Введение
Морской барьер (или морская стена) – это форма береговой защиты, возводимая в местах, где море и связанные с ним прибрежные процессы оказывают непосредственное воздействие на рельеф побережья. Цель морского барьера – защита территорий, занятых человеком, зон охраны природы и мест для отдыха от действия приливов, волн или цунами. Поскольку морской барьер является статической конструкцией, он противоречит динамичному характеру побережья и препятствует обмену осадочным материалом между сушей и морем. Проектирование морских барьеров учитывает местный климат, положение на побережье, волновой режим (определяемый характеристиками волн и факторами, влияющими на них), а также ценность (морфологические характеристики) рельефа. Морские барьеры – это капитальные инженерные сооружения, предназначенные для защиты побережья от эрозии. Строительство морских барьеров может вызывать различные экологические проблемы, включая нарушение движения и переноса осадочного материала. В сочетании с высокой стоимостью строительства это привело к увеличению использования других, более мягких методов управления побережьем, таких как насыпка пляжей. Морские барьеры строятся из различных материалов, наиболее распространенными из которых являются железобетон, валуны, сталь или габионы. К другим возможным строительным материалам относятся винил, дерево, алюминий, стеклопластик и биоразлагаемые мешки с песком из джута и кокосового волокна. В Великобритании термин «морской вал» также используется для обозначения земляного насыпи, используемого для создания польдера или дамбы. Предполагается, что тип материала, используемого для строительства, влияет на заселение прибрежных организмов, хотя точный механизм этого влияния пока не установлен.
A seawall (or sea wall) is a form of coastal defense constructed where the sea, and associated coastal processes, impact directly upon the landforms of the coast. The purpose of a seawall is to protect areas of human habitation, conservation, and leisure activities from the action of tides, waves, or tsunamis. As a seawall is a static feature, it will conflict with the dynamic nature of the coast and impede the exchange of sediment between land and sea. Seawall designs factor in local climate, coastal position, wave regime (determined by wave characteristics and effectors), and value (morphological characteristics) of landform. Seawalls are hard engineering shore based structures that protect the coast from erosion. Various environmental issues may arise from the construction of a seawall, including the disruption of sediment movement and transport patterns. Combined with a high construction cost, this has led to increasing use of other soft engineering coastal management options such as beach replenishment. Seawalls are constructed from various materials, most commonly reinforced concrete, boulders, steel, or gabions. Other possible construction materials include vinyl, wood, aluminum, fiberglass composite, and biodegradable sandbags made of jute and coir. In the UK, seawall also refers to an earthen bank used to create a polder, or a dike construction. The type of material used for construction is hypothesized to affect the settlement of coastal organisms, although the precise mechanism has yet to be identified.
Естественные барьеры
В докладе, опубликованном Программой Организации Объединенных Наций по окружающей среде (ЮНЕП), утверждается, что цунами 26 декабря 2004 года причинило меньший ущерб в районах, где присутствовали естественные барьеры, такие как мангровые заросли, коралловые рифы или прибрежная растительность. Японское исследование этого цунами на Шри-Ланке использовало моделирование спутниковых снимков для определения параметров устойчивости побережья в зависимости от различных видов деревьев. Естественные барьеры, такие как коралловые рифы и мангровые леса, препятствовали распространению цунами и течению прибрежных вод, смягчая затопление и волну.
