Накат , или форвей в географии , представляет собой турбулентный слой воды, который вымывается на пляж после того, как прибывающая волна разбилась. Накатное действие может перемещать пляжные материалы вверх и вниз по пляжу, что приводит к обмену осадками между берегами. [1] Временной масштаб накатного движения варьируется от секунд до минут в зависимости от типа пляжа (типы пляжей см. на рисунке 1). Более сильный накат обычно происходит на более плоских пляжах. [2] Накатное движение играет основную роль в формировании морфологических особенностей и их изменениях в зоне наката. Накатное действие также играет важную роль как один из мгновенных процессов в более широкой прибрежной морфодинамике.
Существует два подхода, описывающих движения свабов: (1) сваб, возникающий в результате обрушения высокочастотных волн ( ) на береговую линию; и (2) сваб, характеризующийся стоячими, низкочастотными ( ) движениями. Какой тип движения свабов преобладает, зависит от волновых условий и морфологии пляжа, и это можно предсказать, вычислив параметр подобия прибоя (Guza & Inman 1975):
где - высота прибоя, - сила тяжести, - период падающей волны, - уклон пляжа. Значения указывают на диссипативные условия, при которых накат характеризуется стоячим движением длинной волны. Значения указывают на отражательные условия, при которых накат доминируют волновые боры. [3]
Swash состоит из двух фаз: uprus (береговой поток) и backwash (отлив в море). Обычно uprus имеет более высокую скорость и меньшую продолжительность, чем backwash. Береговые скорости максимальны в начале uprus, а затем уменьшаются, тогда как offrus увеличиваются к концу backwash. Направление uprus меняется в зависимости от преобладающего ветра, тогда как backwash всегда перпендикулярен береговой линии. Это асимметричное движение swush может вызвать как вдольбереговой дрейф , так и поперечнобереговой перенос осадков . [4] [5]
Зона наката — это верхняя часть пляжа между задним пляжем и зоной прибоя , где во время штормов происходит интенсивная эрозия (рисунок 2). Зона наката попеременно то влажная, то сухая. Инфильтрация (гидрология) (выше уровня грунтовых вод ) и эксфильтрация (ниже уровня грунтовых вод ) происходят между потоком наката и уровнем грунтовых вод пляжа. Береговая линия, берма, ступенька пляжа и выступы пляжа являются типичными морфологическими особенностями, связанными с движением наката. Инфильтрация (гидрология) и перенос осадков движением наката являются важными факторами, которые определяют градиент береговой линии. [4]
Пляжная поверхность представляет собой плоскую, относительно крутую часть профиля пляжа, которая подвержена процессам наката (рисунок 2). Пляжная поверхность простирается от бермы до уровня отлива . Пляжная поверхность находится в динамическом равновесии с действием наката, когда количество переноса осадка напором и обратным потоком равно. Если пляжная поверхность более пологая, чем равновесный градиент, больше осадка переносится напором, что приводит к чистому переносу осадка на суше . Если пляжная поверхность более крутая, чем равновесный градиент, перенос осадка доминирует обратным потоком, что приводит к чистому переносу осадка в море. Равновесный градиент пляжной поверхности регулируется сложной взаимосвязью таких факторов, как размер осадка, проницаемость и скорость падения в зоне наката, а также высота волны и период волны. Пляжную поверхность нельзя рассматривать изолированно от зоны прибоя, чтобы понять морфологические изменения и равновесия, поскольку на них сильно влияют процессы в зоне прибоя и обмеления волн, а также процессы в зоне наката. [4] [5]
Насыпь — это относительно плоская [ требуется разъяснение ] часть зоны набегания, где накопление осадка происходит в самой дальней точке набегания (рисунок 2). Насыпь защищает откос и прибрежные дюны от волн, но эрозия может происходить в условиях высокой энергии, таких как штормы. Насыпь легче определить на гравийных пляжах, и насыпей может быть несколько насыпей на разных высотах. На песчаных пляжах, напротив, градиент откоса, насыпи и береговой линии может быть одинаковым. Высота насыпи регулируется максимальной высотой перемещения осадка во время набегания. [4] Высоту насыпи можно предсказать с помощью уравнения Такеды и Сунамуры (1982)
где - высота прибоя, - сила тяжести, - период волны. [ необходимо разъяснение ]
