Обеспечение экологической безопасности приморских урбанизированных рекреационных территорий с использованием биопозитивных берегозащитных сооружений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.19, кандидат наук Меннанов Эмран Эльмарович

• Меннанов Эмран Эльмарович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Меннанов Эмран Эльмарович

Выводы по 1 главе

РАЗДЕЛ 2. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИМОРСКИХ УРБАНИЗИРОВАННЫХ РЕКРЕАЦИОННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

2.1. Теоретические основы определения рекреационной привлекательности в рамках задач обеспечения экологической безопасности приморских урбанизированных рекреационных территорий

2.2. Оценка ЭБПЗ ПУРТ с учетом инженерно-экологических факторов при строительстве и реконструкции берегозащитных сооружений

2.3. Алгоритм обеспечения ЭБПЗ ПУРТ при строительстве и реконструкции берегозащитных сооружений с учетом биопозитивных конструктивных решений

Выводы по главе

РАЗДЕЛ 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПРИМОРСКИХ УРБАНИЗИРОВАННЫХ РЕКРЕАЦИОННЫХ ТЕРРИТОРИЙ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И РЕКОНСТРУКЦИИ БИОПОЗИТИВНЫХ БЕРЕГОЗАЩИТНЫХ СООРУЖЕНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

3.1. Обоснование территории исследования при разработке проектов строительства и реконструкции берегозащитных сооружений с учетом экологического состояния рекреационных прибрежных зон Крымского полуострова

3.2. Оценка рекреационной привлекательности с учетом экологического состояния западного побережья Крыма

3.3. Экспериментальные исследования экологического состояния приморских рекреационных урбанизированных территорий и пляжей при строительстве и реконструкции биопозитивных берегозащитных сооружений и

их анализ (на примере приморской рекреационной зоны западного побережья Крыма «Песчаное»)

3.3.1. Основы моделирования процессов формирования ЭБПЗ приморской урбанизированный рекреационной территории и характеристики экспериментальной установки

3.3.2. Физическая модель исследуемого участка пляжа и исходные данные

3.3.3. Результаты серии экспериментальных исследований процессов формирования ЭБПЗ ПУРТ, в том числе с применением биопозитивных берегозащитных сооружений

3.4. Анализ эффективности применения биопозитивных берегозащитных сооружений на уровень ЭБПЗ приморских урбанизированных рекреационных территорий

Выводы по главе

РАЗДЕЛ 4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОБОСНОВАНИЮ БИОПОЗИТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И РЕКОНСТРУКЦИИ БЕРЕГОЗАЩИТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

4.1 Рекомендации определения рекреационной привлекательности приморских урбанизированных территорий

4.2. Методика обеспечения экологической безопасности приморских рекреационных территорий на основе применения биопозитивных конструктивных решений берегозащитных сооружений

4.3. Рекомендации предпроектного выбора биопозитивных берегозащитных сооружений для обеспечения экологической безопасности участка пляжной зоны ПУРТ западного берега Крыма

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ТЕРМИНОВ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Условия применения берегозащитных сооружений

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Характеристики возраста и литологического состава пород береговых обрывов Западного побережья Крыма

ПРИЛОЖЕНИЕ В Акты и справки о внедрении результатов диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение экологической безопасности приморских урбанизированных рекреационных территорий с использованием биопозитивных берегозащитных сооружений»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В связи со стремительным возрастанием антропогенной нагрузки на урбанизированных территориях в настоящее время возникает необходимость в обеспечении экологической безопасности таких территорий, которые могут обеспечивать эффективную рекреацию населения. При этом особое значение обеспечения экологической безопасности имеет для приморских урбанизированных территорий (далее - ПУТ), в системе оценки которых необходимо учитывать, как природные, так и техногенные факторы, поскольку ПУТ являются важными для организации рекреации, а в последние годы наблюдается устойчивая тенденция к ухудшению их (приморских урбанизированных рекреационных территорий - ПУРТ) экологически безопасного состояния: так, отмечено сокращение как природных, так и искусственных пляжей, ухудшение их санитарно-гигиенического состояния, снижение качества рекреационной инфраструктуры и разрушение берегозащитных сооружений.

Одним из способов обеспечения экологической безопасности ПУРТ в целом и пляжей в частности, является применение берегозащитных сооружений, удовлетворяющих критериям биопозитивности, что соответствует требованиям нормативно-правовых актов: Федерального закона №7-ФЗ «Об охране окружающей среды», ПНЕТ 349-2019 - ПНЕТ 351-2019 «Зеленые» стандарты. «Зеленые технологии среды жизнедеятельности», СанПиН 4060-85 Лечебные пляжи. Санитарные правила устройства, оборудования и эксплуатации, в частности подпунктам 2.3, 3.5, 4.4, 4.5, ГОСТ Р 55698-2013 «Туристские услуги. Услуги пляжей. Общие требования», в частности подпунктам 5.4, 5.15, 5.16, 5.21.9, 5.22, 5.23, 8 и 9, СП 277.1325800.2016 «Сооружения морские берегозащитные. Правила проектирования».

Мировая практика строительства биопозитивных берегозащитных сооружений подтверждает их эффективность в снижении волновой нагрузки на берег, стабилизации пляжей и сохранению биоэкологии. Однако при предпроектной оценке территории, а также при проектных работах не рассматривается влияние множества факторов на экологическую безопасности ПУРТ. При этом в работах, посвященных применению берегозащитных сооружений, анализируется только их эффективность в плане обеспечения целостности берега - влияния данных сооружений на транспорт наносов, что является лишь частью системы факторов экологической безопасности ПУРТ. Вследствие чего обеспечение ЭБПЗ ПУРТ является актуальной проблемой и определила целесообразность дополнительных исследований по оценке влияния берегозащитных сооружений на ЭБПЗ ПУРТ для дальнейшего выбора целесообразных видов берегозащитных сооружений. Немаловажную роль играют природно-климатические, геолого-морфологические, гидрогеологические гидрофизические и техногенные факторы. Следовательно, исследования, направленные на оценку факторов ЭБПЗ ПУРТ, можно считать актуальными.

Степень разработанности темы исследования. Научный поиск решений обеспечения экологической безопасности урбанизированных территорий проводился в исследованиях научных школ различных стран: Израэля Ю.А., Медоуза Д.Л., Вайцзеккера Э., Вернадского В.И., Данилова-Данильяна В.И., Осипова В.И., Реймерса Н.Ф., Ильичева В.А. и других.

В Российской Федерации принципы устойчивого развития территории с учетом парадигмы биосферной совместимости городов и поселений положены в основу современных исследований РААСН, МГСУ, ЦНИИП градостроительства, ЮЗГУ и таких ученых как Азаров В.Н., Алексашина В.В., Бакаева Н.В., Владимиров В.В., Колчунов В.И., Кононович Ю.В., Немчинов М.В., Слесарев М.Ю., Сидоренко В.Ф., Смоляр И.М., Теличенко В.И., Тетиор А.Н., Трофименко Ю.В., Хо-мич В.А. и других.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями пляжеобразования занимались ученые различных научных школ как в начале прошлого века, так и на современном этапе: Хирои И., Жданов А.М., Шулейкин В.В., Джунковский Н.Н.,

Петрашень В.И., Логвинович Г.В., Биркгоф Дж. К., Жданов A.M., Загрядская Н.Н., Зенкович В.П., Косьян Р.Д., Кузнецов С.Ю., Лаппо Д.Д., Леонтьев И.О., Макаров К.Н., Горячкин Ю.Н., Тлявлин Р.М., Мищенко СМ., Шахин В.М., Куклев С.Б., Радионов А.Е., Дергачев В.А., работы которых в результате образовывают теоретическую базу гидрофизики прибрежной зоны.

Разработками методов многокритериального анализа экологической безопасности занимались множество специалистов и ученых. Азгальдов Г.Г является родоначальником основ квалиметрии - науки о комплексной оценке качества объектов. Саати Т. - американский математик, автор метода анализа иерархий. Дергачев В.А. - советский ученый, занимался вопросами рационального использования территории, охраны окружающей среды, а также преобразования приморских территорий. Им предложено понятие «природно-хозяйственная контактная зона "суша-океан"» - это зона интенсивного взаимодействия природной среды, населения и хозяйства. Крымские ученые, такие как Сапронова З.Д., Федоркин С.И., Ветрова Н.М., Иваненко Т.А., Горячкин Ю.Н., Агаркова-Лях И.В., Ничкова Л.А. проводили исследования влияния природных и антропогенных факторов на экологическое состояние приморских территорий, а также оценки и мониторинга экологического состояния данных территорий при рекреационном природопользовании.

Цель диссертационной работы - развитие теоретических основ обеспечения экологической безопасности приморских урбанизированных рекреационных территорий на основе применения биопозитивных берегозащитных сооружений.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— провести сравнительный анализ направлений решения проблем экологической безопасности приморских урбанизированных территорий (далее - ПУТ) в условиях рекреационной специализации;

— выявить особенности ПУТ при определении их рекреационной привлекательности и разработать модель для определения рекреационной привлекательности ПУРТ;

— разработать критерии и схему оценки ЭБПЗ ПУРТ, как одной из составляющих экологически безопасного состояния ПУРТ с учетом системы берегозащитных сооружений;

— разработать и построить модель процессов формирования ЭБПЗ ПУРТ в том числе с применением биопозитивных берегозащитных сооружений;

— провести экспериментальные исследования экологического состояния ПУРТ при строительстве и/или реконструкции берегозащитных сооружений;

— построить алгоритм и разработать методику обеспечения ЭБПЗ ПУРТ на основе применения берегозащитных сооружений, удовлетворяющих критериям биопозитивности;

— разработать рекомендации по выбору биопозитивных берегозащитных сооружений на примере западного берега Крыма.

Научная новизна заключается в том, что:

— разработана модель определения уровня рекреационной привлекательности ПУТ на основе систематизации и структурирования особенностей ПУТ, которая учитывает природные и экологические факторы рекреационной привлекательности;

— разработаны показатели оценки ЭБПЗ ПУРТ, учитывающие систему природных и антропогенных факторов, влияющих на экологически безопасное состояние пляжной зоны;

— сформулирован алгоритм обеспечения ЭБПЗ ПУРТ, позволяющий обосновать необходимость и эффективность использования берегозащитных сооружений, удовлетворяющих критериям биопозитивности;

— разработана и исследована модель процессов формирования экологически безопасного состояния пляжной зоны ПУРТ, которая раскрывает взаимосвязь изменения комплекса параметров пляжной зоны ПУРТ при использовании биопозитивных берегозащитных сооружений.

