Реферат: Міністерство охорони навколишнього природного середовища україни український науково-дослідний інститут екологічних проблем (Укрндіеп)

УДК 504.4.06: 627.5

КП

№ держреєстрації 0108U010763

Інв. №


МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ НАВКОЛИШНЬОГО ПРИРОДНОГО

СЕРЕДОВИЩА УКРАЇНИ

УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ

ЕКОЛОГІЧНИХ ПРОБЛЕМ (УкрНДІЕП)

61166, м. Харків, вул. Бакуліна, 6; тел./факс: (057) 702 15 92






ЗАТВЕРДЖУЮ




Директор УкрНДІЕП

д.ф-м.н., професор


_______________ Коваленко Г.Д.

"________" _____________ 2009 р.


^ ЗАКЛЮЧНИЙ ЗВІТ

ПРО НАУКОВО-ДОСЛІДНУ РОБОТУ

“НАУКОВЕ ОБҐРУНТУВАННЯ ЩОДО ЗАСТОСУВАННЯ УКРІПЛЕННЯ БЕРЕГІВ ПОВЕРХНЕВИХ ВОДНИХ ОБ’ЄКТІВ І УЗБЕРЕЖЖЯ МОРІВ ШЛЯХОМ СПОРУДЖЕННЯ ШТУЧНИХ РИФІВ ЯК БІОПОЗИТИВНИХ БЕРЕГОРЕГУЛЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ”

(договір № 32/1040/22/2 від 11 грудня 2008 року)


Етап 2 “Визначення природних та антропогенних чинників руйнування берегів Азовського та Чорного морів. Розробка наукового обґрунтування та рекомендацій щодо укріплення берегів поверхневих водних об'єктів і узбережжя морів шляхом спорудження штучних рифів як біопозитивних берегорегулювальних систем”


Керівник НДР

Зав. лаб. «Гідрофізичних

процесів формування якості

та заходів щодо охорони морських вод»,

канд. техн. наук В.Кресін

2009

Рукопис закінчено 07.10.2009 р.

Результати цієї роботи розглянуто Вченою Радою УкрНДІЕП

Протокол № 2 від 08.10.2009 р.


^ СПИСОК ВИКОНАВЦІВ











Науковий керівник







Зав. лабораторією "Гідрофізичних процесів формування якості та заходів щодо охорони морських вод" (лаб. 1.9)

старший науковий співробітник,

канд. техн. наук




В. Кресін

(вступ, розділи 3, висновки)











Відповідальний виконавець

Старший науковий співробітник

лаб.1.9, канд. техн. наук




О. Проскурнін

(розділи 1 – 3, висновки )










Старший науковий співробітник

лаб. 2.1





Т. Прохода

(розділи 1 – 3, висновки)

Старший науковий співробітник

лаб. 1.9, канд. біолог. наук




Ш. Поліхронов

(розділи 1, 3)



















Старший науковий співробітник

лаб. 1.9, канд. техн. наук




В. Брук

(розділ 3)










Провідний інженер лаб.1.9




М. Воронцова

(розділ 3)










Старший науковий співробітник

лаб.2.1




М. Старко

(розділи 1 – 3, висновки )










Старший науковий співробітник

лаб.2.1




М. Лунгу

(розділи 1 – 3, висновки )




















РЕФЕРАТ

Заключний звіт про НДР: "Наукове обґрунтування щодо застосування укріплення берегів поверхневих водних об'єктів і узбережжя морів шляхом спорудження штучних рифів як біопозитивних берегорегулювальних систем”, етап 2, 57 с., 14 рис., 7 табл., 45 посилань.

^ Об'єкт розробки – берега поверхневих водних об’єктів та узбережжя Чорного та Азовського морів.

Предмет розробки – наукове обґрунтування застосування укріплення берегів поверхневих водних об’єктів і узбережжя морів шляхом спорудження штучних рифів як біопозитивних берегорегулювальних систем.

^ Метою всієї роботи є обґрунтування застосування укріплення берегів поверхневих водних об’єктів і узбережжя морів шляхом спорудження штучних рифів як біопозитивних берегорегулювальних систем.

Робота призначена для використання при розроблені заходів, що запобігають руйнуванню морського узбережжя, як компонентів у системі інтегрованого управління природокористуванням у прибережній смузі морів. Однією із актуальних проблем є укріплення узбережжя морів шляхом спорудження так званих «штучних рифів», які розглядаються як берегорегулювальні і в той же час біопозитивні системи. Штучні рифи - це інженерні спорудження у вигляді поміщених у воду великомасштабних інженерних конструкцій із твердою поверхнею. В основних рисах штучні рифи сприяють гідрологічним і біологічним процесам.

^ Мета другого етапу – визначення природних та антропогенних чинників руйнування берегів Азовського та Чорного морів. Розробка наукового обґрунтування та рекомендацій щодо укріплення берегів поверхневих водних об’єктів і узбережжя морів шляхом спорудження штучних рифів як біопозитивних берегорегулювальних систем.