Ступень пляжа — это затопленный уступ у основания береговой линии (рисунок 2). Ступеньки пляжа обычно состоят из самого грубого материала, а их высота может варьироваться от нескольких сантиметров до более метра. Ступеньки пляжа образуются там, где обратный поток взаимодействует с набегающей падающей волной и создает вихрь. Хьюз и Коуэлл (1987) предложили уравнение для прогнозирования высоты ступеньки
где - скорость падения осадка. Высота ступени увеличивается с ростом высоты волны (прибоя) ( ), периода волны ( ) и размера осадка. [4]
Пляжный выступ представляет собой скопление песка или гравия в форме полумесяца, окружающее полукруглую впадину на пляже. Они образуются под действием набегающего потока и чаще встречаются на гравийных пляжах, чем на песчаных. Расстояние между выступами связано с горизонтальной протяженностью набегающего потока и может варьироваться от 10 см до 50 м. Более грубые отложения встречаются на крутых, направленных в сторону моря «рогах выступа» (рисунок 3). В настоящее время существуют две теории, которые дают адекватное объяснение образованию ритмичных пляжных выступов: стоячие краевые волны и самоорганизация . [4]
Теория стоячей краевой волны, представленная Гузой и Инманом (1975), предполагает, что накат накладывается на движение стоячих краевых волн, которые движутся вдоль берега. Это приводит к изменению высоты наката вдоль берега и, следовательно, к регулярным моделям эрозии . Выступы образуются в точках эрозии, а выступы возникают в узлах краевой волны. Расстояние между выступами пляжа можно предсказать с помощью модели субгармонической краевой волны
где — период падающей волны, — градиент пляжа.
Эта модель объясняет только начальное формирование выступов, но не их продолжающийся рост. Амплитуда краевой волны уменьшается по мере роста выступов, следовательно, это самоограничивающийся процесс. [4]
Теория самоорганизации была введена Вернером и Финком (1993), и она предполагает, что пляжные выступы образуются из-за комбинации положительной обратной связи, которая управляется морфологией пляжа и движением наката, способствующим топографической неровности, и отрицательной обратной связи, которая препятствует аккреции или эрозии на хорошо развитых пляжных выступах. Сравнительно недавно вычислительные ресурсы и формулы переноса осадка стали доступны, чтобы показать, что стабильные и ритмичные морфологические особенности могут быть получены такими системами обратной связи. [4] Расстояние между пляжными выступами, основанное на модели самоорганизации, пропорционально горизонтальной протяженности движения наката S с использованием уравнения
где коэффициент пропорциональности f равен c.1,5 .
Обмен осадками между надводной и подводной зонами пляжа осуществляется в основном за счет волнового движения. [6] Скорость переноса в зоне волнового движения намного выше по сравнению с зоной прибоя, а концентрация взвешенных осадков может превышать 100 кг/м3 вблизи дна. [4] Таким образом, перенос осадка на берег и в море волновым движением играет важную роль в нарастании и эрозии пляжа.
Существуют фундаментальные различия в переносе осадков между напором и обратным потоком потока сбегания. Напор, который в основном определяется турбулентностью бора, особенно на крутых пляжах, обычно приводит к подвешиванию осадков для переноса. Скорости потока, концентрации взвешенных осадков и потоки взвешенных осадков достигают наибольшего значения в начале напора, когда турбулентность максимальна. Затем турбулентность рассеивается к концу берегового потока, оседая взвешенные осадки на дне. Напротив, обратный поток определяется потоком пласта и переносом осадков донного наноса. Скорость потока увеличивается к концу обратного потока, вызывая большую турбулентность, создаваемую дном, что приводит к переносу осадков вблизи дна. Направление чистого переноса осадков (на берег или в море) в значительной степени определяется градиентом береговой линии. [5]
Дрейф вдоль берега , вызванный накатом, происходит либо из-за морфологии выступа пляжа, либо из-за косых входящих волн, вызывающих сильное движение вдоль берега. Под влиянием дрейфа вдоль берега, когда нет фазы стоячей воды во время обратных потоков, осадки могут оставаться взвешенными, что приводит к переносу осадка в сторону моря . Эрозия береговой линии из-за процессов наката встречается не очень часто, но эрозия может происходить там, где накат имеет значительный компонент вдоль берега.