Теоретическая значимость работы заключается в развитии концептуально-методических подходов (включая разработанные методики) предпроектного

выбора инженерно-экологических решений при обеспечении экологической безопасности ПУРТ, в том числе пляжной зоны, на основе применения биопозитивных конструктивных решений берегозащитных сооружений, учитывающих динамику ЭБПЗ ПУРТ после строительства объектов берегозащиты.

Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем:

— рекомендации определения рекреационной привлекательности ПУТ, позволяют определить уровень целесообразности рекреационной специализации территории с учетом как природных, так и экологических параметров;

— использование разработанных показателей ЭБПЗ ПУРТ позволяет оценить уровень экологической безопасности урбанизированных рекреационных зон;

— применение предпроектной оценки уровня ЭБПЗ ПУРТ способствует рациональному выбору конструктивных решений берегозащитных сооружений;

— методика обеспечения экологической безопасности ПУРТ на основе применения биопозитивных конструктивных решений берегозащитных сооружений, позволяет учитывать особенности динамики ЭБПЗ.

Методы исследования. В данной работе использованы следующие методы исследования: анализ и систематизация опубликованных ранее материалов и электронных ресурсов по смежным отраслям науки - экология и экологическая безопасность, география, геология, гидрология, гидрофизика, строительная климатология, квалиметрия, гидротехническое проектирование; использование системного анализа и квалиметрии для оценки рекреационной привлекательности ПУРТ, а также оценки ЭБПЗ ПУРТ; моделирование эксперимента для исследования эффективности инженерно-экологических решений с использованием биопозитивных берегозащитных сооружений по обеспечению ЭБПЗ ПУРТ.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

— классификация категорий ПУТ по уровню рекреационной привлекательности на основе учета системы характеристик приморских урбанизированных территорий;

— метод оценки уровня ЭБПЗ ПУРТ на основе учета динамики совокупности показателей природных и антропогенных факторов в пляжной зоне;

— параметры и особенности процессов формирования ЭБПЗ без применения и с эксплуатацией берегозащитных сооружений;

— концептуальный подход к обеспечению экологической безопасности ПУРТ на основе применения биопозитивных конструктивных решений берегозащитных сооружений;

рекомендации предпроектного обоснования инженерно-экологической системы берегозащиты для целей обеспечения ЭБПЗ ПУРТ, удовлетворяющей критериям биопозитивности с учетом социо-эколого-экономической эффективности.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов обеспечена применением основ теоретического анализа в области экологической безопасности строительства и городского хозяйства, теоретически обоснованных методов оценки экологического состояния прибрежной рекреационной зоны, применением современных методов экспериментальных исследований, большим объёмом репрезентативных экспериментальных данных, проведением статистической обработки данных и сопоставление экспериментальных результатов исследований с численными результатами расчетов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на всероссийских и международных конференциях и семинарах различных уровней: всероссийской научной конференции с международным участием «Современное состояние, проблемы и перспективы развития отраслевой науки» (г. Москва, Московский государственный университет путей сообщения Императора Николая, 2016 г.); I Всероссийской междисциплинарной научно-практической конференции (с международным участием) «Крымская инициатива - Экологическая безопасность регионов: концептуально-теоретические, практические, природоохранные и мировоззренческие аспекты» (г. Симферополь, Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение) ФГАОУ ВО КФУ имени В.И. Вернадского, 2017 г.); Х международной научно-практической конференции «Строительство в прибрежных курортных регионах» (г. Сочи, Сочинский государственный университет,

2018 г.); семинаре приуроченному ко дню Воды «Экосистемные принципы обращения с водными ресурсами» (г. Симферополь КФУ им. В.И. Вернадского, 2018 г.,

2019 г.); 1 и 2 международных научно-практических конференциях«Устойчивое развитие территорий» (г. Москва, НИУ МГСУ, 2018 г., 2019 г.); международной научно-практической конференции «Экологическая, промышленная и энергетическая безопасность - 2019» (г. Севастополь, ФГАОУ ВО Севастопольский государственный университет, Институт ядерной энергии и промышленности, 2019 г.); международной научно-технической конференции «Инновационные подходы в решении современных проблем рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды» (г. Алушта, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2019 г.); международной научно-практической конференции «Экологическая, промышленная и энергетическая безопасность - 2020» (г. Севастополь, ФГАОУ ВО Севастопольский государственный университет, Институт ядерной энергии и промышленности, 2020 г.).

Реализация результатов работы. Материалы исследований использовались при выполнении следующих научно-исследовательских работ:

— «Экологические и экономические основы устойчивого функционирования региональных систем». Номер государственного учета НИОКТР АААА-А19-119091890070-3.

— «Разработка теоретических основ обеспечения безопасности урбанизированных территорий на принципах симбиотического развития урбоэкосистем». Номер государственного учета АААА-А19-119060690049-7.

Публикации. По теме исследования опубликовано 20 научных работ, в том числе 8 статей в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России для опубликования основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, 2 статьи в журнале, индексируемом в базе Scopus. По результатам исследований в диссертационной работе было получены 3 патента на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения. Работа изложена на 168 страницах, из них 137 основного текста. Содержит 51 рисунок, 22 таблицы, список литературы из 156 источников и приложения.

РАЗДЕЛ 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИМОРСКИХ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

1.1. Состояние экологической безопасности морских прибрежных урбанизированных территорий в условиях рекреационной специализации

Поверхность суши осваивается людьми, начиная с появления первых цивилизаций и на протяжении многих лет одними из важнейших осваиваемых территорий являются приморские - это преимущественно полосы, расположенные на границе «суша-море», которые характеризуются повышенной плотностью населения, поселений и хозяйственной активности в виду организации процессов жизнеобеспечения на основе морских ресурсов и использования моря как транспортных коридоров. «Стремление к фиксации и концептуализации в процессе обособления особого рода пространственных объектов воплотилось в совокупности родственных понятийно-терминологических конструкций, начиная с 1970-х гг. активно культивируемых и тиражируемых в отечественной научной литературе: «береговая зона» [3], «прибрежная зона» [100], «приморская территория» [2], др.» [55]. Так, «приморская зона - это сочетание территориально сфокусированных экономических, социальных, культурных и политических программ, отношений, институтов, образов, «работающих» и получающих фактическое воплощение в природно-хо-зяйственном, экономико-демографическом, социально-экологическом и экистиче-ском контексте полосы взаимодействия «суша-море» [55]. Согласно определению И.С. Щукина [148], морским берегом называют полосу современного взаимодействия геоморфологических процессов между сушей и морем. Соответственно характерной визуальной чертой берега является наличие элементов этого взаимодействия - береговых форм рельефа. В.П. Зенкович уточнил данное понятие в той части, что характерной чертой берегов являются «формы рельефа, созданные при данном среднем уровне моря, если они таковы, это подтверждает их современность. Со стороны моря к береговой линии примыкает подводный береговой склон

- мелководная часть морского дна, рельеф которой создан волнами при данном уровне моря. Акваторию над ним принято называть прибрежье» [59]. Согласно ГОСТ 23634-83. «Морская навигация и морская гидрография. Термины и определения» [47], морским побережьем называют полосу суши, примыкающую к морю, рельеф которой носит следы взаимодействия с морем, а согласно СП 277.1325800.2016. «Сооружения берегозащитные. Правила проектирования» [123], берегом является полоса суши, на которой имеются формы рельефа и накопления наносов, созданные волнением при современном среднемноголетнем уровне воды, что соответствует определению В.П. Зенковича.

Приморские территории представляют собой активную геодинамическую систему, которая находясь на стыке систем «суша» и «море» имеет высокую скорость процессов изменений (трансформации). При этом в условиях урбанизации, эти трансформации в значительной мере влияют и на изменения природных комплексов, и на условия жизни общества, и на особенности экономики. При этом осуществление коммуникаций посредством морского транспорта приводило к активному процессу урбанизации морских побережий (создавались порты, городская, производственная и транспортные инструкторы), а также происходило использование природных ресурсов для организации санаторно-курортной деятельности, что способствовало организации рекреационных территорий в приморской полосе.

«Организация рекреации человека - сложная и многоплановая система, которая требует усилий совокупности экономических субъектов, объединенных в ре-креационно-экономический комплекс: рекреационные предприятия, предприятия инфраструктуры, обеспечивающие их функционирование, а также институциональная система (органы государственного регулирования различных уровней). При этом, под рекреацией (лат. Recreatю - восстановление сил) понимается отдых, лечение, восстановление в условиях курортной местности и, с другой стороны, это система мероприятий, связанных с использованием свободного времени для оздоровительной, культурно познавательной и спортивной деятельности людей на специализированных территориях, находящихся вне места их постоянного прожива-

ния» [28]. Специалисты [2, 28] отмечают, что рекреационные комплексы тесно связаны с характеристиками экологического состояния окружающей среды. Так, при определении рекреационной деятельности должны учитываться следующие условия обеспечения устойчивого развития территории:

— масштабы рекреационной деятельности должны обеспечивать экологическую безопасность территории;

— характеристики рекреационной деятельности должны соответствовать природно-ресурсному потенциалу;

— посредством экономической деятельности обеспечить удовлетворение совокупности рекреационных потребностей населения.

Значение рекреационного региона определяется тем, что сегодня параметры развития общества характеризуются усилением интенсификации производственных процессов, ростом однообразия и напряженности труда, что снижает параметры здоровья населения, а также постоянно ухудшается экологическое состояние окружающей среды. Следствием данных процессов с одной стороны является рост потребности в рекреации, как восстановления сил человека, израсходованных в процессе труда и организации деятельности, направленной на создание специальных пространств, необходимых для создания различных рекреационных услуг, а с другой стороны, возрастает значение поддержания экологической безопасных параметров окружающей среды, в которой формируются рекреационные пространства. В этой связи, возрастает необходимость в организации производственных процессов по оказанию услуг рекреации, что и обуславливает формирование рекреационных комплексов, как совокупности субъектов различных организационно-правовых форм и видов экономической деятельности, результатом функционирования которых является комплексный рекреационный продукт. Следовательно формируются приморские урбанизированные территории рекреационной специализации - «приморские рекреационные урбанизированные территории» на морских берегах, объединяющих пляжную зону и зону рекреационной застройки.

Исследования комплекса проблем приморских рекреационных урбанизированных территорий выполнялись различными научными направлениями: география, геология, экономика природопользования, экология, урбанистика и др. Первые крупные обобщения сведений о приморских территориях стали появляться в XVIII веке, сначала описательного общегеографического направления, а затем гидрографического. Описания приморских территорий проводились во время дальних и кругосветных плаваний Д. Кука, И.Ф. Крузенштерна, Ф. Лаперуза, Ф.П. Литке. Большинство теоретических разработок и обобщений исследователей были сделаны на материалах исследований, которые проводились в прибрежных зонах Черного моря. Впервые в Черном и Азовском морях инструментальные гидрографические работы были проведены в самом конце XVII века Петром I и К. Крейсом. По результатам проведенных исследований по распоряжению Императорского Русского Географического общества комиссия (И.В. Мушкетов, Н.М. Герсеванов, Н.В. Соколов,) под руководством Ю.М. Шокальского в 1888 году подготовила инструкцию для исследования морских берегов [90].

