Прибрежный прибой и динамика пляжа

Введение

Турбулентный слой воды, поднимающийся на пляж после разбития волны. Swash, или forewash в географии, – это турбулентный слой воды, поднимающийся на пляж после разбития входящей волны. Действие swash может перемещать пляжный материал вверх и вниз по пляжу, что приводит к поперечному обмену донными отложениями. Продолжительность движения swash варьируется от секунд до минут в зависимости от типа пляжа (см. рисунок 1 для типов пляжей). Более выраженный swash обычно наблюдается на более пологих пляжах. Движение swash играет ключевую роль в формировании и изменении морфологических элементов в зоне swash. Действие swash также является важным мгновенным процессом в общей морфодинамике побережья. Существует два подхода к описанию движения swash: (1) swash, возникающий в результате обрушения высокочастотных боров на пляжевой поверхности; и (2) swash, характеризующийся стоячими, низкочастотными колебаниями. Преобладающий тип движения swash зависит от волновых условий и морфологии пляжа и может быть предсказан путем расчета параметра подобия прибрежного серфинга (Guza & Inman 1975):

где – высота разбивающейся волны, – ускорение свободного падения, – период падающей волны и – уклон пляжа. Значения указывают на диссипативные условия, при которых swash характеризуется стоячими длинноволновыми колебаниями. Значения указывают на рефлективные условия, при которых swash доминирует волновой бор.

Упряжённость и оттепель

Суаш состоит из двух фаз: нагон (прибрежный поток) и отлив (относительный отток). Как правило, нагон имеет более высокую скорость и меньшую продолжительность, чем отлив. Скорости нагона максимальны в начале нагона, а затем уменьшаются, в то время как скорости отлива увеличиваются к концу оттока. Направление нагона меняется в зависимости от преобладающего ветра, тогда как отлив всегда перпендикулярен береговой линии. Это асимметричное движение суаша может вызывать береговой перенос и перенос осадочного материала поперек берега.

Морфология молнии

Зона прибоя – это верхняя часть пляжа между прибрежной зоной и зоной прибоя, где во время штормов происходит интенсивная эрозия (рисунок 2). Зона прибоя попеременно заливается и осушается. Инфильтрация (гидрология) (выше уровня грунтовых вод) и эксфильтрация (ниже уровня грунтовых вод) происходят между потоком прибоя и уровнем грунтовых вод на пляже. Пляжная откос, берма, пляжная ступень и пляжные выступы – типичные морфологические элементы, связанные с движением прибоя. Инфильтрация (гидрология) и перенос осадочного материала движением прибоя являются важными факторами, определяющими уклон пляжного откоса.

Пляжная сторона

Пляжевая напорная плоскость – это плоская, относительно крутая часть профиля пляжа, подверженная воздействию наката и отката волн (рисунок 2). Она простирается от линии берега до уровня отлива. Пляжевая напорная плоскость находится в динамическом равновесии с действием наката и отката, когда объемы переносимого наката и отката осадочного материала равны. Если уклон пляжевой напорной плоскости меньше равновесного, накат переносит больше осадочного материала, что приводит к чистому переносу осадка в сторону берега. Если уклон пляжевой напорной плоскости больше равновесного, перенос осадка преобладает в процессе отката, что приводит к чистому переносу осадка от берега. Равновесный уклон пляжевой напорной плоскости определяется сложным взаимодействием факторов, таких как размер осадка, проницаемость и скорость оседания в зоне наката, а также высота и период волны. Пляжевую напорную плоскость нельзя рассматривать изолированно от прибрежной зоны для понимания морфологических изменений и равновесия, поскольку на них сильно влияют процессы в прибрежной зоне и процессы волнового перелома, а также процессы в зоне наката. Скорость переноса осадка в зоне наката значительно выше, чем в прибрежной зоне, а концентрация взвешенных частиц может превышать 100 кг/м³ вблизи дна. Понимание процессов в зоне наката и эффективное управление ими жизненно важны для прибрежных сообществ, которые могут пострадать от прибрежных опасностей, таких как эрозия и штормовой нагон. Важно отметить, что процессы в зоне наката нельзя рассматривать изолированно, поскольку они тесно связаны с процессами в прибрежной зоне. Многие другие факторы, включая деятельность человека и изменение климата, также могут влиять на морфодинамику в зоне наката. Понимание более широкой морфодинамики необходимо для успешного управления побережьем. Строительство берегозащитных сооружений, таких как волноломы, является распространенным способом защиты застроенных территорий, таких как дороги и здания, от береговой эрозии и отступания береговой линии. Однако, как правило, защита территории путем строительства волнолома не приводит к сохранению пляжа. Строительство непроницаемой конструкции, такой как волнолом, в зоне наката может нарушить систему морфодинамики в этой зоне. Строительство волнолома может повысить уровень грунтовых вод, увеличить отражение волн и усилить турбулентность у стены. В конечном итоге это приводит к эрозии прилегающего пляжа или разрушению конструкции. Каменные насыпи (также известные как реветменты или каменная наброска) и тетраподы менее отражающие, чем непроницаемые волноломы, поскольку волны должны обрушиваться на материал, создавая накат и откат, которые не вызывают эрозии. Каменистый материал иногда размещают перед волноломом, чтобы уменьшить воздействие волн и дать возможность эродирующему пляжу восстановиться. Понимание системы переноса осадка в зоне наката также важно для проектов по искусственному питанию пляжей. Накат играет важную роль в транспортировке и распределении песка, добавляемого на пляж. В прошлом случались неудачи из-за недостаточного понимания этих процессов. Несмотря на доступность зоны наката и возможность проведения измерений с высоким разрешением по сравнению с другими частями прибрежной зоны, нерегулярность данных является препятствием для анализа и критического сопоставления теории и наблюдений. Для полевых измерений в зоне наката использовались различные уникальные методы. Например, для измерения высоты наката волн Гуза и Торнтон (1981, 1982) использовали 80-метровый двойной резистивный провод, протянутый поперек профиля пляжа и удерживаемый на высоте около 3 см над песком непопроводящими опорами. Холман и Салленгер (1985) провели исследование наката, снимая видео наката для оцифровки положения линии воды с течением времени. Многие исследования включали инженерные сооружения, такие как волноломы, пирсы и молы, для установления критериев проектирования, которые защищают сооружения от перелива экстремальными накатами. С 1990-х годов гидродинамика наката волн более активно изучается прибрежными исследователями, такими как Хьюз М. Г., Масселинк Дж. и Пулео Дж. А., что способствует лучшему пониманию морфодинамики в зоне наката, включая турбулентность, скорости потока, взаимодействие с уровнем грунтовых вод на пляже и перенос осадка. Однако в исследованиях наката все еще остаются пробелы в понимании, включая турбулентность, поверхностный сток, перенос донного осадка и гидродинамику на ультрадиссипативных пляжах.