Компромиссы
Подход "затраты-выгоды" – эффективный способ определить, уместно ли строительство берегозащитной дамбы и оправдывают ли получаемые преимущества понесенные расходы. Помимо контроля эрозии, необходимо учитывать влияние упрочнения береговой линии на природные прибрежные экосистемы, а также на человеческую собственность и деятельность. Берегозащитная дамба – это статический объект, который может противоречить динамичному характеру побережья и препятствовать обмену наносами между сушей и морем. В таблице ниже обобщены некоторые положительные и отрицательные эффекты берегозащитных дамб, которые можно использовать при сравнении их эффективности с другими методами управления побережьем, такими как насыщение пляжей. + Преимущества и недостатки берегозащитных дамб по мнению Шорта (1999) Преимущества Недостатки Долгосрочное решение по сравнению с "мягкими" методами насыщения пляжей. Эффективно минимизирует риск гибели людей во время экстремальных явлений и ущерб имуществу, вызванный эрозией. Может существовать дольше в условиях высокой энергии волн по сравнению с "мягкими" инженерными методами. Может использоваться для отдыха и туризма. Обеспечивает прочную и надежную береговую защиту. Дорогостоящее в строительстве. Может считаться эстетически непривлекательным. Отражение энергии волн приводит к размыву основания дамбы. Может нарушать естественные береговые процессы и разрушать прибрежные местообитания, такие как водно-болотные угодья и приливные пляжи. Изменение процессов переноса наносов может нарушить движение песка, что приведет к усилению эрозии ниже по течению дамбы. Это может привести к исчезновению пляжей, делая их непригодными для отдыхающих. В целом, берегозащитные дамбы могут быть эффективным способом борьбы с береговой эрозией, но только при условии их качественного строительства из материалов, способных выдерживать воздействие волновой энергии. Необходимо понимание прибрежных процессов и морфодинамики, характерных для конкретного местоположения дамбы. Берегозащитные дамбы могут быть очень полезными, предлагая более долгосрочное решение, чем "мягкие" инженерные методы, а также предоставляя возможности для отдыха и защиты от экстремальных явлений и повседневной эрозии. Экстремальные природные явления выявляют слабые места в работе берегозащитных дамб, анализ которых может привести к будущим улучшениям и переоценке.
Повышение уровня моря
Повышение уровня моря создает проблему для берегозащитных сооружений по всему миру, поскольку оно увеличивает как средний нормальный уровень воды, так и высоту волн во время экстремальных погодных явлений, с которыми существующая высота сооружений может не справиться. Наиболее свежие анализы длительных и качественных данных наблюдений за уровнем моря (скорректированных с учетом гляциоизостатической коррекции и, по возможности, других вертикальных движений земной коры с использованием Глобальной системы позиционирования, GPS) указывают на среднюю скорость повышения уровня моря в течение двадцатого века в 1,6–1,8 мм в год. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) (1997) предполагала, что повышение уровня моря в течение следующих 50–100 лет ускорится, с прогнозируемым увеличением глобального среднего уровня моря на +18 см к 2050 году. Эти данные подтверждаются исследованиями Ханны (1990), которая рассчитала аналогичные показатели, включая повышение на +16–19,3 см в период с 1900 по 1988 год. Супершторм Сэнди 2012 года является примером разрушительных последствий, которые может вызвать повышение уровня моря в сочетании с неблагоприятными погодными условиями. Супершторм Сэнди вызвал штормовой нагон высотой 4–5 м на барьерные острова и прибрежные зоны Нью-Джерси и Нью-Йорка, что привело к убыткам на сумму около 70 миллиардов долларов. Решение этой проблемы заключается в дальнейшем моделировании и определении необходимого увеличения высоты и укрепления существующих берегозащитных сооружений для обеспечения безопасности в обеих ситуациях. Повышение уровня моря также увеличит риск наводнений и высоту цунами.
Гидростатическое давление воды
Морские стены, как и любые подпорные стены, должны обеспечивать отвод давления воды. Накопление давления воды происходит, когда грунтовые воды не отводятся из-за морской стены. Источником грунтовых вод у морской стены могут быть естественный уровень грунтовых вод в данной местности, дождевая вода, просачивающаяся в грунт за стеной, и волны, перекатывающиеся через стену. Уровень грунтовых вод также может повышаться во время высоких уровней воды (например, при приливе). Недостаточный дренаж может привести к выпучиванию, смещению, изгибу, образованию трещин или обрушению морской стены. Также могут образовываться провалы, поскольку выходящее под давлением вода размывает грунт через или вокруг дренажной системы.
Экстремальные события
Экстремальные явления также представляют собой проблему, поскольку людям сложно предсказать или представить силу волн, вызванных ураганами или штормами, по сравнению с нормальными, ожидаемыми волновыми паттернами. Экстремальное явление может рассеивать в сотни раз больше энергии, чем обычные волны, и расчет конструкций, способных выдержать натиск прибрежных штормов, затруднителен, а результат часто оказывается слишком дорогим. Например, волнолом на пляже Омаха в Новой Зеландии был спроектирован для защиты от эрозии, вызванной только обычными волнами, и когда в 1976 году шторм вымыл десять метров грунта за существующим волноломом, вся конструкция была разрушена. Отложения, окружающие волноломы, как правило, обладают менее благоприятными физическими свойствами (более высоким уровнем кальцификации, менее выраженной структурной организацией кристаллической структуры, низким содержанием кремния и меньшей макрошероховатостью) по сравнению с естественными береговыми линиями, что может создавать проблемы для видов, обитающих на морском дне.