С развитием геолого-географических и гидрофизических наук были установлены важнейшие закономерности движения воды в зоне трансформации и разрушения волн, особенности строения, динамики и развития морских побережий и берегов. В начале XX века появляются крупные работы по обобщающиию зарубежных ученых: Р.А. Дели [150] - о влиянии тектонических движений и изменении уровня морей на формирование берегов, Г.К. Джильберта [152] - о составе и происхождении вдольбереговых наносов побережья Великих Озер, Н.М. Феннемана [151] - об трансформации профиля равновесия дна под влиянием энергии морских волн; Е.Р. Мэттьюза [154] - о динамике прибрежных территорий Великобритании, в которой для ограниченного количества районов установлены численные характеристики скоростей абразии и предложены способы защиты берегов от разрушения. Д.У. Джонсоном [153] обобщен разрозненный фактический материал, на основании которого им была предложена концепция развития морского берега и выпущена первая в мире специальная монография, посвященная береговым процессам и рельефу берегов.

Практически одновременно в Российской империи труды Н.Я Данилевского [50] и Н.А. Соколова [120] по дельте р. Кубань положили начало геолого-географическим исследованиям прибрежной зоны. В работах М.Н. Герсева-нова [37] впервые дана характеристика морских гидротехнических сооружений, что способствовало бурному развитию в начале XX века гидротехнического научного направления. Более подробное изучение гидродинамических процессов приморских территорий было связано с необходимостью возведения портов в Белом, Черном и Баренцевом морях [144]. При исследовании наземной части прибрежных территорий геолого-географическое направление вылилось в геолого-морфологическое. Наибольшее значение по данному направлению имеют работы Л.С. Берга [14], который изучал морфологические аспекты береговых зон Аральского моря. Данные работы характеризуются компонентным подходом в изучении приморских территорий.

Принципы для общей морфологической классификации морских берегов также разрабатывали Коттон, Валентин, Рифтгофен, Шепард, О.К. Леонтьев, В.П. Зенкович, Джонсон, Мартони, Шлютер и многие другие. Широко используется классификация берегов, разработанная С.А. Лукьяновой и др. Согласно названным выше классификациям, берега подразделяются на малоизмененные и преобразованные морем абразионные и аккумулятивные.

Очень подробную и комплексную типизацию предложил О.С. Рома-нюк [113]. В ней учтены степень изменённости берегов морем, тектонические движения, происходящие в пределах ПУРТ геологические и геоморфологические процессы, форма берега, разнообразие абразионных и аккумулятивных форм и др.

Одной из наиболее оптимальной из существующих мировых классификаций берегов является классификация, предложенная П.А. Каплиным совместно с А.И. Иониным и В.С. Медведевым - учеными Института океанологии АН СССР еще в 1961 году. Преимуществами классификации (рисунок 1.1) является то, что она достаточно подробная, охватывает все или почти все разнообразие берегов нашей планеты, а также учитывает, в отличие от других, и генетические, и морфологические особенности берегов, а также современную динамику процессов.

Одновременно наметились тенденции к возникновению гидролитодинамиче-ских исследований, в которых уделялось внимание комплексному изучению прибрежных наносов. В исследованиях по Черному морю П.К. Божича [16] развивается теоретическое представление о потоке наносов в береговой зоне, поэтому его следует считать основателем гидролитодинамического направления. Он провел в 30-е годы XX века обширные натурные и экспериментальные исследования абразионных процессов и динамики наносов в береговой зоне Черного моря, изучил берегоформирующую роль наносов, ввел и обосновал понятие "вдольберегового потока наносов".

Рисунок 1.1 - Типы морских берегов. Источник: разработано автором по [23]

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Меннанов Эмран Эльмарович, 2020 год

Источник [141]

Каламитский поток наносов движется от мыса Лукулл в сторону Евпатории. Мощность Каламитского потока наносов составляет 65 тыс. м3/год. Данный поток наносов оседает на дне Евпаторийской бухты. Однако его мощность мала для развития активной аккумуляции пляжей в зоне его разгрузки. Вследствие чего оседание наносов на дне Евпаторийской бухты способствует развитию деградацион-ных процессов в приморской зоне и требует развитие соответствующих берегозащитных и берегоукрепительных мер.

Качинский вдольбереговой поток наносов движется в южном направлении в сторону Учкуевки и расположен в зоне между мысами Маргопуло и Керменчик [147]. Мощность Качинского потока составляет порядка 56 тыс. м3/год. Разгрузка Качинского вдольберегового потока осуществляется в районе с. Учкуевка. Пляжи на данном участке залива преимущественно песчаные (ширина пляжей доходит до 20 м). Ширины данных пляжей недостаточно для в полной мере гашения штормовых волн.

В свою очередь в работе [94] вдольбереговой поток выделен по ряду признаков: вещественному и гранулометрическому составу пляжных отложений, петрографическому составу галечных пляжей, литологии абрадируемых берегов и изменению окатанности частиц. На основании всего комплекса исследований выделен единый суммирующий поток от Северной стороны г. Севастополя до г. Евпатории. При определенных гидрометеорологических условиях возможно локальное или краткосрочное направление потока в обратную сторону.

Климат и гидрометеорологический режим прибрежной зоны. Для открытой западной части равнинного Крыма характерен умеренно теплый степной климат с жарким засушливым летом и мягкой влажной зимой. Влияние материка придает ему континентальные черты и обуславливает значительную неустойчивость погоды.

Лето на побережье менее жаркое, а зима, особенно в южной части, теплее. Летний сезон начинается во второй половине мая и заканчивается в сентябре (длится 4 - 5 месяцев). Самый жаркий месяц - июль. Среднегодовое количество осадков составляет от 280 до 400 мм, максимум их приходится на осень [93].

Среднегодовое количество часов солнечного сияния составляет здесь 23002400, однако нарастание тепла происходит медленно - сказывается влияние охлажденного за зиму моря. Вследствие того, что море ночью отдает тепло медленнее, чем суша, побережье летом овевается бризами, дважды в сутки меняющими направление, днем они дуют с моря на сушу, ночью с суши на море. Бризы уменьшают разницу между дневными и ночными температурами. Массы морского,

влажного, менее нагретого воздуха смягчают дневной зной, а теплый сухой воздух, приходящий из степи, умеряет ночную прохладу.

Летние осадки выпадают преимущественно в виде обильных, сильных, но кратковременных дождей. Вторая половина лета более засушлива. Засухи и суховеи здесь менее продолжительны, чем в северном и центральном Крыму, и приходятся главным образом на июль и август.

Осень в Западном Крыму теплее весны на 2 - 4,5 °С. Облачность продолжает оставаться небольшой, сравнительно невелики осадки, зато спадает жара и возрастает влажность воздуха. Ясная, тихая погода сохраняется до ноября. В первой половине ноября появляются легкие заморозки, а во второй происходит резкая смена погоды: учащаются ветреные и пасмурные дни, приходят первые ночные морозы. Оценивая климатические, условия Западного Крыма в целом, следует отметить, что они благоприятны для развития на побережье курортного строительства [63].

Волновая деятельность моря. Анализ результатов исследований ветро-вол-новых условий в западной приморской зоне Крыма позволил отметить интенсивное увеличение скорости ветра по наиболее опасным направлениям (западное, юго-западное) за последние 30 лет наблюдений. Максимальный ущерб прибрежным территориям наносит штормовое волнение, генерируемое ветрами от наиболее волноопасных направлений со скоростью более 10 м/с [41]. Наибольшая повторяемость сильного волнения за многолетний срок наблюдений [111] для Крыма характерна для Херсонесского маяка (641 раз). Несмотря на малые абсолютные значения повторяемости волнения по Евпатории, для нее характерен самый высокий процент волнения более 7 и 8 баллов.

Штормовое волнение имеет достаточно выраженный сезонный цикл. С ноября по март месяц интенсивность штормового волнения достигает пиковых значений. В период от декабря до февраля при высоте волн 7 м повторяемость штормового волнения достигает 42 %. В летний сезон повторяемость штормов не превышает 14 %.

Наибольшая повторяемость мощных штормов с волнением до 6 баллов приходится на самые опасные штормовые направления - юго-западное (0,3 %) и западное (0,1 %). За последние полстолетия шесть самых мощных штормов наблюдались в районе мыса Херсонесский маяк. Данные шторма зафиксированы в ноябрьские периоды.

Средние многолетние величины энергии штормов более 6-ти баллов (106 т/м/год) для Херсонесского маяка составляют 42,1 т/м/год, а для Евпатории в штормовые годы - 28 и 22 т/м/год [104]. От волноопасных направлений повторяемость сильных ветров составляет всего 2,8 % (таблица 3.3).

Таблица 3.3 - Повторяемость ветров (%) от волноопасных направлений

Участок побережья Преобладающие направления ветра % Волноопасные направления ветра Сильные ветры, более 10 м/с, % Сильные ветры, более 15 м/с, %

залив Каламит-ский С 23 С 1,2 0,2

Ю 22 З 0,6 0,1

СВ 15 СЗ 0,5 0,1

ЮЗ 0,5 0,1

Источник: составлена автором по результатам анализа материалов [141]

В результате природной обстановки, которая сложилась в 2001 г., произошло усиление абразионных процессов, которые привели к активизации ряда оползней, таких как два оползня в береговом обрыве к югу от устья р. Кача (в 1,5 км и в 2 км) и в междуречье Бельбека и Качи. В 2003 г. штормовая активность удвоилась по сравнению с 2002 г.

Естественной причиной абразии приморских территорий Западного Крыма является подъем среднего уровня моря. За последние полстолетия уровень Черного моря повысился на 15 см и с каждым годом продолжает повышаться на 0,25. см/год [40]. Наибольшие колебания уровня обусловлены сгонно-нагонными явлениями, приуроченными, в основном, к осенне-зимнему периоду - сезону господства северо-восточных ветров. Размах экстремальных значений для крымского участка Черного моря составляет 70 см.

Систематически экзогенные геологические процессы стали изучаться в 1970-х годах. Автором проанализированы данные Ялтинской инженерно-геологической и гидрогеологической партии и КРП «Противооползневое управление и проведены собственные наблюдения [62, 87].

В береговой зоне западного побережья Крыма наиболее распространенными природными экзогенными геологическими процессами являются развитие эрозии, абразии, оползней и обвалов, разрушение берега.