^ Метод дослідження – вивчення існуючого досвіду укріплення берегів поверхневих водних об’єктів і узбережжя морів шляхом спорудження штучних рифів як біопозитивних берегорегулюючих систем, математичне моделювання хвильового ослаблення при використанні штучних рифів як берегорегулюючих систем.

^ Результатом НДР за 2 етапом є заключний звіт, який містить данні існуючого досвіду укріплення берегів поверхневих водних об’єктів і узбережжя морів шляхом спорудження штучних рифів як біопозитивних берегорегулюючих систем, а також наукове обґрунтування та рекомендації щодо укріплення берегів поверхневих водних об’єктів і узбережжя морів шляхом спорудження штучних рифів.

Галузь застосування – охорона навколишнього природного середовища.


^ УКРІПЛЕННЯ БЕРЕГІВ, ЕКОЛОГІЧНА ІНФОРМАЦІЯ, ШТУЧНІ РИФИ, БІОПОЗИТИВНІ БЕРЕГОРЕГУЛЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ


ЗМІСТ

РЕФЕРАТ 3

Умовні позначення 7

ВСТУП 8

^ 1. ВИЗНАЧЕННЯ ПРИРОДНИХ ТА АНТРОПОГЕННИХ ЧИННИКІВ РУЙНУВАННЯ БЕРЕГІВ АЗОВСЬКОГО ТА ЧОРНОГО МОРІВ 10

1.1 Визначення природних чинників руйнування берегів Азовського та Чорного морів 10

1.2 Визначення антропогенних чинників руйнування берегів Азовського та Чорного морів 13

2. ОГЛЯД ІСНУЮЧОГО ДОСВІДУ УКРІПЛЕННЯ БЕРЕГІВ ПОВЕРХНЕВИХ ВОДНИХ ОБ’ЄКТІВ І УЗБЕРЕЖЖЯ МОРІВ ШЛЯХОМ СПОРУДЖЕННЯ ШТУЧНИХ РИФІВ ЯК БІОПОЗИТИВНИХ БЕРЕГОРЕГУЛЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ 16

3. РОЗРОБКА НАУКОВОГО ОБҐРУНТУВАННЯ ТА РЕКОМЕНДАЦІЙ ЩОДО УКРІПЛЕННЯ БЕРЕГІВ ПОВЕРХНЕВИХ ВОДНИХ ОБ'ЄКТІВ І УЗБЕРЕЖЖЯ МОРІВ ШЛЯХОМ СПОРУДЖЕННЯ ШТУЧНИХ РИФІВ ЯК БІОПОЗИТИВНИХ БЕРЕГОРЕГУЛЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ 26

3.1 Розробка наукового обґрунтування щодо укріплення берегів поверхневих водних об’єктів і узбережжя морів шляхом спорудження штучних рифів як біопозитивних берегорегулювальних систем 26

3.1.1. Наукове обґрунтування щодо укріплення берегів поверхневих водних об’єктів і узбережжя морів шляхом спорудження штучних рифів у вигляді рядів затоплених хвилеломів типу „Швейцарський сир” 28

3.1.2. Наукове обґрунтування щодо укріплення берегів поверхневих водних об’єктів і узбережжя морів шляхом спорудження штучних рифів у вигляді ряду затоплених „шарів” (штучні рифи “Reef Ball”) 34

3.2 Вплив штучних рифів на навколишнє середовище 38

3.2.1 Біологичні елементи берегорегулювальних систем 38

3.2.2 Екологічні наслідки впливу біотичних елементів штучних рифів на навколишнє середовище 41

3.2.3 Позитивний вплив 42

3.2.4 Негативний вплив 45

3.2.5 Загальні висновки щодо оцінки впливу штучних рифів на навколишнє середовище 46

3.3 Розробка рекомендацій щодо укріплення берегів поверхневих водних об’єктів і узбережжя морів шляхом спорудження штучних рифів як біопозитивних берегорегулювальних систем 47

ВИСНОВКИ 50

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ 54
^ Умовні позначення
Н – глибина моря;

Нв – висота рифа;

h – висота хвилі;

F= Нв - Н – заглиблення верхівки штучного рифа;

В – ширина верхньої частини рифа.






Hв

|F|

Штучний

риф

Берег

h

H

В

ВСТУП
Узбережжя є кордоном поміж морем та берегом, і тому відчуває вплив різноманітних факторів середовища, що створюють в сумі так званий «пограничний ефект». Для берегового ландшафту характерні абразійні, абразійно-зсувні, абразійно-обвальні процеси розвитку, як правило, на гирлових ділянках річок і береговій смузі, а також акумулятивні процеси (у зоні пляжів) і акумулятивно-ерозійні процеси (у гирлі річок).

Сучасним рішенням проблеми руйнування узбережжя поверхневих вод є укріплення їх шляхом спорудження штучних рифів, які розглядаються як позитивні берегорегулювальні системи по відношенню до екологічного стану акваторії і прибережжя, а також щодо вирішення соціально-економічних завдань.

