Огляд існуючого досвіду укріплення берегів поверхневих водних об’єктів і узбережжя морів шляхом спорудження штучних рифів як біопозитивних берегорегулювальних систем

Для зміцнення берегів поверхневих водних об'єктів і узбережжя морів використовують подовжні і поперечні берегові спорудження. До подовжнього відносяться спорудження і конструкції, подовжня вісь яких збігається з лінією берега або рівнобіжна їй: причальні або хвилевідбійні, набережні, укісні кріплення, начерки і т.д. Ці конструкції призначені для вирішення таких задач: відбити або зруйнувати прибійну хвилю та у ряді випадків зміцнити береговий укіс.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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