По данным Ялтинской инженерно-геологической и гидрогеологической партии и исследований автора [87] в пределах территории Западного Крыма развиты, в основном, оползневые, обвальные и абразионные процессы. Основным процессом в береговой зоне с юга вплоть до оз. Кизыл-Яр, является активная абразия, вызывающая оползни, преимущественно между устьем р. Бельбек и с. Береговое и отседание береговых откосов с образованием характерных для глинистых пород столбчатых отдельностей между с. Береговое и оз. Кизыл-Яр.

Нарушения экологического состояния в форме потерь характеристик рекреационных ресурсов и ущерба хозяйственным объектам прибрежной зоны наносят оползни, которые возникают в результате природно-антропогенных процессов: выявлено, что абразия, эрозия, загрузка склонов могут развиваться значительно активнее в результате застройки жилыми и рекреационными объектами, создании дорожных систем, коммунальных сетей. Исследования позволили выявить, что оползневые процессы в прибрежной рекреационной зоне Западного Крыма от г. Севастополь до пгт. Николаевка активны на 25 участках. Особенно масштабное развитие оползневых деформаций, влияющих на экологическое состояние и возможность использования этой территории в рекреационных целях, наблюдается на участке от с. Любимовка до с. Орловка: продолжается активизация оползней в рекреационной зоне, что приводит к сокращению пляжной полосы, при этом практически отсутствуют берегозащитные сооружения.

В Западном Крыму насчитывается 118 оползней площадью 1746240 м2, из них в активном состоянии - 6 (2011 г). На западном побережье Крыма в прибреж-

ной полосе шириной 10 км Бахчисарайского, Симферопольского, Сакского административных районов от г. Саки до мыса Лукулл зафиксировано 9 оползней, южнее, до мыса Херсонес - 21 оползень. На 2018 г на исследуемой территории насчитывалось: 6 активных оползней - 5 природно-техногенных (площадь 140450 м2) и 1 техногенный (площадь 5000 м2 , южный берег оз. Кизыл-Яр); стабильных оползней - 56 (площадь 1309550 м2), из них: 27 природных оползней (площадь 742750 м2) и 29 техногенных оползней; (площадь 566800 м2) [87].

Обвалы же формируются в основном в абразионных уступах, сложенных верхнеплиоценовыми континентальными отложениями. В течение года обвалы наиболее часто происходят в зимне-весенний период, при наиболее сильных волнениях моря и повышенной влажности пород. Согласно результатам проведенных наблюдений учеными [62], на анализируемом участке Западного Крыма в активизации оползневых процессов преобладает техногенный фактор (подсечки и приг-рузки склонов сооружениями, отвалами грунта и др., утечки из водонесущих коммуникаций и др.). На абразионно-оползневых участках скорость разрушения берегового обрыва больше, чем скорость разрушения чисто абразионного берега. На участке от г. Севастополя до оз. Кызыл-Яр средняя скорость абразии приморской зоны составляет: в 1976 году - 0,13 м/год, в 1980 году - 0,38 м/год [71]. По мере деградации оснований клифов в устьях рек Кача и Альма, происходят обвалы 3000 м3. Обвалы также наблюдаются и в районах мыса Керменчик, с. Берегового, с. Андреевка. На участке приморской зоны между мысом Лукулл и Керменчик, а также в районе пгт. Николаевка береговые массивы достаточно устойчивы к абразии из-за преобладания песчаников и конгломератов.

При отсутствии штормов волнением 5 и более баллов интенсивность абразии достаточно низкая и составляет в среднем 0,1 - 0,8 м/год. Однако на локальных участках Западного Крыма (с. Береговое, между озерами Богайлы и Кизыл-Яр) наблюдается размыв береговых масс со скоростью до 3 м/год с обвалами до 1000 м3. В следствие чего абразионные процессы в приморской зоне приводят к возникновению оползней на клифах и создают угрозу для отдыхающих в рекреационных зонах.

По результатам анализа собственных материалов и исследований, выполненных автором, составлена таблица 3.4, характеризующая изменения скорости абразии, объема смытых масс и средней ширины пляжа в прибрежной рекреационной зоне Западного Крыма. Данные результаты показывают увеличение скорости абразии за последние годы, а также сокращение ширины пляжной зоны.

Таблица 3.4 - Динамика абразионных процессов в прибрежной рекреационной зоне Западного Крыма за период 1976-2019 гг. в условиях антропогенных

нагрузок

Год Длинна абразионного берега, м Ср. скорость абразии, м/год Объем смытых масс, м3/п.м Длина абразионного берега на застроенных территориях (м / % от застроенного берега) Средняя ширина пляжа, м

1976 0,35 1,7 - -

1977 0,33 1,6 - -

1978 0,38 1,85 - -

1979 0,26 1,27 - -

1980 0,13 0,64 - -

1983 1,4 12,6 - -

1989 0,22 1,31 16,0

2001 0,14 0,68 10950/35,8 18,3

2002 0,11 0,49 35,8 18,7

2003 0,16 0,78 35,8 17,8

2004 0,12 0,58 35,8 18,4

2005 0,49 2,37 35,8 17,2

2006 45300 3,0 28,4 37,4 16,4

2007 0,33 1,6 37,6 15,8

2008 0,3 2,0 38,0 15,2

2009 0,7 3,39 38,2 14,6

2010 1,0 4,8 38,6 13,5

2011 2,0 9,69 39,1 12,7

2012 1,5 7,27 39,1 12,0

2013 1,2 5,76 39,3 11,9

2014 1,4 6,72 39,4 11,7

2015 1,3 6,24 39,6 11,7

2016 1,9 9,12 39,7 11,8

2017 1,3 6,31 39,7 11,5

2018 1,1 5,28 39,9 11,3

2019 1,2 5,77 39,9 11,3

Согласно Кадастра берегов Крыма [122] исследуемая территория от г. Севастополя до г. Евпатория располагается в пределах 3-х участков: Евпаторийского,

Николаевского и Качинского. В пределах Евпаторийского участка Ю.Д. Шуйским [147] проведены наблюдения за динамикой ширины пляжей и скоростью абразии в период с 1985 по 2005 годы (таблица 3.5), по данным наблюдений среднегодовые значения ширины пляжей составляли 5-10 м, и начиная с 1985 г наметилось устойчивое сокращение ширины пляжей на большинстве участков.

Таблица 3.5 - Морфологические и динамические параметры клифов и бен-

чей в приморской зоне Западного Крыма [122]

№ п/п Участки активных бенчей и клифов Параметры клифов Параметры бенчей

Длина, 1000 м Средняя высота, м Скорости абразии, м/год Длина, 1000м Средняя ширина, 100 м Скорости абразии, см/год

1 Сакский 2,00 2,50 1,50 3,00 6,50 14,80

2 Кизыл-Ярский 4,80 10,00 2,10 5,10 7,00 27,10

3 Николаевский 7,50 11,50 1,10 6,70 4,80 21,60

4 Альминский 6,00 12,50 0,90 8,60 6,50 11,60

5 Качинский 18,00 23,00 1,20 18,50 4,00 24,80

6 Учкуевский 9,00 18,00 1,80 9,00 4,70 28,70

Николаевский участок. Пляжи распространены повсеместно, ширина 1015 м, у мысов сокращаются до нескольких метров, в отдельных точках, особенно после недавних обвалов, когда не успел перестроиться поперечный профиль берега, ширина достигает 30 ме. Колебания среднегодовой ширины пляжей по многолетним данным достигают 25 м, поэтому одиночные, да еще разновременные замеры мало представительны. Пляжи распространены повсеместно, ширина средняя 15-20 м, иногда сокращается до 10 м (участок от пансионата «Радуга» до с. Береговое) или расширяются до 30 (участок между с. Угловое и мысом Кермен-чик). Колебания среднегодовой ширины пляжей по многолетним данным достигают 25 м. Высота береговых обрывов между оз. Кызыл-Яр и пгт. Николаевка колеблется от 8 до 20 м, только в районе оползня у с. Берегового и мыса Керменчик обрывы поднимаются до 35 м. Берег на всем протяжении активен, грунтовая дорога вдоль берега постоянно перемещается в сторону суши.

Качинский участок. К югу от р. Альмы абсолютные отметки поверхности не спускаются ниже 30 м, а южнее р. Качи приближаются к 40 м. Покровные галеч-

ники имеют от 2 до 5 сцементированных слоев, общая мощность 10-15 м. В разрезе так же наблюдаются песчаники, обваливающиеся на пляж крупными блоками, например, в с. Андреевка. Плотная цементация конгломерата и песчаника и в районе Альминских мысов, навалы глыб, как на пляже, так и в подводной части пляжа в значительной мере сокращают воздействие волнения.

На основании выполненных натурных исследований и приведенных научных обобщений можно сделать вывод, что природные процессы: геолого-геоморфологическое строение, гидроклиматические и гидролитодинамические условия формируют фоновое экологическое состояние пляжной полосы. Пляж является природной формой защиты берега, на котором гасится энергия прибойного потока и выступает ведущим параметром, отражающим экологическое состояние прибрежной рекреационной зоны. В связи ростом техногенного воздействия на прибрежную рекреационную зону, усиливаются негативные аспекты развития береговых процессов, которые проявляются в катастрофическом уменьшении ширины и нарушении состояния морских пляжных полос, являющихся основной защитой береговой полосы от размыва.

Рекреационное освоение территории Западного Крыма начинается с XIX века. Первыми стали осваиваться прибрежные территории, имеющие ценные бальнеологические ресурсы - г. Саки, позднее г. Евпатория. Начиная с 1917 года, рекреация становится массовым явлением. В этот период происходит расширение зон рекреационного освоения до уровня рекреационных районов. Начиная с 70-х годов, на первый план выдвинулся процесс формирования функции оздоровления населения. В этот период в населенных пунктах Песчаное, Николаевка построены корпуса санаториев и домов отдыха, детские лагеря, позднее санаторно-курортные учреждения появились в селах Угловое, Береговое, Фрунзе (таблица 3.6).

В последние 20 лет западное побережье Крыма осваивается активно, но преимущественно стихийно, хотя хозяйственное использование участков требует инженерной подготовки территорий. В настоящее время недостаточное внимание инженерного сопровождения природопользования определили угрозы разруше-

ния абразионно-оползневыми процессами на целом ряде участков с существующей застройкой. Большинство курортно-рекреационных комплексов нуждаются в восстановлении и строительстве объектов инженерной защиты от опасных экзогенных геологических процессов.

Таблица 3.6 - Характеристика пляжей ПУРТ Западного Крыма*

№ п/п Наименование участка Ширина пляжа, м Длина пляжа, м Высота обрыва, м Характеристика пляжа

1 Любимовка до 60 2200 до 3040 Обширный пляж протяженностью более 2 км, по составу песчаный с примесью гальки, из-

вестняка до 10%

2 Орловка (устье р.Кача) 35 700 до 30 Широкий пляж, доступ к которому осуществляется по шоссе. Правый берег Качи застроен рекреационными и частными объектами.