У загальному вигляді використання таких систем обумовлене наступним:

необхідністю нових підходів до вирішення проблем збереження і захисту екосистем морського шельфу;

необхідністю більш інтенсивного вивчення екологічної ситуації в українській зоні узбережжя і шельфу Чорного моря, яке є важливим ланцюгом у системі господарства України і грає суттєву роль в житті значної частини її населення.

задачами щодо раціонального освоєння рекреаційних і других ресурсів.

Зростаючий антропогенний вплив висуває завдання по раціональному освоєнню рекреаційних та інших ресурсів узбереж морів і, в зв’язку з цим, вимоги нових підходів до рішення зростаючих проблем охорони й захисту їх екосистем.

Однією із актуальних проблем інженерної екології є укріплення узбережжя морів шляхом спорудження так званих «штучних рифів», які розглядаються як берегорегулювальні і в той же час біопозитивні системи.

Штучні рифи - це інженерні спорудження у вигляді поміщених у воду великомасштабних інженерних конструкцій із твердою поверхнею. Головна їх відмінність від природних у тому, що в штучних рифах опорна конструкція створюється людиною з штучного матеріалу.

Штучні рифи являють собою значне технічне, гідрологічне і біологічне утворення, яке впливає на всі екологічні процеси прибережної зони. Штучні рифи можуть змінювати напрямок потоків води, а також виконувати огороджувальну функцію; захищати акваторії від хвиль, укріпляти береги від розмиву. Крім того, гідродинамічний аспект штучних рифів забезпечує інтенсивний водообмін і взаємозв'язок з навколишнім середовищем, що має велике значення для розвитку угруповання перифітону.

У звіті зроблено визначення природних та антропогенних чинників руйнування берегів Азовського та Чорного морів, проведено огляд існуючого досвіду укріплення берегів поверхневих водних об'єктів і узбережжя морів шляхом спорудження штучних рифів як біопозитивних берегорегулювальних систем, розроблено наукове обґрунтування та рекомендації щодо укріплення берегів поверхневих водних об'єктів і узбережжя морів за допомогою штучних рифів.

^ 1. ВИЗНАЧЕННЯ ПРИРОДНИХ ТА АНТРОПОГЕННИХ ЧИННИКІВ РУЙНУВАННЯ БЕРЕГІВ АЗОВСЬКОГО ТА ЧОРНОГО МОРІВ 1.1 Визначення природних чинників руйнування берегів Азовського та Чорного морів
Сучасний розмив берегів морів обумовлено декількома факторами, значимість кожного з яких може мінятися як у часі, так і в залежності від місця. Існують, з одного боку, природні фактори розвитку глобального процесу відступу берегової лінії, зумовленого обвалами і зсувами, а з іншого боку – руйнування берегової зони (розмиви берегів) що відбуваються внаслідок інтенсивного освоєння узбереж морів у результаті господарської діяльності людини [1].

Одним з основних природних факторів, що формують берегову зону, є вплив морських хвиль. Результатом такого впливу є абразія берегів (механічне руйнування берегів морів у результаті дії хвиль і прибою).

Як відомо [2], інтенсивність абразійних процесів визначається двома основними факторами: режимом штормів і ходом рівня моря. Однак, не всі шторми викликають абразію, а лише досить сильні (більш 5 – 7 балів).

Так, для берега Криму виділено 3 райони за цією ознакою.

Район південного берега від м. Херсонес до м. Меганом, що відзначається найбільшою повторюваністю сильних штормів.

Район від м. Херсонес до м. Тарханкут. Більш спокійний район. Штормова інтенсивність зростає з півночі на південь.

Східний берег Криму (від м. Меганом до м. Токин). У районі найменша повторюваність штормів.

Важливе значення для абразійного процесу, має літологический склад порід, що складають ту або іншу територію берегової зони. Кожному літологическому складу берегової зони відповідає визначене середнє значення швидкості абразії.

Так, швидкість абразійного процесу на західному березі Криму в районі кліфу Тарханкутского півострова і прилягаючих до нього з північного сходу і південно-сходу ділянок берега, складеного міцними вапняками карбонатної і карбоністо-терригенной неогенових формацій, складає 5 – 10 см/рік і значно більше швидкість абразії кліфу у межах Каламітської затоки, берега которого складені терригенной неогеновой формації і складає в середньому 2 – 3 м/рік.

Швидкість абразійних процесів на південному березі Криму змінюється на різних ділянках до 3 м/рік у залежності від порід, що складають кліф.

Абразійні процеси східного узбережжя Криму характеризуються високою інтенсивністю. Це обумовлено тим, що берег у цьому районі складається з легкоруйнуючих з низьким опором хвильовому розмиву порід терригенної і карбонатно-терригенної неогенової формації, і складає 3 – 5 м/рік.

У районі Феодосійського уступу, що складається переважно з глин терригенної формації, швидкість абразії складає в середньому 1,4 – 1,8 м/рік. Район Керченського півострова піддається абразії досить слабко, швидкість абразії складає 0,3 – 0,4 м/рік.