Другие вопросы
Некоторые другие проблемы включают отсутствие долгосрочных данных о динамике воздействия волноломов из-за относительно короткого периода наблюдений; ограничения моделирования и невозможность корректного сравнения различных проектов и их эффектов в связи с различиями в типах пляжей, материалах, течениях и условиях окружающей среды. Недостаточное техническое обслуживание также является серьезной проблемой для волноломов. В 2013 году в Пунта-Горде, штат Флорида, было обнаружено более 1500 метров разрушающегося волнолома. Жители этого района ежегодно платят сотни долларов на программу ремонта волноломов. Проблема заключается в том, что большинство волноломов старше полувека и разрушаются даже от сильных дождей. Без надлежащего ухода волноломы теряют эффективность и становятся дорогостоящими в ремонте.
История и примеры
Строительство морских стен известно с древних времен. В первом веке до нашей эры римляне возвели морской вал или волнолом в Кесарии-Морской, создав искусственную гавань (гавань Себастос). При строительстве использовался поццолановый бетон, который затвердевает в контакте с морской водой. Баржи строились и заполнялись этим бетоном, затем их буксировали на место и топили. Эта гавань/волнолом/морской вал существует и по сей день – более 2000 лет спустя. Считается, что самой древней известной береговой защитой является 100-метровая полоса валунов в Средиземном море у побережья Израиля. Валуны были уложены, чтобы защитить прибрежное поселение Тель-Хрейз от повышения уровня моря после последнего ледникового максимума. Тель-Хрейз был обнаружен в 1960 году водолазами, искавшими затонувшие корабли, однако полоса валунов была найдена лишь в 2012 году, когда штормы сдвинули песчаный покров. В более позднее время, в 1623 году, на острове Канви (Великобритания) были построены морские стены после сильных наводнений в устье Темзы, что потребовало создания защиты от будущих подобных событий в этом подверженном затоплениям районе. С тех пор конструкция морских стен стала более сложной и продуманной благодаря улучшению материалов, технологий и пониманию прибрежных процессов. В этом разделе будут рассмотрены ключевые примеры строительства морских стен в хронологическом порядке, а также описана их эффективность при воздействии цунами или продолжающихся природных процессов и насколько успешно они справлялись с этими вызовами. Анализ успехов и недостатков морских стен во время стихийных бедствий позволяет выявить их слабые стороны и определить направления для дальнейшего совершенствования.
creating an artificial harbor (Sebastos Harbor). The construction used Pozzolana concrete which hardens in contact with seawater. Barges were constructed and filled with the concrete. They were floated into position and sunk. The resulting harbor/breakwater/seawall is still in existence today – more than 2000 years later. The oldest known coastal defense is believed to be a 100 meter row of boulders in the Mediterranean Sea off the coast of Israel. Boulders were positioned in an attempt to protect the coastal settlement of Tel Hreiz from sea rise following the last glacial maximum. Tel Hreiz was discovered in 1960 by divers searching for shipwrecks, but the row of boulders was not found until storms cleared a sand cover in 2012. More recently, seawalls were constructed in 1623 in Canvey Island, UK, when great floods of the Thames estuary occurred, prompting the construction of protection for further events in this flood prone area. Since then, seawall design has become more complex and intricate in response to an improvement in materials, technology, and an understanding of how coastal processes operate. This section will outline some key case studies of seawalls in chronological order and describe how they have performed in response to tsunamis or ongoing natural processes and how effective they were in these situations. Analyzing the successes and shortcomings of seawalls during severe natural events allows their weaknesses to be exposed, and areas become visible for future improvement.
Канада
Ванкуверский морской вал – каменная береговая стена, построенная по периметру парка Стэнли в Ванкувере, Британская Колумбия. Изначально стена была возведена для защиты территории между Проспект-Пойнт и Броктон-Пойнт от эрозии, вызванной волнами, возникающими при прохождении судов через Первые Узкие места. Строительство началось в 1917 году, и с тех пор эта тропа стала одной из самых популярных достопримечательностей парка как среди местных жителей, так и среди туристов, а её общая протяжённость сейчас составляет 22 км. Возведение морского вала также обеспечило работой нуждающихся в помощи во время Великой депрессии и моряков с острова Дэдмана, отбывавших наказание в 1950-х годах (Стил, 1985). В целом, Ванкуверский морской вал является ярким примером того, как береговые стены могут одновременно обеспечивать защиту береговой линии и служить местом для отдыха, повышая удовольствие человека от прибрежной среды. Он также демонстрирует, что, хотя эрозия береговой линии – естественный процесс, человеческая деятельность, взаимодействие с побережьем и неудачно спланированные проекты развития прибрежных территорий могут ускорить естественные темпы эрозии.