The beachface is the planar, relatively steep section of the beach profile that is subject to swash processes (Figure 2). The beachface extends from the berm to the low tide level. The beachface is in dynamic equilibrium with swash action when the amount of sediment transport by uprush and backwash are equal. If the beachface is flatter than the equilibrium gradient, more sediment is transported by the uprush to result in net onshore sediment transport. If the beachface is steeper than the equilibrium gradient, the sediment transport is dominated by the backwash and this results in net offshore sediment transport. The equilibrium beachface gradient is governed by a complex interrelationship of factors such as the sediment size, permeability, and fall velocity in the swash zone as well as the wave height and the wave period. The beachface cannot be considered in isolation from the surf zone to understand the morphological changes and equilibriums as they are strongly affected by the surf zone and shoaling wave processes as well as the swash zone processes. The transport rates in the swash zone are much higher compared to the surf zone and suspended sediment concentrations can exceed 100 kg/m3 close to the bed. Understanding the swash zone processes and wise management is vital for coastal communities which can be affected by coastal hazards, such as erosion and storm surge. It is important to note that the swash zone processes cannot be considered in isolation as it is strongly linked with the surf zone processes. Many other factors, including human activities and climate change, can also influence the morphodynamics in the swash zone. Understanding the wider morphodynamics is essential in successful coastal management. Construction of sea walls has been a common tool to protect developed property, such as roads and buildings, from coastal erosion and recession. However, more often than not, protecting the property by building a seawall does not achieve the retention of the beach. Building an impermeable structure such as a seawall within the swash zone can interfere with the morphodynamics system in the swash zone. Building a seawall can raise the water table, increase wave reflection and intensify turbulence against the wall. This ultimately results in erosion of the adjacent beach or failure of the structure. Boulder ramparts (also known as revetments or riprap) and tetrapods are less reflective than impermeable sea walls, as waves are expected to break across the materials to produce swash and backwash that do not cause erosion. Rocky debris is sometimes placed in front of a sea wall in the attempt to reduce the wave impact, as well as to allow the eroded beach to recover. Understanding the sediment transport system in the swash zone is also vital for beach nourishment projects. Swash plays a significant role in transportation and distribution of the sand that is added to the beach. There have been failures in the past due to inadequate understanding. Despite the accessibility to the swash zone and the capability to take measurements with high resolution compared to the other parts of the nearshore zone, irregularity of the data has been an impediment for analysis as well as critical comparisons between theory and observation. Various and unique methods have been used for field measurements in the swash zone. For wave run up measurements, for example, Guza and Thornton (1981, 1982) used an 80m long dual resistance wire stretched across the beach profile and held about 3 cm above the sand by non conducting supports. Holman and Sallenger (1985) conducted run up investigation by taking videos of the swash to digitise the positions of the waterline over time. Many of the studies involved engineering structures, including seawalls, jetties and breakwaters, to establish design criteria that protect the structures from overtopping by extreme run ups. Since the 1990s, swash hydrodynamics have been more actively investigated by coastal researchers, such as Hughes M. G., Masselink J. and Puleo J. A., contributing to the better understanding of the morphodynamics in the swash zone including turbulence, flow velocities, interaction with the beach groundwater table, and sediment transport. However, the gaps in understanding still remain in swash research including turbulence, sheet flow, bedload sediment transport and hydrodynamics on ultra dissipative beaches.

Другое

Guza, R. T. и Inman, D. 1975, "Прибрежные волны и береговые выступы". Журнал геофизических исследований, 80, с. 2997–3012
Hughes, M. G. и Cowell, P. J. 1987, "Изменение отражающих пляжей под воздействием волн". Журнал береговых исследований, 3, с. 153–167
Takeda, I. и Sunamura, T. 1982, "Формирование и высота валов на пляже". Труды Японского геоморфологического союза, 3, с. 145–157
Werner, B. T. и Fink, T. M. 1993. "Береговые выступы как самоорганизующиеся структуры". Science, 260, с. 968–971