Абразійні процеси спостерігаються також у береговій зоні Азовського моря, особливо в районах складених черепашковим матеріалом. В окремих випадках абразійні процеси змінюють форми кос, розмив одних кос сприяє нарощуванню інших. За даними спостережень [3], кліфи Азовського моря в східній частині відступають від берегів 3 – 4 м/рік, у районі північного узбережжя найбільша швидкість розмиву перевищувала 1 – 2 м/рік, а середня швидкість абразії складала 0,7 – 1 м/рік. Таким чином, тільки в північному узбережжі моря обсяг абразії складає 10 – 12 млн. т./рік. А сумарна величина абразії берегів Азовського моря при існуючих режимах рівня, біологічної продуктивності і сучасних тектонічних рухах, морфології берегової зони може досягати до 20 млн. т/рік.

Максимальну шкоду при абразійному руйнуванні берегів завдають обвали і зсуви гірських порід, пов'язаних з рельєфом берегової зони, які залежать від профілю схилу, схилових гравітаційних процесів, геологічної будови надводної і підводної частин, гідрологічних умов і тектонічного режиму регіону.

На рівнинних ділянках морського узбережжя абразійно-обвальні береги переходять, як правило, в абразійно-зсувні при висоті берегового обриву (кліфу) вище 20 м. При такій висоті кліфу виникає велике навантаження на його основу, у результаті чого відбуваються абразійно-зсувні явища.

При наявності на береговому схилі великої кількості уламкового матеріалу знижується хвильовий вплив на кліфи, зменшення ж кількості уламкового матеріалу веде до посилення абразії. Обвали і зсуви, викликані абразією, утворюють природні бар'єри та одночасно зменшують дію хвиль і охороняють берег від хвильового руйнування. Значну роль у формуванні морських берегів відіграє зменшення рівня моря та прибережно-морські наноси. Як відзначається в [4], починаючи з початку 19 сторіччя спостерігається тенденція до підвищення рівня Чорного моря зі швидкістю в середньому 2,5 мм/рік. Існує сезонне підвищення рівня моря, пов'язане зі збільшенням стоку рік.

Протягом року рівень моря періодично змінюється і залежить від ходу повітряних мас. Розмах зміни рівня Чорного моря складає 1,5 м. З підвищенням рівня моря відбувається постійне переміщення берегової лінії убік материка, що супроводжується надходженням до моря додаткових мас продуктів руйнування берегів. Вони включаються в подовжні берегові потоки, формують потоки наносів і створюють акумулятивні форми на межах морських і континентальних екосистем.

Потужність наносів залежить від режиму коливання хвиль і обсягу принесеного до моря матеріалу при згінних і нагінних явищах.

На Чорному морі згінні та нагінні явища спостерігаються найбільш часто в зимовий період у зв'язку з посиленням тектонічних явищ. Так, максимальний нагін у м. Одесі досягає в жовтні 99 см. Рівень згінно-нагінних явищ в Азовському морі складає для м. Керчі 200 см, Маріуполя – 242 см, Бердянська – 199 см, Генічеська – 412 см.

^ 1.2 Визначення антропогенних чинників руйнування берегів Азовського та Чорного морів
Поряд із природними факторами, важливе значення в руйнуванні берегової зони морів займає антропогенний фактор. Повсюдне втручання людини в природу привело до порушення природної рівноваги і викликало необоротні процеси розмиву берегової зони морів.

Починаючи з XIX століття відбувається швидке освоєння і використання ресурсів прибережних зон морів: будівництво портів, освоєння прибережних територій, будівництво набережних у приморських містах, водозаборів, зміцнення ділянок берегів шляхом зведення різних інженерних споруджень. На Чорному морі під активним впливом людини знаходиться 20 % берегової лінії, на Азовському – 15-18 %.

Одним з істотних антропогенних факторів руйнування берегів є вилучення з берегової зони пляжів і підвідного схилу для потреб будівництва піску, гальки і черепашки. У результаті вилучення великої кількості пісчано-галічного матеріалу намітився швидкий розмив берегової зони, що сприяло зменшенню ширини пляжів, а на окремих ділянках вони цілком зникли.

На Чорному морі цей процес особливо яскраво спостерігався в східній частині Каламитскої затоки (кар'єри в районі м. Саки), на пляжах Південного берега Криму (у районі м. Ялти), Феодосийскої затоки (у районі м. Феодосія), а також у районі Одеської банки, де запаси їх складають приблизно 18 млрд. м3 [5]. В Азовському морі це в основному район м. Бердянська й у межах Азовських кос (Ясенський, Довгий і Бирючий острів). Як відзначається в [6], тільки з коси Довгої щорічно добувалося більш 300 тис. т піску і черепашкового матеріалу.

У результаті видобутку піску й інших матеріалів створюються підводні заглиблення, що змінюють рельєф дна, впливають на гідрологічний режим і динаміку наносів. Крім того, велика шкода наноситься екосистемам берегової зони.

Значний збиток береговій зоні наносить будівництво висунутих у море молових та інших портових споруджень [7]. Вони утрудняють міграцію уламкового матеріалу уздовж берега, порушують цілісність природних берегових систем, викликають локальні розмиви берегів.

