на разной высоте может быть несколько берм. Напротив, на песчаных пляжах градиент заднего пляжа, бермы и береговой линии может быть одинаковым. Высота бермы определяется максимальной высотой переноса наносов во время подъема. [4] Высоту бермы можно спрогнозировать с помощью уравнения Такеды и Сунамуры (1982).
где – высота буруна, – сила тяжести и – период волны.
Ступень пляжа представляет собой затопленный уступ у основания береговой линии (рис. 2). Пляжные ступеньки обычно состоят из самого грубого материала, а высота может варьироваться от нескольких сантиметров до более метра. Ступени на пляже образуются там, где обратная волна взаимодействует с набегающей волной и создает вихрь. Хьюз и Коуэлл (1987) предложили уравнение для прогнозирования высоты ступеньки.
где - скорость падения осадка. Высота ступеньки увеличивается с увеличением высоты волны (буруна) ( ), периода волны ( ) и размера отложений. [4]
Пляжный выступ представляет собой скопление песка или гравия в форме полумесяца , окружающее полукруглую впадину на пляже. Они образуются в результате волнения и чаще встречаются на галечных пляжах, чем на песчаных. Расстояние между выступами зависит от горизонтальной протяженности косого движения и может варьироваться от 10 см до 50 м. Более грубые отложения встречаются на крутых, направленных в сторону моря «рогах острия» (рис. 3). В настоящее время существуют две теории, дающие адекватное объяснение образованию ритмичных выступов пляжа: стоячие краевые волны и самоорганизация . [4]
Теория стоячих краевых волн, предложенная Гузой и Инманом (1975), предполагает, что перекос накладывается на движение стоячих краевых волн, которые движутся вдоль берега. Это приводит к изменению высоты волн вдоль берега и, как следствие, к регулярной эрозии . В точках эрозии образуются выступы выступов, а в узлах краевых волн возникают рога выступов. Расстояние между выступами на пляже можно спрогнозировать с помощью модели субгармонической краевой волны.
где – период падающей волны, а – уклон пляжа.
Эта модель объясняет только первоначальное формирование бугорков, но не их продолжающийся рост. Амплитуда краевой волны уменьшается по мере роста выступов, следовательно, это самоограничивающийся процесс. [4]
Теория самоорганизации была предложена Вернером и Финком (1993) и предполагает, что выступы на пляже формируются в результате сочетания положительной обратной связи, которая управляется морфологией пляжа и движением волн, способствующим топографической неравномерности, и отрицательной обратной связью, которая препятствует аккреции или эрозии на поверхности. хорошо развитые пляжные косы. Сравнительно недавно стали доступны вычислительные ресурсы и формулы переноса отложений , показывающие, что такие системы обратной связи могут создавать стабильные и ритмичные морфологические особенности. [4] Расстояние между береговыми выступами, основанное на модели самоорганизации, пропорционально горизонтальной протяженности косого движения S с использованием уравнения
где константа пропорциональности f равна c . 1,5.
Межбереговой обмен наносами между субаэральной и субаквальной зонами пляжа обеспечивается в первую очередь волновым движением. [6] Скорость переноса в зоне волн намного выше, чем в зоне прибоя, а концентрации взвешенных отложений вблизи дна могут превышать 100 кг/м 3 . [4] Таким образом, перенос наносов на суше и в море играет значительную роль в нарастании и эрозии пляжа.
Существуют фундаментальные различия в переносе наносов между восходящим и обратным потоком промывного потока. Подъем, в котором в основном преобладает буровая турбулентность, особенно на крутых пляжах, обычно приводит к переносу отложений во взвешенном состоянии. Скорости потока, концентрации взвешенных отложений и потоки взвешенных частиц максимальны в начале подъема, когда турбулентность максимальна. Затем турбулентность рассеивается к концу берегового потока, оседая взвешенные отложения на дне. Напротив, в обратном промыве преобладают пластовые потоки и перенос наносов. Скорость потока увеличивается к концу обратной промывки, вызывая усиление турбулентности, создаваемой слоем, что приводит к переносу отложений вблизи слоя. Направление чистого переноса наносов (на суше или на море) в значительной степени определяется уклоном береговой линии. [5]
Прибрежный дрейф из-за волн происходит либо из-за морфологии выступов пляжа, либо из-за косых приходящих волн , вызывающих сильные волновые движения вдоль берега. Под влиянием прибрежного дрейфа, когда во время обратных потоков нет фазы стоячей воды, отложения могут оставаться во взвешенном состоянии, что приводит к переносу наносов в море . Эрозия береговой поверхности в результате волновых волн встречается не очень часто, но эрозия может возникнуть там, где волновая волна имеет значительную вдольбереговую составляющую.