Индия
26 декабря 2004 года огромные волны, вызванные землетрясением и цунами в Индийском океане, обрушились на юго-восточное побережье Индии, унеся жизни тысяч людей. Однако бывший французский колониальный анклав Пондичерри остался невредимым. Это было в основном благодаря французским инженерам, которые построили (и поддерживали) массивную каменную морскую стену во времена, когда город был французской колонией. Этот 300-летний морской вал эффективно защитил исторический центр Пондичерри от затопления, даже когда волны цунами подняли воду на 7 метров (24 фута) выше обычного уровня прилива. Строительство барьера было завершено в 1735 году, и на протяжении многих лет французы продолжали укреплять стену, насыпая огромные валуны вдоль ее 2-километровой береговой линии, чтобы предотвратить эрозию, вызванную разбивающимися о гавань волнами. В самой высокой точке барьер, проходящий вдоль берега, достигает 8 метров над уровнем моря. Валуны, некоторые из которых весят до тонны, выветрены и имеют черно-коричневый цвет. Морская стена ежегодно подвергается проверке, и при обнаружении провалов или проседания камней правительство добавляет новые валуны для поддержания ее прочности. В союзной территории Пондичерри было зарегистрировано около 600 погибших от огромных волн цунами, обрушившихся на побережье Индии после мощного подводного землетрясения (с магнитудой 9,0 по шкале моментной магнитуды) у Индонезии, но большинство погибших были рыбаками, проживавшими в деревнях за пределами искусственного барьера, что подтверждает эффективность морских стен.
Япония
По крайней мере, 43 процента японского побережья укреплены бетонными волнорезами или другими сооружениями, предназначенными для защиты страны от высоких волн, тайфунов и даже цунами. Во время землетрясения и цунами в Тохоку в 2011 году волнорезы в большинстве районов оказались бессильны. В Камаиси волны перехлестнули через волнорез – крупнейший в мире, возведенный несколько лет назад в гавани города на глубине, протяженностью и стоимостью 1,5 миллиарда долларов – и в конечном итоге затопили центр города. Риски, связанные с зависимостью от волнорезов, наиболее ярко проявились во время кризиса на атомных электростанциях Фукусима Дай-Ити и Фукусима Дай-Ни, обе расположенные вдоль побережья вблизи зоны землетрясения, поскольку цунами перекатилось через стены, которые должны были защищать станции. Можно утверждать, что дополнительная защита, обеспечиваемая волнорезами, дала дополнительное время для эвакуации населения и смягчила часть энергии волны, которая в противном случае поднялась бы выше в прибрежных долинах. Однако волнорезы также сыграли негативную роль, задерживая отступление воды. Провал крупнейшего в мире волнореза, строительство которого обошлось в 1,5 миллиарда долларов, показывает, что возведение более мощных волнорезов для защиты больших территорий было бы еще менее экономически целесообразным. В случае продолжающегося кризиса на атомных электростанциях, если бы электростанции строились в этом месте, следовало бы возвести более высокие и прочные волнорезы. В целом, разрушения в прибрежных районах и прогнозируемое число погибших, превышающее 10 000 человек, могут побудить Японию к пересмотру конструкции своих волнорезов или рассмотрению более эффективных альтернативных методов защиты побережья от экстремальных явлений. Такие укрепленные береговые линии также могут создавать у владельцев недвижимости и местных жителей ложное чувство безопасности, что стало очевидным в данной ситуации.
Соединенные Штаты
После урагана Сэнди в 2012 году мэр Нью-Йорка Билл де Блазио инвестировал 3 миллиарда долларов в фонд восстановления после ураганов, часть средств которого была выделена на строительство новых волнорезов и защиту от будущих ураганов. Проект штормового барьера в гавани Нью-Йорка был предложен, но не был утвержден или профинансирован Конгрессом или штатом Нью-Йорк. Во Флориде для защиты домов вблизи побережья используются мобильные защитные дамбы ("tiger dams").