Великий вплив на формування берегової зони має кількість виносу річками твердого стоку (гальки, гравію і піску), що витрачається на акумуляцію в береговій зоні і зберігає берега від розмиву.

Так, у результаті регулювання стоку великих річок (будівництва гребель) різко знизився потік уламкового матеріалу по ріках у берегову зону. У зв'язку зі зменшенням надходження в берегову зону алювіального матеріалу очікується розмив акумулятивних форм. Як стверджується в роботі [7], у найближчому майбутньому дефіцит твердого стоку в берегову зону буде збільшуватися, отже, тенденція розмиву берегів підсилиться.

Не менш важливим проявом антропогенного впливу на берегову зону є будівництво й експлуатація морських портів і припортових акваторій. Великі порти розташовуються, як правило, на ділянках односпрямованого переміщення піщаних наносів.

Унаслідок проведення днопоглиблювальних робіт, особливо зі збільшенням прохідних глибин у районах портів до 15 м, відвальні моли зменшилися, а їхній вплив на прилягаючі ділянки берега підсилився.

Портові моли істотно впливають на місцевий режим руху наносів. Вони приводять до акумуляції наносів поблизу молів, порушують баланс наносів, у результаті чого з підвітрянної сторони молу виникають розмиви берегів [1, 7].

Негативний вплив на формування берегової зони Азовського і Чорного морів спричинила зарегульованість стоку великих річок, що впадають у моря. Як відзначається в [8, 9], зарегульованість річок Кубані і Дону виключило з балансу осадового матеріалу берегової зони Азовського моря близько 5 млн. т залученого твердого стоку. Таке різке скорочення осадового матеріалу привело до значного перетворення балансу теригенних речовин узбережжя. Цього обсягу грубозернистого матеріалу з надлишком вистачило б на щорічне відновлення всіх пляжних нагромаджень абразійних берегів.
^ 2. ОГЛЯД ІСНУЮЧОГО ДОСВІДУ УКРІПЛЕННЯ БЕРЕГІВ ПОВЕРХНЕВИХ ВОДНИХ ОБ’ЄКТІВ І УЗБЕРЕЖЖЯ МОРІВ ШЛЯХОМ СПОРУДЖЕННЯ ШТУЧНИХ РИФІВ ЯК БІОПОЗИТИВНИХ БЕРЕГОРЕГУЛЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ
Для зміцнення берегів поверхневих водних об'єктів і узбережжя морів використовують подовжні і поперечні берегові спорудження. До подовжнього відносяться спорудження і конструкції, подовжня вісь яких збігається з лінією берега або рівнобіжна їй: причальні або хвилевідбійні, набережні, укісні кріплення, начерки і т.д. Ці конструкції призначені для вирішення таких задач: відбити або зруйнувати прибійну хвилю та у ряді випадків зміцнити береговий укіс.

^ Поперечні берегові спорудження представлені різноманітними типами конструкцій від бун до молів портів, що їх обгороджують. Основна задача поперечних споруджень – затримувати пляжеві нагромадження шляхом штучного гальмування уздовж берегового транспорту наносів.

Крім подовжніх берегових споруджень для захисту і зміцнення берегів використовують подовжні морські спорудження, передня грань яких збігається з лінією берега. До таких споруджень відносяться штучні острови та штучні рифи (підводні і надводні хвилеломи). Основна їхня задача – зруйнувати цілком або частково штормову хвилю на підході до лінії уріза.

Таким чином, штучні рифи відносяться до подовжніх морських споруджень. Основна мета подовжніх споруджень – зруйнувати цілком або частково штормову хвилю на підході до лінії уріза, а також утримати пляжні нагромадження. На відміну від подовжніх берегових споруджень їхній вплив на берегову зону найчастіше має позитивний знак [9], вони можуть як зміцнювати берегову лінію так і створювати зони надлишкової акумуляції наносів.

Дослідження Діскіна і співавторів [10] показали, що якщо непроникливий хвилелом виконано з перевищенням над рівнем моря на 50 – 90 % висоти хвилі, то в за хвильовому просторі виникає нагін Н, що складає 60 % висоти хвилі глибоководдя ho. Висота нагону знижується до 35 % ho при збігу гребеня хвилі з рівнем моря. У випадку підвідного хвилелому з поглибленням верхньої грані спорудження до 0,5 ho нагін зменшується до 0,15 ho.

Нагони, створювані непроникливим хвилеломом, несприятливо позначаються на динаміку захищеної ділянки берега, тому що швидкість абразії прямо пропорційна величині відносного перевищення рівня моря над основою обриву або кліфу [11, 12]. Одночасно з наростанням швидкостей розмиву берега нахил сприяє виникненню комплексу течій, що можуть викликати розмив дна.