Зона перекоса очень динамична, доступна и подвержена деятельности человека. Эта зона может находиться очень близко к освоенным объектам. Говорят, что по меньшей мере 100 миллионов человек на земном шаре живут в пределах одного метра от среднего уровня моря . [7] Понимание процессов в зоне волн и разумное управление жизненно важно для прибрежных сообществ, которые могут пострадать от прибрежных опасностей , таких как эрозия и штормовые нагоны . Важно отметить, что процессы в зоне прибоя нельзя рассматривать изолированно, поскольку они тесно связаны с процессами в зоне прибоя. На морфодинамику в зоне волнения могут влиять и многие другие факторы, в том числе деятельность человека и изменение климата. Понимание более широкой морфодинамики имеет важное значение для успешного управления прибрежными районами.
Строительство дамб было распространенным инструментом защиты застроенной собственности, такой как дороги и здания, от береговой эрозии и рецессии. Однако чаще всего защита собственности путем строительства дамбы не обеспечивает сохранение пляжа. Строительство непроницаемой конструкции, такой как дамба, в зоне перекоса может помешать системе морфодинамики в зоне перекоса. Строительство дамбы может поднять уровень грунтовых вод , увеличить отражение волн и усилить турбулентность у стенки. В конечном итоге это приводит к эрозии прилегающего пляжа или разрушению конструкции. [8] Валунные валы (также известные как облицовки или каменная наброска) и четвероногие менее отражают воду, чем непроницаемые морские дамбы, поскольку ожидается, что волны будут разбиваться о материалы, вызывая перекаты и обратные волны, которые не вызывают эрозии. Каменные обломки иногда размещают перед морской дамбой, чтобы уменьшить воздействие волн , а также дать возможность восстановиться эродированному пляжу. [9]
Понимание системы переноса наносов в зоне волн также жизненно важно для проектов по питанию пляжей . Сваш играет важную роль в транспортировке и распределении песка, добавляемого на пляж. В прошлом были неудачи из-за недостаточного понимания. [9] Понимание и прогнозирование движения наносов, как в зоне волн, так и в зоне прибоя, жизненно важно для успеха проекта по питанию.
Управление прибрежной зоной в Блэк-Роке, на северо-восточном побережье залива Филлип, Австралия, представляет собой хороший пример структурной реакции на эрозию пляжа, которая привела к морфологическим изменениям в зоне волнения. В 1930-х годах для защиты скалы Блэк-Рока от обрушения была построена морская дамба . Это привело к истощению пляжа перед морской дамбой , который был поврежден неоднократными штормами в зимнее время. В 1969 году пляж был засыпан примерно 5000 м 3 песка с суши, чтобы увеличить объем песка на пляже и защитить морскую дамбу. Это увеличило объем песка примерно на 10%, однако осенью песок был унесен дрейфом на север, в результате чего морская дамба снова подверглась воздействию зимних штормов. В проекте не были учтены сезонные особенности берегового дрейфа и недооценено количество песка, которым можно питаться, особенно в южной части пляжа. [9]
Говорят, что проведение морфологических исследований и полевых измерений в зоне волнового перекоса затруднено, поскольку это неглубокая и аэрированная среда с быстрыми и нестационарными волнами волн. [5] [10] Несмотря на доступность зоны перекоса и возможность проводить измерения с высоким разрешением по сравнению с другими частями прибрежной зоны, неравномерность данных была препятствием для анализа, а также критического сравнения теории и наблюдение. [5] Для полевых измерений в зоне перекоса использовались различные уникальные методы. Например, для измерения набега волны Гуза и Торнтон (1981, 1982) использовали провод с двойным сопротивлением длиной 80 м, протянутый поперек профиля пляжа и удерживаемый на высоте около 3 см над песком с помощью непроводящих опор. Холман и Салленджер (1985) провели предварительное расследование, сняв на видео косую полосу, чтобы оцифровать положение ватерлинии с течением времени. Многие исследования включали инженерные конструкции, в том числе дамбы , причалы и волнорезы , чтобы установить критерии проектирования, которые защищают конструкции от опрокидывания при экстремальных набегах. [2] С 1990-х годов гидродинамика волн более активно исследовалась прибрежными исследователями, такими как Хьюз М.Г., Масселинк Дж. и Пулео Дж.А., что способствовало лучшему пониманию морфодинамики в зоне волнения, включая турбулентность, скорости потока, взаимодействие с уровень грунтовых вод на пляже и перенос наносов . Тем не менее, пробелы в понимании все еще остаются в исследованиях волн, включая турбулентность, поверхностное течение, перенос донных отложений и гидродинамику на ультрадиссипативных пляжах. [5]