3 Кача до 20 425 до 40 Искусственный галечный пляж с комплексом волногасящих сооружений

Обустроенный песчаный пляж шириной до 15

4 Андреевка 10-25 ~1000 24 м с подпорной стеной, комлексом берегоукрепительных сооружений из 3-х бун

5 Угловое 15-20 1500 23 Обустроенный песчано-галечный пляж шириной до 20 м

6 Песчаное до 10 3000 13,0 Полоса обустроенных песчано-галечных пляжей длиной 3,07 км и шириной 10-12 м

Южнее пансионата КНУ им. Шевченко галеч-

7 Береговое 0-15 200 12,5 ный пляж, созданный за счет строительства откоса. Инфраструктура и берегоукрепление отсутствуют

Пляж преимущественно песчаный, местами с

8 Николаевка до 20 2500 11,5 примесью гальки, укреплен комплексом подпорных стен

9 Фрунзе до 20 ~1000 5 Галечный пляж с примесью песка шириной от 10 до 25 м

10 Новофедоровка до 100 ~1500 - Широкий галечный пляж шириной до 100 м

*составлено автором

Анализ территории прибрежной зоны западного побережья Крыма выявил, что развитие приморских рекреационных зон связано с эксплуатацией огромных пространств окружающей природной среды, а неконтролируемое властями развитие туристического, промышленного и строительного комплексов наносит ущерб

ей: изменение природного ландшафта, загрязнение отходами, атмосферного воздуха и т.д.; несогласованное создание песчаных карьеров в береговой зоне приводит к дисбалансу природно-техногенной системы и вследствие чего, нарушаются потоки вдольбереговых наносов, что приводит к изменению береговой линии в худшую сторону. Наибольший ущерб для рекреации наносят конструкции бере-гозащиты, находящиеся в аварийном состоянии. Данная ситуация требует анализа рекреационной привлекательности ПУРТ, а также оценки экологического состояния территории и в случае нарушенности экологически безопасного состояния ПУРТ - разработки мероприятий по улучшению экологического состояния прибрежной зоны моря.

3.2. Оценка рекреационной привлекательности с учетом экологического состояния западного побережья Крыма

Результаты исследований (подраздел 3.1) подтверждают динамичные изменения, происходящие на морском побережье Западного Крыма, влияющие на экологическую безопасность ПУРТ, и как следствие, на возможность использования ее в рекреационных целях. Поэтому была поставлена задача - оценить рекреационную привлекательность и динамику экологического состояния территорий западного берега Крыма.

Для оценки рекреационной привлекательности приморских урбанизированных территорий Западного Крыма использовался предложенный методический подход, в основе которого лежит система природных и экологических факторов (таблица 2.1).

Территория исследования была разбита на 12 подзон: «Учкуевка», «Любимовка», «Орловка», «Кача», «Андреевка», «Песчаное», «Береговое», «Никола-евка», «Фрунзе», «Новофедоровка», «Саки» и «Евпатория».

Для более точной оценки каждая подзона была разбита с шагом 100 м. В результате учитывались усредненные показатели факторов по каждой подзоне.

В итоге была составлена оценочная матрица факторов рекреационной привлекательности с результатами оценки рекреационной привлекательности и категории рекреационной привлекательности ПУТ, а также составлена карта рекреационной привлекательности исследуемой территории западного побережья Крыма (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 - Карта рекреационной привлекательности западного берега Крыма.

Составлена автором [80]

По результатам оценки рекреационной привлекательности участка исследования западного берега Крыма были выявлены следующие категории рекреационной привлекательности ПУТ:

— 1 категория: «Евпатория» (87,18%), «Саки» (86,22%);

— 2 категория: «Новофедоровка» (78,78%), «Николаевка» (67,8%), «Песчаное» (61,53%), «Любимовка» (66,17%), «Учкуевка» (71,48%);

— 3 категория: «Фрунзе» (56,14%), «Береговое» (38,53%), «Андре-евка» (34,78%), «Кача» (37,54%), «Орловка» (39,27%).

Анализируя массив данных оценочной матрицы таблицы 3.7, следует отметить важное значение пляжей, а также проблемы их качества практически во всех выделенных подзонах: наличие в пляжной зоне крупных камней, бута в результате обвалов незакрепленного клифа, отсутствие и сокращение пляжей в результате сокращения объемов вдольбереговых потоков наносов и разрушения берегозащитных сооружений, состояние берегозащитных сооружений (несвоевременное проведение ремонта привело к размыву основания фундаментов, а также обрушению конструкций берегозащитных сооружений), наличие незакрепленного обва-лоопасного клифа (приводит к повышенному риску нахождения рекреантов в зоне обрушения), неудовлетворительное состояние инфраструктуры, а также малая доля зеленых насаждений, в том числе лечебных растений в рекреационных зонах. Такое состояние береговой зоны приводит к снижению заинтересованности отдыхающих на данных территориях, вследствие и к снижению дохода от рекреационного отдыха.

Как видно из результатов анализа оценки рекреационной привлекательности ПРТ западного берега Крыма, наибольшее негативное влияние на рекреационную привлекательность оказывают факторы в пляжной зоне [82].

На следующем этапе исследований проведена оценка ЭБПЗ ПУРТ участка исследования западного берега Крыма [26]. В результате рассчитана оценочная матрица ЭБПЗ ПУРТ участка исследования западного берега Крыма (таблица 3.8).

Таблица 3.7 - Оценка рекреационной привлекательности исследуемого участка ПУТ Западного Крыма

Обозначение фактора Наименование фактора Подзоны западного берега Крыма

«Учкуевка» «Любимовка» «Орловка» «Кача» «Андреевка» «Песчаное» «Береговое» «Николаевка» «Фрунзе» «Новофёдо-ровка» «Сакки» «Евпатория»

МПГл1 Средняя температура моря в летний период 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

МПГл2 Атмосферное давление, мм. рт. ст. 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

МПГлЗ Влажность воздуха 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

МПГл4 Среднегодовое направление ветра 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

МПГл5 Среднегодовая скорость ветра 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

МПГлб Отклонение от среднего многолетнего месячного количества осадков 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

МПГл7 Гелиопотенциал территории 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

МПГл8 Уровень электромагнитных излучений 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

МПГл9 Благоприятный хим. состав атмосферного воздуха (содержание кислорода) 2 3 3 3 3 3 3 3 3 2 2 2

МПГГм1 Ландшафтное разнообразие 2,2 2,84 2,8 2,22 2,13 2,35 2,15 2,88 2,06 2 2 3

МПГГм2 Наличие пляжа 3 3 3 2,08 1,58 2,47 2,7 2,65 2,91 3 3 3

Обозначение фактора Наименование фактора Подзоны западного берега Крыма

«Учкуевка» «Любимовка» «Орловка» «Кача» «Андреевка» «Песчаное» «Береговое» «Николаевка» «Фрунзе» «Новофёдо-ровка» «Сакки» «Евпатория»

МПГГмЭ Ширина пляжа 3 3 2,5 1,83 1,45 2,12 2,45 2,53 2,8 3 3 3

МПГГм4 Наличие или отсутствие клифа 3 3 0,6 0,42 0,39 2,17 0,3 1,94 1,46 3 3 3

МПГГм5 Высота клифа 3 3 0,67 0,64 0,55 2,37 0,9 2,17 1,63 3 3 3

МПГГм6 Гранулометрический состав пляжа 2 2 1,82 1,67 1,79 1,65 1,6 1,76 1,71 2,25 3 2

МПГГм7 Доступ к морю 3 3 0,87 0,58 0,57 2,42 0,7 2,18 1,49 3 3 3

МПГГм8 Крутизна подводного склона 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

МПГГм9 Наличие и объем источников пресной воды 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

]ЧПГГм10 Наличие и объем источников лечебных вод 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 3

1ЧПГГмП Сейсмичность территории 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1

1ЧПГГм12 Опасность склоновых процессов (оползни, обвалы, сели) 3 3 0,6 0,42 0,39 2,17 0,3 0,35 1,8 3 1 3

1ЧПФл1 Площади лесов 1 1,24 0,6 0 0,05 0 0 0,76 0 1 1 3

1ЧПФл2 Площади парков 1 1,36 0,3 0,08 0,07 1,52 0,1 0,59 0 1 1 3

1ЧПФл3 Площади лечебных насаждений и растений 0,7 1,12 0,42 0,08 0,07 1,52 0,1 0,29 0 0 1 3

Обозначение фактора Наименование фактора Подзоны западного берега Крыма

«Учкуевка» «Любимовка» «Орловка» «Кача» «Андреевка» «Песчаное» «Береговое» «Николаевка» «Фрунзе» «Новофёдо-ровка» «Сакки» «Евпатория»

NПФл4 Видовое разнообразие флоры 1,9 2,76 2,39 2,08 2,08 2,52 2,1 2,29 2 2,5 3 3

N31 Степень стабильности пляжа 0 0 0 0 0 0 0 1,29 0,46 2 2 1

N32 Степень комфортности эксплуатации пляжной зоны 3 3 0,67 0,25 0,39 2,2 0,3 2,29 2,31 3 3 3

N33 Санитарно-гигиенические условия 3 1,48 1 1,17 0,39 1,7 1,2 2,41 2,51 2,44 3 3

N34 Уровень развитости и устойчивости инфраструктуры 1,8 1,48 0,12 0,33 0,47 1,9 0,3 1,76 0,06 2,12 3 3

Показатель рекреационной привлекательности по природным факторам, П£п 77,95 82,46 66,11 60,49 59,13 74,72 62,05 71,01 67,77 77,88 80,77 91,02

Показатель рекреационной привлекательности по экологическим факторам, Прп 65 49,67 12,42 14,58 10,42 48,33 15 64,58 44,5 79,67 91,67 83,33

Показатель рекреационной привлекательности, Прп 71,48 66,17 39,27 37,54 34,78 61,53 38,53 67,8 56,14 78,78 86,22 87,18

Категория ПТС по эффективной рекреации 2 2 3 3 3 2 3 2 3 2 1 1

Таблица 3.8 - Оценка уровня ЭБПЗ ПУРТ Западного Крыма

Обозначение тт т хт^1лт т гг Наименование фактора «Учкуевка» «Любимовка» «Орловка» «Кача» «Андреевка» «Песчаное» «Береговое» «Николаевка» «Фрунзе» «Новофёдо-ровка» «Саки» «Евпатория»

ьэ К11 Объем вдольбереговых наносов во время шторма 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

кэ Направление фронтальных наносов 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1

ьэ Изменение средней ширины пляжа 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1

Уровень ЭБПЗ по степени стабильности пляжа, Ыгэг 50 50 0 0 0 0 0 0 0 33 33 33

кэ Высота незакрепленного клифа 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2

к э К22 Скорость абразии клифа 2 2 0 0 0 0 0 0 0 0 2 2

кэ к23 Уклон клифа 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2

кэ Доступ к морю 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1

к э К25 Площадь пляжа 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1

кэ К26 Безопасная ширина эксплуатации водной поверхности с учетом рекреационных ограничений глубиной в 0,5м и 1,5 м. 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

кэ К27 Параметры технического состояния объектов берегозащиты 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 2

кэ К28 Плотность рекреантов 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

Уровень ЭБПЗ по степени комфортности эксплуатации пляжной зоны, МГЭ2 75 68,75 43,75 37,5 37,5 31,25 37,25 37,25 43,75 43,75 75 81,25

Общее изменения ЭБПЗ ПУРТ ЭБГт 62,5 59,37 21,87 18,75 18,75 15,62 18,75 18,75 21,87 38,37 54 57,12

В результате анализа ЭБПЗ ПУРТ западного берега Крыма было выявлено, что в подзонах «Учкуевка», «Любимовка», «Саки» и «Евпатория» общее изменение ЭБПЗ имеет позитивную тенденцию (показатель экологическая безопасность повышается), а в подзонах «Орловка», «Кача», «Андреевка», «Песчаное», «Береговое», «Николаевка», «Фрунзе» и «Новофедоровка» наблюдается отрицательная динамика ЭБПЗ ПУРТ.