На відміну від надводних затоплені хвилеломи створюють мінімальний нагін. Розмив пляжної смуги на ділянках затоплених хвилеломів мінімальний або узагалі відсутній. Хвилі, руйнуючи на таких хвилеломах, відкладають наноси між спорудою та берегом. Затоплений хвилелом є активним спорудженням, тому що хвиля, руйнуючись перед хвилеломом, перекидає убік берега наноси, що залишаються між лінією берега та спорудженням.

В даний час штучні рифи знайшли широке застосування для зміцнення берегів поверхневих водних об'єктів і узбережжя морів [13 – 20]. На сьогоднішній день відомо більш 70 прикладів використання штучних рифів для зміцнення берегової лінії, відновлення природних біоценозів, підвищення їхньої продуктивності, природного біологічного очищення води, збільшення біоразноманіття підводного світу [15].

Як існуючий досвід зміцнення берегів за допомогою штучних рифів було розглянуто проект «Гран Домінікус», виконаний у 1998 р. у Домініканській республіці [16]. У рамках проекту використовувалися штучні рифи «Reef Ball» (рис. 2.1, 2.2).



Рис. 2.1. Штучний риф «Reef Ball» (структурна одиниця)




Рис. 2.2. 3-х рядний підводний хвилелом «Reef Ball»


Як елементи штучних рифів використовувалися хвилеломи «Reef Ball» висотою 1,2 м і хвилеломи «Ультра Бол» висотою 1,3 м відповідно діаметрами 1,5 і 1,6 м і масами 1600 і 2000 кг. Хвилеломи встановлювалися на глибинах 1,6 і 2,0 м. Відстань від рівня води до вершини затопленого хвилелому складала від 0,3 до 0,8 м.

Стабільність штучних рифів була підтверджена під час урагану «Джордж» (3-я категорія) і урагану «Митч» (5-я категорія) восени 1998 р.: при впливі цих ураганів не відбулось зрушення жодного штучного рифа. Збільшення ширини пляжу в квітні 2001 р. у порівнянні з лютим 1999 р. представлене на рис. 2.3. Спостерігалося також велике нарощування піску. Приріст берегової лінії склав 10 м.



Рис. 2.3. Збільшення ширини пляжу в квітні 2001 р. у порівнянні з лютим 1999 р.

Порівняння берегової лінії пляжів у 1999 р. і в 2001 р. представлено на рис. 2.4.



Рис. 2.4. Профіль берегової лінії пляжу в 1999 і 2001 р.

Дані про зміну берегової лінії і про обсяги нарощуваного піску за період з 1998 по 2001 р. представлені в табл. 2.1.


Таблиця 2.1. Зміна берегової лінії та обсягів нарощуваного піску за період з 1998 по 2001 р.

Напрямок берегової лінії

Зміна берегової лінії, м

Нарощування обсягів піску, м3/м

Захід

+ 10

+ 25,65

схід

+ 13

+ 44,52

Контрольне

0

+ 2,0


У роботі [17] наведено опис проекту зміцнення берегової лінії для 63-й вулиці Майамі-Бич у Флориді. Проект був підготовлений у рамках Національної програми розвитку і контролю за береговою ерозією корпусом інженерів США. Площадка вулиці 63 у Майамі-Бич була обрана як найбільше «ерозійна гаряча крапка». У рамках проекту були визначені рівні морської води, висоти хвиль різної забезпеченості. Для зміцнення берегової лінії запропоновано використовувати конструкції «Reef Ball» разом з підкладкою, виконаної у виді армованої «циновки» RВAМ. Комбінація штучних рифів «Reef Ball» з конструкцією RВAМ дозволяє закріплювати «Reef Ball» на похилій поверхні та зберігати їхнє положення при штормах (рис. 2.5, 2.6).




Рис. 2.5. Типовий елемент штучного рифа RBAM на похилій площині.




Рис. 2.6. Типовий елемент штучного рифа RBAM у плані.


Схема зміцнення берегової лінії для 63 вулиці Майамі-Бич у Флориді в плані приведена на рис. 2.7 [18].



Рис. 2.7. Схема в плані зміцнення берегової лінії за допомогою штучних рифів (розміри у футах).


Штучні рифи використовують для зміцнення берегів островів у водоймах. У роботі [15] представлено проект зміцнення готелю «Маріот» на 7 милі пляжу на острові Гранд Сайман. Для зміцнення берегової лінії острова використовувалися 5 рядів штучних рифів «Reef Ball» висотою 1,3 – 1,4 м, які були розташовані на глибинах 1,3 – 1,7 м. У результаті використання штучних рифів ширина пляжу збільшилася приблизно на 14 м за період з листопаду 2002 р. по лютий 2003 р. Профіль берегової лінії, що проходить через південну частину штучного рифа, у листопаді 2002 р. та у лютому 2003 р. представлене на рис. 2.8.




Рис. 2.8. Профіль берегової лінії, що проходить через південну частину штучного рифа (розміри у футах).


Згідно рис. 2.8, ширина пляжу в районі південної частини штучного рифа за період з листопаду 2002 р. по лютий 2003 р. збільшилася на 14 м. Використання штучних рифів призвело до зниження берегової ерозії і стабілізації пляжу готелю «Маріот».