Зона наката очень динамична, доступна и восприимчива к деятельности человека. Эта зона может быть очень близка к застроенным участкам. Говорят, что по крайней мере 100 миллионов человек на земном шаре живут в пределах одного метра от среднего уровня моря . [7] Понимание процессов в зоне наката и разумное управление ими жизненно важно для прибрежных сообществ, которые могут быть затронуты прибрежными опасностями , такими как эрозия и штормовой нагон . Важно отметить, что процессы в зоне наката нельзя рассматривать изолированно, поскольку они тесно связаны с процессами в зоне прибоя. Многие другие факторы, включая деятельность человека и изменение климата, также могут влиять на морфодинамику в зоне наката. Понимание более широкой морфодинамики необходимо для успешного управления прибрежной зоной.
Строительство морских стен было распространенным инструментом для защиты застроенной собственности, такой как дороги и здания, от прибрежной эрозии и рецессии. Однако чаще всего защита собственности путем строительства морской стены не обеспечивает удержания пляжа. Строительство непроницаемой конструкции, такой как морская стена в зоне наката, может помешать морфодинамической системе в зоне наката. Строительство морской стены может поднять уровень грунтовых вод , увеличить отражение волн и усилить турбулентность у стены. Это в конечном итоге приводит к эрозии прилегающего пляжа или разрушению конструкции. [8] Валуны (также известные как насыпи или каменная наброска) и тетраподы обладают меньшей отражательной способностью, чем непроницаемые морские стены, поскольку ожидается, что волны будут разбиваться о материалы, создавая накат и обратный поток, которые не вызывают эрозию. Иногда перед морской стеной размещают каменистый мусор, чтобы попытаться уменьшить воздействие волн , а также чтобы позволить размытому пляжу восстановиться. [9]
Понимание системы транспортировки осадка в зоне наката также жизненно важно для проектов по питанию пляжей . Накат играет важную роль в транспортировке и распределении песка, который добавляется на пляж. В прошлом были неудачи из-за недостаточного понимания. [9] Понимание и прогнозирование движения осадка, как в зоне наката, 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, является хорошим примером структурного реагирования на эрозию пляжа, которая привела к морфологическим изменениям в зоне наката. В 1930-х годах была построена морская стена для защиты скалы от отступления в Блэк-Роке. Это привело к истощению пляжа перед морской стеной , который был поврежден многократными штормами в зимнее время. В 1969 году пляж был подпитан примерно 5000 м 3 песка с суши, чтобы увеличить объем песка на пляже для защиты морской стены. Это увеличило объем песка примерно на 10%, однако песок был унесен дрейфом на север осенью, и морская стена снова оказалась подверженной воздействию зимних штормов. Проект не учитывал сезонные закономерности вдольберегового дрейфа и недооценил количество песка для питания, особенно в южной части пляжа. [9]
Говорят, что проведение морфологических исследований и полевых измерений в зоне наката является сложной задачей, поскольку это мелководная и аэрированная среда с быстрыми и неустойчивыми потоками наката. [5] [10] Несмотря на доступность зоны наката и возможность проводить измерения с высоким разрешением по сравнению с другими частями прибрежной зоны, нерегулярность данных была препятствием для анализа, а также для критических сравнений между теорией и наблюдением. [5] Для полевых измерений в зоне наката использовались различные и уникальные методы. Например, для измерений наката волн Гуза и Торнтон (1981, 1982) использовали 80-метровый провод с двойным сопротивлением, натянутый по профилю пляжа и удерживаемый примерно в 3 см над песком непроводящими опорами. Холман и Салленджер (1985) провели исследование наката, снимая видео наката, чтобы оцифровать положения ватерлинии с течением времени. Многие исследования включали инженерные сооружения, включая дамбы , причалы и волнорезы , для установления критериев проектирования, которые защищают сооружения от перелива при экстремальных нагонах. [2] С 1990-х годов гидродинамика набегающей волны более активно изучалась прибрежными исследователями, такими как Хьюз М. Г., Масселинк Дж. и Пулео Дж. А., что способствовало лучшему пониманию морфодинамики в зоне набегающей волны, включая турбулентность, скорости потока, взаимодействие с уровнем грунтовых вод пляжа и перенос осадка . Однако пробелы в понимании все еще остаются в исследованиях набегающей волны, включая турбулентность, поток пласта, перенос осадка донного наноса и гидродинамику на ультрадиссипативных пляжах. [5]