Для дальнейших исследований инженерно-экологических решений по повышению ЭБПЗ ПУРТ выбрана подзона «Песчаное», в которой отмечается нарушение уровня экологической безопасности, в частности из-за аварийного состояния берегозащитных сооружений (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 - Оценочная карта уровня экологической безопасности участка исследования ПУРТ в с. Песчаное, Республика Крым. Составлена автором с помощью ГИС-технологий [72]

Система берегозащиты подзоны «Песчаное» состоит из пятидесяти естественных пляжей, в составе которых находятся тридцать БУН, волноотбойные стенки, а также оградительные набережные. Все пляжи имеют благоустроенный доступ. Протяженность берегозащиты - 3 км. На северном участке, протяженностью 760 м. берегоукрепительные сооружения представлены откосно-ступенчатой волногасящей набережной (далее ОСВН), которая и представляет особый интерес.

Первые разрушения данной системы берегозащиты начались в 1997 году [67] (рисунок 3.6) и к 2013 году были полностью разрушены (рисунок 3.7).

Рисунок 3.6 - Фотофиксация состояния пляжа на участке берега с. Песчаное,

2012 г. [67]

Рисунок 3.7 - Фотофиксация состояния пляжа на участке берега с. Песчаное,

2015 г. (фотофиксация автора)

Причинами столь разрушительных процессов послужили множество факторов.

Во-первых, строительство ОСВН в 1991 году так и не было полностью закончено, в результате чего остались незащищенные участки конструкций, подверженные разрушительным морским ветро-волновым нагрузкам.

Во-вторых, зарегулирование рек Бальбек, Кача, Альма и Булганак водохранилищами изменили вдольбереговые потоки наносов.

В-третьих, активная добыча песка после 1991 года на западном берегу Крыма привела к сокращению ширины пляжей на участках берега без пляжеудерживаю-щих гидротехнических сооружений. В результате активного воздействия ветро-волновых нагрузок к 2013 году на исследуемом береговом участке естественный пляж полностью исчез, а разрушенные конструкции ОСВН оказались полностью погруженными в море. Доступа отдыхающих к морю в данной ПУРТ практически нет, а нахождение людей в зоне разрушенных конструкций ОСВН опасно для жизни.

В 2013 году сотрудниками пансионата «Волна» [156] были предприняты попытки расчистки ПУРТ для возможности эксплуатации его в рекреационных целях. За короткий срок были демонтированы разрушенные конструкции ОСВН на протяжении 97 м.

Автором проведен мониторинг экологического состояния ПУРТ по программе мониторинга берегоукрепительных сооружений западного берега Крыма на протяжении 2015-2018 гг. [34, 155]. Исследовались наличие и ширина пляжа, состояние клифа, а также состояние берегозащитных сооружений. В результате было выявлено, что на месте демонтированных конструкций ОСВН образовался пес-чано-галечный пляж шириной до 8 м. в результате абразии клифа от ветро-волно-вого воздействия. Соответственно за период 2013-2015 гг. в этой зоне клиф отошел от береговой линии на 8 м. и за период 2015-2018 гг. скорость абразии клифа снизилась с 2,6 м/год до 0,4 м/год по причине установившегося стабильного пляжа, который играет роль природного берегозащитного сооружения (гасит разрушающее воздействие штормовых волн) (рисунки 3.8 - 3.11).

Рисунок 3.8 - Образованный пляж на месте демонтажа конструкций ОСВН. Вид в сторону г. Евпатория, 2015 г. (фотофиксация автора)

Рисунок 3.9 - Образованный пляж на месте демонтажа конструкций ОСВН. Вид в сторону г. Евпатория, 2018 г. (фотофиксация автора)

Рисунок 3.10 - Образованный пляж на месте демонтажа конструкций ОСВН. Вид в сторону г. Севастополь, 2015 г. (фотофиксация автора)

Рисунок 3.11 - Образованный пляж на месте демонтажа конструкций ОСВН. Вид в сторону г. Севастополь, 2018 г. (фотофиксация автора)

Иная ситуация с пляжем сложилась в соседних зонах, где разрушенные конструкции ОСВН остались не тронутыми. На этих участках скорость абразии клифа заметно ниже, чем на участке без конструкций. За 2013-2015 гг. абразия составила 0,1-0,2 м/год, а за 2015-2018 гг.- 0,2-0,4 м/год (рисунки 3.12 - 3.13).

Рисунок 3.12 - Состояние ПУРТ на участке с. Песчаное в районе пансионата

«Волна», 2015 г. (фотофиксация автора)

Рисунок 3.13 - Состояние ПУРТ на участке с. Песчаное в районе пансионата

«Волна», 2018 г. (фотофиксация автора)

Анализ данной ситуации выявил, что: разрушенные конструкции ОСВН играют роль волноломов, снижая опасную волновую нагрузку на клиф; данные обрушенные конструкции берегозащитных сооружений создали своеобразное межбун-ное пространство, где за 2015-2018 гг. появился и стабилизировался пляж, за счет размытия подводного склона. Схемы трансформации пляжной зоны ПУРТ на исследуемой территории пансионата «Волна» показана на рисунках 3.14 - 3.15.

Рисунок 3.14 - Схема трансформации пляжной зоны ПУРТ в границах пансионата «Волна» в 2015 году. (выполнено автором)

Рисунок 3.15 - Схема трансформации пляжной зоны ПУРТ в границах пансионата «Волна» в 2018 году. (выполнено автором)

Дальнейшие исследования будут направлены на повышение экологически безопасного состояния ПУРТ на примере пансионата «Волна» с учетом применения берегозащитных сооружений, удовлетворяющих понятию биопозитивности.

3.3. Экспериментальные исследования экологического состояния приморских урбанизированных рекреационных территорий и пляжей при применении биопозитивных берегозащитных сооружений и их анализ (на примере приморской рекреационной зоны западного побережья Крыма

«Песчаное»)

Анализ ЭБПЗ ПУРТ подзоны «Песчаное» выявил необходимость в разработке инженерно-экологических решений реконструкции существующих берегозащитных сооружений, расположенных на территории исследования. В соответствии с СП 277.1325800.2016 «Берегозащитные сооружения. Правила проектирования», реконструкцию существующих берегозащитных сооружений необходимо начинать с проведением мероприятий по снижению волновой нагрузки на берег, для дальнейшего демонтажа разрушенных конструкций берегозащитных сооружений с последующей реконструкцией данных сооружений.

В соответствии с приложением «Г» СП 277.1325800.2016 для снижения волновой нагрузки устанавливаются подводные волноломы, которые согласно расчетам необходимо устанавливать в зоне последнего обрушения волн.

В последние годы наряду с традиционными волноломами гравитационного типа находят широкое применение волноломы сквозного типа. Основными преимуществами сквозных волноломов, по сравнению с традиционными конструкциями являются меньшая стоимость сооружения, меньшая материалоемкость, более высокая степень гашения волновой энергии, лучшие экологические свойства благодаря большей полезной площади для обживания микроорганизмами по сравнению с гравитационными при одинаковых удельных объемах данных сооружений, а также оказывают меньшее влияние на деформации рельефа дна.

Автором в составе коллектива была разработана и запатентована одна из трех новых конструкций волногасящего сооружения, удовлетворяющие понятию биопозитивности [96-98]. Данное берегозащитное сооружение представляет собой конструкцию волнолома, выполненного из сегментов в виде цилиндрических габионов (рисунки 3.16 - 3.17), которые относятся к проницаемым волногасящим гидротехническим сооружениям.

Рисунок 3.16 - Схема цилиндрического габиона [98] 1 - наружная сетка; 2 - внутренняя сетка; 3 - пространство между сетками; 4 - заполнитель (бут); 5 - сетчатая заглушка; 6 - пустое пространство для выращивания мидий; 7 - коллекторы для выращивания мидий; 8 - распорки; 9 - грузило для

натяжения коллекторов.

Рисунок 3.17 - Общий вид волнолома из системы цилиндрических габионов [25]

По сравнению с аналогичными проницаемыми волноломами, данная модель выполнена из отдельных сегментов (габионов), что упрощает установку каркаса волнолома, дает возможность комбинации геометрии волнолома в зависимости от природных условий, а также упрощает эксплуатационный ремонт, путем замены одного или нескольких сегментов. Замена в каркасе стальных профилей на стекло-волоконные, базальтоволоконные или углеволоконные придает конструкции высокую коррозионную стойкость, что в свою очередь устраняет необходимость в дополнительном нанесении антикоррозийного покрытия на каркас.

Дальнейшим этапом будет исследование эффективности, а также биопозитивности данной конструкции волногасящего сооружения при помощи численного и физического моделирования. В соответствии с целью диссертационной работы была поставлена задача провести моделирование процессов формирования ЭБПЗ ПУРТ.

3.3.1. Основы моделирования процессов формирования ЭБПЗ приморской

урбанизированный рекреационной территории и характеристики

экспериментальной установки

Физическое моделирование является одним из самых главных методов решения практических задач. Согласно теории подобия, параметры экспериментальной модели должны быть геометрически и динамически (таблица 3.8) подобны натурным [49, 52, 73, 99].