Опис проекту зміцнення берегової лінії ріки Індіан (лагуна графства Мартін) представлено в роботі [19]. Для зміцнення берегової лінії були використані штучні рифи з використанням елементів «Reef Ball», що забезпечили зменшення берегової ерозії.

Вивчення різних конструкцій елементів штучних рифів [14] (див. рис. 2.9-2.11) показало, що їх добре обживають риби, водорості, краби й інші морські організми. Середня кількість риб і їхніх видів у районі різних типів штучних рифів наведено в табл. 2.2 для району Гаваї [14].


Таблиця 2.2. Середня кількість риб і їхніх видів у районі різних типів штучних рифів для району Гаваї.

Тип рифа

Середня кількість особів риб

Середня кількість видів риб

Rinker

75

11

«Reef Ball» з неопрацьованою поверхнею

25

8

«Швейцарський сир»

38

6

«Reef Ball» із блоками

58

12




Рис. 2.9. Штучні рифи у вигляді модулів «тетрахендронс» («tetrahendrons»).




Рис. 2.10. Штучні рифи у вигляді модулів «fish-condo».




Рис. 2.11. Штучні рифи у вигляді «Швейцарського сиру», які мають прохідні отвори


Використання штучних рифів намічається в проекті берегоукріплення акваторії морського перевантажувального комплексу в Імеретинській бухті м. Сочі. Штучні рифи запропоновано виконати у вигляді накидання фігурних масивів у металевий каркас. Ця конструкція буде мати високу хвиле гасячу здатність, низьку відбиваючу здатність, стійкість на будь-якій стадії будівництва і низьку вартість [20].

Штучні рифи у виді накидання різноманітного кар'єрного каменю або у виді накидання з різних залізобетонних масивів широко використовуються для зміцнення берегів поверхневих водних об'єктів [22].

Приведений вище огляд існуючого досвіду використання штучних рифів для берегоукріплення поверхневих водних об'єктів і узбережжя морів показує, що штучні рифи успішно застосовують для берегозахисту піщаних пляжів. Крім того, завдяки розвитку в районі штучних рифів біоценозів у вигляді різних морських організмів, рифи виконують функцію по очищенню вод морських та поверхневих водних об'єктів.

3. РОЗРОБКА НАУКОВОГО ОБҐРУНТУВАННЯ ТА РЕКОМЕНДАЦІЙ ЩОДО УКРІПЛЕННЯ БЕРЕГІВ ПОВЕРХНЕВИХ ВОДНИХ ОБ'ЄКТІВ І УЗБЕРЕЖЖЯ МОРІВ ШЛЯХОМ СПОРУДЖЕННЯ ШТУЧНИХ РИФІВ ЯК БІОПОЗИТИВНИХ БЕРЕГОРЕГУЛЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ


3.1 Розробка наукового обґрунтування щодо укріплення берегів поверхневих водних об’єктів і узбережжя морів шляхом спорудження штучних рифів як біопозитивних берегорегулювальних систем
Головний фактор розвитку берегів і рухома сила більшості берегових процесів, що відбуваються у морях, великих водоймищах і озерах – це хвилі, дрейфові і компенсаційні плини, виконані вітром і діючі одночасно з хвилями. У залежності від місцевих умов хвилі або роблять руйнування (абразія) корінних порід берегової зони, або нарощують його, акумулюючи уздовж берега наноси, або підтримують стабільний контур і профіль берега.

Активним фактором розвитку берегової зони є різні групи організмів, що утворюються на дні. У Чорному морі такими організмами є свердлильники, до яких з молюсків відноситься Petricola lithophoda, Pholas sp. – на кам'янистому дні і Barnea candida – на глинистому дні, а з губок – Cliona. У деяких випадках ці організми можуть впливати на береги і дно. Такі водорості як цитозира (Cistoseira Barbata) утворюють у берегів «подушку», що гасить удар хвилі. Живий черепашник на дні (наприклад, устричні банки) захищає ґрунт від розмиву. Це може відноситься і до суцільного покриву мертвого черепашнику.

Математичну модель розвитку берегової екосистеми можна представити у виді рівнянь, що враховують баланс уламкового матеріалу [20], а також продукцію уламкового ненаносоутворюючого матеріалу в береговій зоні та динаміку біомаси:

, (3.1)

, (3.2)

де W – обсяг пляжі- і наносоутворюючого матеріалу (починаючи з піщаних фракцій) на одиницю довжини берегової лінії (0<W<Wmin), м3; Wmin – граничний мінімальний обсяг уламкового матеріалу на пляжі, при якому абразія припиняється, м3; В – біомаса донного біоценозу на одиницю ширини абразивної обмілини (шельфу) (0<Bmax), т/м; Вmax – стаціонарний рівень біомаси донного біоценозу, т/м; а – частка пляже- і наносоутворюючого матеріалу в породах, що складають беріг (0<a<1); Н – висота берегового уступу, м; u – інтенсивність надходження (u>0) або віднесення (u<0) матеріалу за рахунок природних (плину) або штучних (підсипання, вилучення) факторів, м2/рік;  – коефіцієнт біогенної продукції уламкового матеріалу (кількість уламкового матеріалу, одержуваного з однієї тонни біомаси в рік), м2/рік; t – час, рік; С0, Cmin = const>0, 1/рік; j=const>0,1, 1/м·рік; j(Wmin - W) – швидкість відступу берегового уступу, м/рік; k – коефіцієнт стиранності пляжеутворюючого матеріалу (0,06<k<0,1), 1/рік.

