Устьевой бар — элемент дельтовой системы , который относится к типичному отложению осадка в середине русла, переносимого речным руслом в устье реки . [1]
Речные устьевые бары образуются из-за того, что площадь поперечного сечения расширяющегося оттока , содержащего осадки, увеличивается, и, следовательно, скорость переноса осадка вниз по центральной линии струи уменьшается в направлении бассейна по мере того, как поток переходит от ограниченного к неограниченному. [1] Более конкретно, четыре стадии формирования речного устьевого бара таковы: (1) Турбулентная струя, расширяющаяся в мелководный и наклонный бассейн, сначала создает параллельные подводные валы, простирающиеся в направлении бассейна и начинающие устьевой бар в направлении бассейна от оконечностей дамбы из-за уменьшения потока импульса струи и, как следствие, высокой скорости седиментации в этом регионе; (2) Подводные валы простираются в направлении бассейна, а устьевой бар наращивается и продвигается, поскольку его присутствие вызывает ускорение потока на линиях тока над баром, и впоследствии это ускорение изменяет градиент переноса осадка над баром, вызывая эрозию на поверхности бара выше по течению и осаждение в следе бара ниже по течению ; (3) Прогрессирование устьевого вала прекращается и застаивается, когда глубина над баром становится достаточно малой, чтобы создать давление жидкости на верхней стороне вала, заставляя поток огибать бар, и, следовательно, уменьшая скорость и касательное напряжение на вершине вала; (4) Наконец, поскольку дамбы продолжают расти и распространяться из-за наличия вала, увеличенный сброс воды и наносов вокруг вала вызывает расширение и создание классического треугольного устьевого вала в плане. [1]
Эрозия отложений и динамика отложений в эстуарной области, а следовательно, и формирование и рост устьевых баров, зависят от нескольких естественных и искусственных факторов. Человеческая деятельность, такая как строительство водохранилищ , крупномасштабная мелиорация и строительство насыпей, полностью нарушает гидродинамический баланс системы и постоянно влияет на морфологию устьевых баров. [2] Более того, гидродинамические факторы, такие как сток воды , колебания расхода рек, т. е. неравномерные условия потока, связанные с гидрографом реки , потоком отложений, характеристиками отложений, геометрией устья реки, растительностью, наличием приливов и волн, играют жизненно важную роль в эрозии отложений и динамике отложений в устьях рек и активируют серьезные геоморфологические контроли над развитием устьевых баров. [2] [3]
Что касается характеристик отложений, масса и связность играют важную роль в развитии устьевого бара. Поскольку более грубые отложения плохо взвешиваются струей, они, вероятно, будут откладываться близко к устью реки и приводить к образованию устьевого бара. С другой стороны, поскольку мелкие отложения, как правило, переносятся во взвешенном состоянии, они могут переноситься дальше и широко рассеиваться, и в большинстве случаев приводят к образованию дамбы. [2] [4] Более того, связность отложений, а также растительность , играют роль в морфологии устьевых отложений, усиливая стабилизацию, следовательно, изменяя гидравлическую геометрию устья и изменяя гидродинамику струи. [2] [5] [6] Размер зерна , который контролирует скорость осаждения частиц, также влияет на расположение устьевого бара в сторону бассейна от выхода. [7] Кроме того, результаты моделирования [1] недавно показали, что ширина речного русла, глубина, скорость оттока и уклон бассейна являются наиболее важными переменными, влияющими на расстояние до устьевого бара.
В дополнение к контролю, связанному с речными процессами , влияние морских факторов контроля, таких как волновая активность и приливы, на устья рек имеет важное значение для эволюции устьевых баров. Волны оказывают двойное влияние на рост устьевых баров; в то время как небольшие и локально генерируемые волны способствуют образованию баров , увеличивая распространение струи, большие волны зыби подавляют развитие баров. [2] С другой стороны, сложные эффекты приливов зависят от относительной силы инерции реки по отношению к приливной энергии. Когда приливная энергия намного выше речной, гидродинамика струи, выходящей из устья реки, доминирующая в отложении осадков, сильно страдает. [8] Постоянно изменяющаяся скорость приливной волны, ширина распространяющейся струи, глубина воды и, следовательно, придонное трение на протяжении всего приливного цикла вызывают развитие различных морфологий устьевых баров. [9] [10] [11] Речной сток , приливы и волны также могут одновременно влиять на динамику оттока в зависимости от плавучести, которая играет важную роль в эволюции устьевых баров. [10] [12]
Когда рассматривается дельта с преобладанием реки, формирование и эволюция конечных распределительных каналов дельты, которые являются наиболее активными частями распределительной сети каналов, тесно связаны с образованием устьевого бара. [13] Бифуркация руслового потока из-за первоначального образования устьевого бара образует новые распределительные каналы, и они расширяются по мере миграции устьевого бара. Боковой и восходящий рост устьевого бара снижает скорость потока и поток осадка, т. е. способность потока переносить осадки, через этот канал, что приводит к заполнению и отказу от конечного распределительного канала. Активный канал, куда поток отклоняется, снова разветвляется после образования другого устьевого бара и создает еще одну единицу каналов.