Таблица 3.8 - Безразмерные критерии теории динамического подобия

Физический фактор Вязкость Тяжесть Поверхностное натяжение Сжимаемость

Безразмерный критерий Яе — У0Ь/д Рг — У0/4дЪ — рУ^Ь/о Ма — У0/с0

Отношение времен - Р^ ^ 1" / ^^ Тг — V дг Тг — ^рт/от '1. ^ — // с^

Отношение сил Рг — / Рг Ру-1 - ^^ Ру-1 — От ^ ^ Р-у* — Р'К

В случае только волнового движения жидкости, когда влияние вязкости достаточно малое, динамическое подобие процессов в натуре и на модели определяется равенством чисел Фруда. При исследовании параметров волн на поверхности несжимаемой жидкости критерий Фруда может быть записан в виде:

к

* = ¿г (37)

где: И - высота волн; g - ускорение свободного падения; Т - период волн.

Ограничение по параметрам волн обусловлены необходимостью исключения заметного влияния молекулярной вязкости и капиллярных эффектов. Капиллярность можно не учитывать, если длина волн на модели ХМ больше 20 см. [134].

Чтобы пренебречь внутренней диссипацией энергии волн за счет вязкости, должно быть выполнено условие [134, 145] ЛМ > 400VдГ , где д - кинематическая вязкость жидкости.

Также, в случае, когда трение в жидкости существенно, но влиянием молекулярной вязкости можно пренебречь, то необходимо подобие по числу Рейнольдса. Вопрос о моделировании сил сопротивления или сил гидродинамического воздействия в этих случаях сводится к вопросу моделирования крупности наносов, формы и массы конструктивных элементов сооружений. Конечно, при этом следует иметь в виду, что существует нижний предел размеров модели, который определяется из условий: «течение модели должно быть турбулентным и автомодельными числу Рейнольдса» [134, 146]. При обтекании тел различной формы эти требования будут выполнены, если:

= > 500 - 1000, (3.8)

V

где Ут - характерная скорость на модели;

Ьт - характерный размер обтекаемого тела.

Взаимодействие волн с проницаемой наброской становится независимым от числа Рейнольдса при:

Re? =

> 1000,

(3.10)

где От - крупность элементов наброски.

Моделирование динамики галечных пляжей может выполняться без искажения геометрических масштабов модели и наносов при условии:

R 2Ш>300,

3 0

(3.11)

где D -крупность наносов; hcr- высота волн по линии последнего обрушения. Экспериментальные исследования выполнялись в волновом бассейне, который в плане имеет форму прямоугольника (10 м. х 4 м. х 0,45 м.). Бассейн оснащен щитовым генератором волн. Регулировка волновых параметров осуществляется при помощи регулировки скорости оборотов двигателя (регулировка частоты колебаний щита), при помощи реостата и корректировки крепления штока на валу понижающего редуктора для регулировки амплитуды колебаний щита (рисунок 3.18).

Рисунок 3.18 - Волнопродуктор (разработка и фотофиксация автора)

Погрешность оценивалась по результатам обработки опытов при одних и тех же условиях с учетом измерений параметров ветро-волнового режима путем контроля методом фото-видеофиксации показаний на нанесенной на борту бассейна координационной сетки (рисунок 3.19). Параметры волн в зоне обрушения, а также в зоне установки волноломов фиксировались при помощи сетки вешек.

Анализ выявил достаточно стабильную повторяемость результатов опытов (доверительный интервал составил в среднем не менее 85 %, а средняя квадратичная погрешность ~ 5%).

Рисунок 3.19 - Координационная сетка, нанесенная на борту бассейна (фотофиксация автора)

Для обеспечения повторяемости результатов измерений в начале опыта щит волнопродуктора устанавливался в одно положение. Чтобы исключить влияние вторично отраженных от щита волнопродуктора волн в волновом бассейне, измерения колебаний свободной поверхности осуществлялись для первых 7-8 волн. При анализе учитывались волны, начиная с 4-ой, когда период волн в бассейне полностью устанавливался. Результаты измерений по оставшимся четырем-пяти волнам усреднялись.

3.3.2. Физическая модель исследуемого участка пляжа и исходные данные

С целью определения эффективности и биопозитивности разработанной модели берегозащитного сооружения было выполнено четыре серии экспериментальных опытов в волновом бассейне с построенной моделью пляжной зоны ПУРТ п. «Волна» с. Песчаное, характерного для Западного Крыма [33, 79]. Масштаб модели выбран 1:50. План модели показан на рисунке 3.20.

200 1 822 2 142 2 142 2 142 646 607 500 200

М-1-Г-Г-Г-1-Г—г

1 774 1 877 1 877 1 866 786 743 500 1 576 с

10 000

1} - Стенки бассейна Все размеры даны в мм

(2) - Урез

(3) - Пляж

(£) - Волноотбойная стенка (I) - берег

(6) - Ловушка для пляжеобразующего материала 0 - Волнопродуктор -■«о- - Изобаты

Рисунок 3.20 - Схема плана экспериментальной модели (выполнено автором)

Рельеф подводного склона устраивался по топографическим съемкам зоны исследования и засыпался мелкодисперсным песком крупностью 0,1-0,4 мм согласно выбранному масштабу.

Волновые характеристики принимались для конкретного участка - района пансионата «Волна» пгт Песчаное в Каламитском заливе западного побережья Крыма.

Направление волн принято юго-западное - как наиболее волноопасное [41].

Геометрический масштаб модели в бассейне принят равным аг = 1:50.

Из условий обеспечения геометрического подобия и равенства чисел Фруда на модели и в натурных условиях получим следующие масштабы, которые указаны в таблице 3.9.

Таблица 3.9 - Масштабные характеристики исследуемой модели.

Наименовании величины Соотношение величин масштаб

высота волн ап = а1 1:50

период волн «т = 1:7,07

линейные размеры ав = аг 1:50

масса элементов берего-защиты _ 3 ^т = 1:125000

Уровень наполнения бассейна водой во всех испытаниях составляет 15 см (7,5 м).

Рисунок 3.21. Схема профиля экспериментальной модели (выполнено автором)

В экспериментальном бассейне было выполнено 4 серии опытов экспериментальных исследований с целью:

1) подтверждения достоверности экспериментальной модели - опыт 1;

2) оценки эффективности и биопозитивности разработанной модели в качестве волногасящего прикрытия в зоне последнего обрушения волн - опыт 2;

3) исследований процессов, происходящих вовремя юго-западного направления шторма обеспеченностью 13% на участке побережья пансионата «Волна» с. Песчаное Западного Крыма - опыт 3;

4) оценка эффективности разработанной инженерно-экологической модели из системы цилиндрических габионов при возведении естественных песчано-га-лечных бухт на исследуемом участке пляжной зоны ПУРТ в районе пансионата «Волна», с. Песчаное Западного Крыма - опыт 4.

Волнение подбиралось без сооружений опытным путем, после чего возводилась инженерно-экологическая модель исследуемой конструкции берегозащитного сооружения.

Степень гашения волн вычислялась по формуле [134]:

ф = —*100% (3.12)

Но

где H - высота волн за берегозащитным сооружением, Н0 - высота волн перед волноломом.

Пляжевый материал начинает накапливаться в пляжной зоне при условии н н

0,31 < < 0,49. Если > 0,5 - происходит процесс сокращения пляжа. Если

Кс Кс

тт н

< 0,3 - пляж стабилен [77], где - зависимость между высотой волны за

волноломном пространстве и глубиной.

Вдольбереговой расход наносов Qy вычисляется по формуле [75]:

ду=мкгув, (3.13)

где ^ - коэффициент, согласующий размерности Qy и Гу, К - безразмерный фактор пропорциональности, а индекс "В" относится к точке обрушения волн. Величина Гув определяется следующим образом:

РуВ = (ЕСдсо5®5тО)в, (3.14)

Ев=-рдн2в, (З.15)

СдВ=4Жв, (3.16)

Нв = увкв, (3.17)

где Е - энергия, Сё- групповая скорость, © - угол между направлением волн и нормалью к берегу, р - плотность воды, g - ускорение силы тяжести, Н - высота волн, И - глубина, ув = 0.8 - индекс обрушения.

Если Qy выражен в м3/ч, то ^ = 3600 [g(рg - р)(1 - а)] = , где рg и а - плотность и пористость осадков.

Безразмерный фактор пропорциональности вычисляется по формуле [76]:

К = 0.0256(0.9 + 0.4-^) (3.18)

Для вычисления глубины обрушенения волн Ив Леонтьев [75] в целях унификации расчетов предлагает оценивать в зависимости от параметров волн на глубокой воде, которые обычно служат в качестве входных параметорв при практических расчетах. Полагая, что поток энергии к берегу из открытого моря до начала обрушения волн постоянным

(ECgCOS©)<x> =(ECgCOS0)в, (3.19)

Cgж=(g/4к)Tp (3.20)

(индекс «<» относится к глубокой воде), имеем с учетом соотношений (2):

^Ш^&ЮГ®2" . (3.21)

где угол подхода волн ©в определяется из закона рефракции Снелла:

8т®в/Св = /Сж , (3.22)

св = , (3.23)

Ст = (д/2п)Тр , (3.24)

где С - фазовая скорость волн. Значение Ив вначале вычисляется без учета изменений углов 0. На следующем шаге Ив корректируется с учетом полученного значения ©в после чего корректируется и угол Достаточно нескольких итераций, чтобы получить устойчивые значения Ив и ©в.

3.3.3. Результаты серий экспериментальных исследований процессов формирования ЭБПЗ ПУРТ, в том числе с применением биопозитивных

берегозащитных сооружений

Опыт №1.

В данном опыте исследовался вдоль береговой поток наносов, возникающий при параметрах шторма обеспеченностью 1% в мелководной зоне: Н = 8,14 см (4,07 м) при периоде Т = 1,4 с (9,8 с). Расчетный суммарный расход вдольберегового потока наносов Qy= 4,12 дм3/ч (514,6 м3/ч), расчетная глубина первого обрушения волн Ипер = 10,16 см (5,08 м), расчетная глубина последнего обрушения волн Ьпос = 6,52 см (3,26 м). Ширина пляжа перед опытом составляла 40 см. Опыт повторялся 5 раз. Продолжительность каждого из повторений опыта составила 80 мин (9,4 ч - продолжительность шторма обеспеченностью 1% для юго-западного направления ветра в районе западного побережья Крыма).

К концу серии опыта №1 в результате волновой нагрузки средняя ширина пляжа сократилась до 25,4 см, а общая площадь пляжа сократилась в среднем на 35,8%. Средний расход вдольберегового потока наносов составил 4,26 дм3/ч, что на 3,4% превышает расчетный показатель. Глубина обрушения волн составила И = 7,6 см. (таблица 3.10). Схема результата опыта №1 показана на рисунке 3.22.