Коефіцієнт стиранності k лінійно залежить від біомаси донного біоценоза В:

(3.3)

Рівняння (3.3) отримано з урахуванням наступних положень:

приріст біомаси донного біоценозу зменшується при збільшенні обсягу уламкового наносоутворюючого матеріалу (він сприяє гнобленню і деградації донного біоценозу);

саморегульований ріст біомаси донного біоценозу описується відомим логистическим рівнянням.

Система диференціальних рівнянь (3.1, 3.2) вирішується при наступних початкових умовах:

W(t0)=W0 (3.4)

В(t0)=В0 (3.5)

Якщо W>0, то це відповідає стійкому стану берегової лінії, W<0 свідчить про перевагу процесів абразії.
3.1.1. Наукове обґрунтування щодо укріплення берегів поверхневих водних об’єктів і узбережжя морів шляхом спорудження штучних рифів у вигляді рядів затоплених хвилеломів типу „Швейцарський сир”
Ідеї затоплених хвилеломів у СРСР були висунуті Е.Е. Кітраном в 1928 р. [21]. У 1933 р. з його ініціативи в берегів Одеси були побудовані штучні підвідні хвилеломи довжиною 250 м на відстані 90 м від урезу води, гребінь хвилелому знаходився на 1,5 м нижче рівня води. Після шторму між берегом і хвилеломом відбулося відкладення наносів [22]. Конструкція затопленого хвилелому, застосовувана для зміцнення берегів Чорного моря, представлена на рис. 3.1, 3.2.



Рис. 3.1. Схема затопленого хвилелому




Рис. 3.2. Конструкція берегового хвилелому з бетонних масивів: а) розріз по осі; б) план


Хвилелом складався з бетонних масивів вагою 30 т. Висота масивів варіювалася в межах 1,5 – 1,9 м, ширина – 4,5 – 5,1 м, довжина – 2,0 – 2,7 м. Зовнішня грань хвилелому похила, з коефіцієнтом укосу 3,0 (m=ctg, де  – кут між укосом та обрієм).

У бокових вертикальних гранях масивів передбачені пази, що утворюються при установці масивів шахти між кожною парою масивів. Через ці шахти в підставу заглиблюються на 1,5 м залізничні рейки. Потім шахти заповнюються бетоном. Це забезпечує гарне з'єднання масиву з підставою і перекриває шви між масивами, через які може відбуватися витік наносів, що відклалися між берегом і хвилеломом. Хвилеломи розташовувалися на глибинах 1,7 – 2,5 м. Гребінь хвилелому розташовувався на 0,2 – 0,6 м нижче середні рівні води. Відстань хвилелому від берега складала 20 – 40 м. Висота хвилі за хвилеломом зменшалась приблизно в 2 рази.

Перші лабораторні дослідження затоплених хвилеломів були проведені А. Стуккі та Д. Боннаром у 1937 р. у Швейцарії [23]. У СРСР лабораторні дослідження підводних хвилеломів почалися проводитися з 1940 р. [22]. З цього ж року подібні дослідження стали проводитися й у США Управлінням берегової ерозії [24].

Великий інтерес представляли експериментальні дослідження підводних хвилеломів, виконані І. Морісом [25], А.І. Лизловим [26, 27], В.С. Гамаженко [28], В.Н. Сідорчуком , В.З. Аверіним [29].

Теоретичні дослідження підводних хвилеломів і коефіцієнтів гасіння хвилі були виконані Джеффером [30], Х. Ламбом [31], Ж. Джонсоном, А. Фуксом та І. Морісом [32].

При зустрічі з підводним хвилеломом енергія вихідних хвиль частково передається залишковим хвилям між берегом і хвилеломом, частково відбиває від хвилелому. Довжина хвилі зменшується в хвилелому, а за ним відновлюється до вихідної величини. Схема затопленого хвилелому представлена на рис. 3.3.




Рис. 3.3. Схема затопленого хвилелому на горизонтальному дні.


Для опису процесів ослаблення (гасіння) хвилі за хвилеломом були використані наступні роботи [22, 31, 32].

Рівняння балансу енергії вітрових хвиль має вигляд [22]:

(3.6)

де ^ Е – енергія хвиль на 1 м2 акваторії; u – швидкість переносу енергії; М – енергія, одержувана хвилею від вітру; Е0 – втрачена енергія хвилі,; y – напрямок руху хвилі; t – час.

Відповідно до досліджень Х. Ламба та И. Моріса [31, 32], повна енергія вихідної хвилі дорівнює