Более того, устьевые бары рек являются важными резервуарами углеводородов [ 14] [15] и широко интерпретируются в геологических записях . [16] [17] Анализ гидравлических и седиментологических условий формирования устьевых баров рек, их выдвижения и намыва , а также прогнозирование их формы, размера и расстояния между ними чрезвычайно ценны для прогнозирования резервуаров.
В конце концов, в эстуарных регионах существует взаимное взаимодействие между морфологией и динамикой потока. В то время как морфология устья формируется и подвергается влиянию динамики потока и осадков или волновых и течений, устье также изменяет эту динамику и изменяет морфологию эстуариев. [13] Таким образом, понимание эволюции устья является ключом к дальнейшей и лучшей количественной оценке изменений в речной гидравлике и морфодинамике из-за существования устья.
Устьевые бары классифицируются на основе основных сил, доминирующих при их формировании: [10] (1) инерция оттока, (2) турбулентное трение о дно, (3) плавучесть стока , (4) вызванные волнами и, наконец, (5) приливные силы.
Процессы, связанные с высокими скоростями оттока в месте глубоководного выхода и рассеиванием осадка из-за турбулентной струи, приводят к образованию узких, вытянутых полулунных отмелей с плоской или плавно восходящей спинкой, которые также называются устьевыми отмелями «типа Гилберта», обычно встречающимися в глубоководных районах дельты .
Боковое распространение турбулентной струи, усиленное увеличением сопротивления трения в мелководных прибрежных водах, также связанное с высокой доночной нагрузкой, создает почти треугольную «срединную полосу» в устье реки, заставляя русло раздваиваться. По мере продолжения продвижения в устьях раздвоенных каналов образуются новые полосы, которые усиливают рост дельты в сторону бассейна . Дельта Миссисипи состоит из мелководных типов с преобладанием трения на востоке (Северо-восточный проход).
Доминирование процессов плавучести в устье реки, связанных с сильной стратификацией плотности оттока и мелкозернистым осадочным материалом, а не донными наносами , приводит к образованию латерально ограниченных, узких радиальных баров с пологими склонами в мелководных районах дельты. Дельта Миссисипи состоит из широко разнесенных типов устьевых баров с преобладанием плавучести на юге ( Юго-Западный проход и Южный проход).
Мощная и постоянная энергия волн и соответствующие процессы, такие как переработка волн, преломление оттока, смешивание из-за разрушения волн , вдольбереговое и поперечнобереговое рассеивание осадков, создают регулярные, обычно заполненные песком, серповидные бары, расположенные на небольшом расстоянии от устья. Форма и местоположение устьевого бара также изменяются при нормальном или косом падении волн.
Развитие приливно-отливных устьевых баров в значительной степени зависит от двунаправленного переноса осадков приливными течениями, вызывающего значительный возврат осадков вверх по течению в русло. Приливно-отливные переносы осадков создают широкий, прерывистый, радиальный устьевой бар, в котором преобладают крупные приливные хребты, разделенные глубокими каналами.
Эволюция речных устьевых баров чрезвычайно важна в прибрежном ландшафте. Большую часть времени они находятся под водой и недоступны. Однако после того, как они появляются и их надводная часть становится видимой, они превращаются в дельтовые острова. Следовательно, способствуя расширению земель, они восстанавливают искусственно измененные береговые линии и смягчают прибрежную эрозию , [18] [19] [20] защищают прибрежные сообщества, [21] способствуют росту растительности, обеспечивают среду обитания для богатых и продуктивных эстуарных экосистем, [22] и потенциально могут использоваться для сельского хозяйства, проживания и инженерии. Более того, отложения устьевых баров предлагают стратегическое местоположение для исследовательских проектов по восстановлению эстуариев и дельт, что делает их идеальными для изучения эффектов сокращения речных отложений и относительного повышения уровня моря , а также для оценки эволюции, включая потерю земель и затопление, речных дельт. [23]
Серьезным примером является дельта реки Миссисипи , где прибрежные водно-болотные угодья исчезают со скоростью приблизительно 1% земли в год. [24] [25] В дельте Миссисипи, чтобы исключить потерю земель и смягчить прибрежную эрозию, были построены искусственные отводы, воссоединяющие реку с дельтовыми водно-болотными угодьями . [18] [26] [27] По сути, эти отводы, как ожидается, сформируют устьевые бары в нижнем течении. Поэтому планы восстановления и исследования многих ученых и инженеров направлены в конечном итоге на содействие отложению устьевых баров путем стратегического выбора мест отвода и геометрии отвода и, следовательно, стабилизации струи, повышения донного трения и эффективности улавливания осадков. [6] [28] [29] [30] Этот пример показывает, насколько важно понимать динамику речных устьевых баров и физику, лежащую в основе их формирования, для будущих обсуждений нового освоения земель, восстановления эстуария, а также мер по смягчению потери дельтовых водно-болотных угодий.