Зависимость изменения объема вдольберегового потока наносов, оседающего в ловушке от времени с шагом 10 минут, показана на рисунке 3.23.

Рисунок 3.22 - Схема сформированного пляжа по окончании опыта №1 (выполнено автором): 1 - исходная граница уреза воды перед опытом; 2 - граница уреза воды после проведения опыта; 3 - волноотбойная стенка; 4 -

пляж; 5 - берег

Рисунок 3.23 - График экспериментальной зависимости объема вдольбере-гового потока наносов с шагом 10 минут (выполнено автором)

Таблица 3.10 - Сравнительная таблица исходных и полученных параметров экспериментальной модели опыта №1.

№ п/п Наименование фактора Показатели

2 3 4 5

нач. кон. нач. кон. нач. кон. нач. кон. нач. кон.

1 Объем вдольберего-вых наносов во время шторма, м3/ч 515,00 509,00 515,00 516,00 515,00 511,00 515,00 509,00 515,00 514,00

2 Направление фрон- От От От От От От От От От От

тальных наносов пляжа пляжа пляжа пляжа пляжа пляжа пляжа пляжа пляжа пляжа

3 Изменение средней ширины пляжа, м - 2,00 - 2,30 - 2,00 - 2,10 - 2,00 - 2,10 - 2,00 - 2,50 - 2,00 - 1,90

№ п/п Наименование фактора Показатели

2 3 4 5

нач. кон. нач. кон. нач. кон. нач. кон. нач. кон.

4 Высота незакрепленного клифа, м 4,00 4,00 4,00 4,00 4,00 4,00 4,00 4,00 4,00 4,00

5 Скорость абразии клифа, мм/сут 0,55 0,56 0,55 0,58 0,55 0,54 0,55 0,55 0,55 0,54

6 Уклон клифа, 0 86,00

7 Доступ к морю Нет

8 Удельная площадь пляжа, м2/м 8,10

9 Безопасная ширина эксплуатации водной поверхности с учетом рекреационных ограничений глубиной в 1,5 метров, м 51,00 52,00 51,00 51,00 51,00 51,00 51,00 53,00 51,00 51,00

10 Площадь пляжа на 1 рекреанта, м2 1,00 0,70 1,00 0,90 1,00 0,90 1,00 0,60 1,00 1,10

*экспериментальные показатели пересчитаны в натурные по полученным в

эксперименте в соответствии с теорией подобия

Опыт №2.

Во втором опыте оценивалась эффективность разработанной модели берего-защиты в виде подводного волнолома из цилиндрических габионов (рисунок 3.243.25), установленных на расчетной глубине 7,6 см (3,8 м), при этом расстояние от уреза воды составляла 2,84 м (142 м). Длина волнолома - 2 м (100 м). Объем наносов, отсыпаемых в верховую часть модели, составлял 4,26 дм3/ч. Параметры штормового режима принимались аналогичными опыту №1.

К концу опыта №2 средняя ширина пляжа увеличилась до 52 см, а общая площадь пляжа возросла на 22,8% (-^ = 0,43). Степень гашения волны составила т =

Ьс

63% (таблица 3.11). Результаты опыта №2 показаны на рисунках 3.26-3.29. Данный результат опыта доказывает эффективность разработанной модели волнолома из цилиндрических габионов.

Рисунок 3.24 - Экспериментальные модели цилиндрических габионов перед установкой в расчетное положение (фотофиксация автора)

Рисунок 3.25 - Общий вид экспериментальной модели перед началом опыта №2

(фотофиксация автора)

Рисунок 3.26 - Опыт №2. Процесс воздействия моделируемого волнения на системы из цилиндрических габионов (фотофиксация автора)

Рисунок 3.27 - Опыт №2. Процесс воздействия моделируемого волнения на пляжную зону ПУРТ (фотофиксация автора)

Рисунок 3.28 - Общий вид пляжа после окончания опыта №2. Красной линией указана граница уреза воды (фотофиксация автора)

Рисунок 3.29 - Схема сформированного пляжа по окончании опыта №2 (выполнено автором): 1 - исходная граница уреза воды перед опытом; 2 - граница уреза воды после проведения опыта; 3 - волнолом; 4 - волноотбойная стенка

Таблица 3.11 - Сравнительная таблица исходных и полученных параметров

экспериментальной модели опыта №2.

№ п/п Наименование фактора Показатели

1 2 3

начальный конечный начальный конечный начальный конечный

1 Объем вдольберего-вых наносов во время шторма, м3/ч 515,00 513,00 515,00 512,00 515,00 515,00

2 Направление фронтальных наносов от пляжа к пляжу от пляжа к пляжу от пляжа к пляжу

3 Изменение средней ширины пляжа, м - 2,00 + 1,90 - 2,00 + 2,10 - 2,00 + 2,20

4 Удельная площадь пляжа, м2/м 8,10 9,60 8,10 9,80 8,10 10,10

Безопасная ширина

эксплуатации водной

5 поверхности с учетом рекреационных ограничений глубиной в 1,5 метров, м 51,00 53,00 51,00 53,00 51,00 53,00

6 Площадь пляжа на 1 рекреанта, м2 1,00 1,20 1,00 1,30 1,00 1,40

*экспериментальные показатели пересчитаны в натурные по полученным в эксперименте в соответствии с теорией подобия

Опыт N° 3. Данный опыт посвящен исследованиям процессов, происходящих вовремя юго-западного направления шторма обеспеченностью 13% на участке побережья пансионата «Волна» западного берега Крыма. Н = 6,12 см (3,06 м) при периоде Т = 1,1 с (7,9 с). Расчетный суммарный расход вдольберегового потока наносов - Qy = 2,09 дм3/ч (261,4 м3/ч), расчетная глубина первого обрушения волн -Ьпер = 7,66 см (3,83 м), расчетная глубина последнего обрушения волн -Ьпос = 5,08 см (2,54 м). Продолжительность опыта составила 80 мин (9,6 ч - продолжительность шторма обеспеченностью 13% для юго-западного направления ветра в районе западного побережья Крыма [128]). Вид экспериментальной модели перед запуском опыта показан на рисунке 3.30. Схема модели представлена на рисунке 3.31. Взаимодействие волн с побережьем показано на рисунке 3.31.

Рисунок 3.30 - Общий вид исследуемой модели побережья до начала опыта №3

(фотофиксация автора)

Рисунок 3.31 - Схема исследуемой модели побережья до начала опыта №3 (выполнено автором): 1 - исходная граница уреза воды перед опытом; 2 - разрушенные конструкции ОСВН; 3 - клиф; 4 - волноотбойная стенка

К концу опыта №3 в результате волновой нагрузки в зоне демонтированных разрушенных конструкций берегозащиты образовался пляж средней шириной 24 см (12 м) в результате абразии клифа (сократился на 31%) и вдольберегового потока наносов (таблица 3.12). Результаты опыта №3 показаны на рисунках 3.323.33.

Рисунок 3.32 - Общий вид пляжа после окончания опыта №3 (фотофиксация автора)

Рисунок 3.33 - Схема сформированного пляжа по окончании опыта №7 (выполнено автором): 1 - исходная граница уреза воды перед опытом; 2 - разрушенные конструкции ОСВН; 3 - граница уреза воды после проведения опыта; 4 - волноот-

бойная стенка; 5 - пляж

Таблица 3.12 - Анализ натурных и экспериментальных показателей ЭБПЗ

ПУРТ Западного Крыма за период 2015-2016 гг. (опыт № 3)

Обозначение крите- Наименование фактора Показатели

Натурных исследований Экспериментальных исследований*

Начальный Конечный Начальный Конечный

кэ Ки Объем вдольбереговых наносов, м3/ч 515,00 509,00 515,00 512,50

кэ К12 Направление фронтальных наносов Стабильно В сторону моря Стабильно В сторону моря

кэ К13 Изменение средней ширины пляжа, м - 0,10 - 0,02 - 0,10 - 0,06

кэ К21 Высота незакрепленного клифа, м 4,00 4,00 4,00 4,00

кэ К22 Скорость абразии клифа, мм/сут 0,55 1,10 0,55 1,40

кэ Уклон клифа, 0 86,00 84,00 86,00 88,00

кэ Доступ к морю Нет Нет Нет Нет

кэ К25 Удельная площадь пляжа, м2/м 8,10 7,80 8,10 7,90

кэ К26 Безопасная ширина эксплуатации водной поверхности с учетом рекреационных ограничений глубиной в 1,5 м, м 51,00 51,00 51,00 52,00

кэ к27 Параметры технического состояния объектов берегозащиты ухудшаются ухудшаются ухудшаются ухудшаются

кэ К28 Площадь пляжа на 1 ре-креанта, м2 1,00 0,80 1,00 0,70

* - экспериментальные значения показателей пересчитаны на натурные в соответ-

ствие с масштабом модели.

Опыт №4.

На основе анализа полученных результатов разработано инженерно-экологические решение берегозащиты для исследуемого участка приморской территории в виде прерывистых волноломов из системы цилиндрических габионов для возведения естественных песчано-галечных бухт (рисунок 3.34). Исследования направлены на оценку эффективности разработанных инженерно-экологических мероприятий по строительству берегозащитных сооружений из системы габионов(ри-сунок 3.35), установленных на расчетном расстоянии от приморской зоны 1 м (50

м) на отметке глубины 4 см (2 м). Протяженность волнолома - 2 м (100 м). Объем наносов, отсыпаемых в верховую часть модели - 4,26 дм3/ч. Параметры штормового режима принимались аналогичными опытам №1-2.

Рисунок 3.34 - Общий вид исследуемой модели побережья до начала опыта №4. Красной линией указана граница уреза воды (фотофиксация автора)

Рисунок 3.35 - Схема исследуемой модели побережья до начала опыта №4 (выполнено автором): 1 - клиф; 2 - разрушенные конструкции ОСВН; 3 - исходная граница уреза воды перед опытом; 4 - волноотбойная стенка; 5 - пляж; 6 - волнолом

К концу опыта №4 в средняя ширина пляжа на модели увеличилась до 45 см, а общая площадь пляжа увеличилась почти в

4 раза = 0,35). Степень гашения Нс

волны составила ф = 68% (таблица 3.13). Результаты опыта №24 показаны на рисунках 3.36-3.37.

Рисунок 3.36 - Общий вид побережья после окончания опыта №4 (фотофиксация

автора)

Рисунок 3.37 - Схема сформированного пляжа по окончании опыта №4 (выполнено автором): 1 - клиф; 2 - разрушенные конструкции ОСВН; 3 - граница уреза воды после опыта; 4 - волноотбойная стенка; 5 - пляж; 6 - волнолом

Таблица 3.13 - Результаты опыта № 4 исследования пляжеобразования при