PL0000421 Opracowanie metody prognozy wzdlużbrzegowego natężenia ruchu osadów morskich przy zastosowaniu radioznaczników Zbigniew Pruszak 1}, Ryszard Wierzchnicki 2) 1} 2) Instytut Budownictwa Wodnego PAN, Gdańsk Instytut Chemii i Techniki Jądrowej, Warszawa Abstract The near-shore zone is the most interesting sea region for coastal engineering. In this region the most effective changes in coastal morphodynamic takes place due to intensive sediment transport generated by waves and currents. The subject of the work was the study of bedload movement for the multibar conditions. The general aim was determination of longshore sediment transport rate. The field study was carried out in a multibar (4-5 bars) coastal zone 700 m long and about 1000 m wide at Coastal Laboratory near Lubiatowo (southern coast of Baltic sea). Sediment transport in this region was the object of intensive and complex field studies by the use of radiotracer method. As a radiotracer was used!92 Ir, which was as a component of specially prepared glass grains of the diameter of 0,020-0,025 cm and density of 2668 kg/m 3. The tracer was introduced at selected points of the coastal zone in order to cover its most interesting regions. The obtained results give the possibility to elaborate empirical model of the global sediment transport rate for the multibar conditions. 1. Wprowadzenie Zainteresowanie i praktyczna działalność inżynierska człowieka związana z morzem skupiona jest najczęściej w obszarze strefy brzegowej rozciągającej się od linii brzegowej do głębokości rzędu kilku, a co najwyżej kilkunastu metrów. Jest to obszar intensywnego ruchu osadów morskich oraz najbardziej aktywnych zmian morfodynamicznych brzegu. Strefa ta ma fundamentalne znaczenie w zagadnieniach ochrony brzegów morskich, różnego typu działalności hydrotechnicznej czy też rekreacji. Zagospodarowanie tego obszaru morza stwarza wiele problemów, a jego litoi morfodynamiczne rozpoznanie jest ciągle niezadowalające. Przyczyną tego jest złożoność występujących tam procesów mających charakter losowy, zmienny w czasie i przestrzeni. Prawidłowa ocena i prognoza ruchu osadów morskich ma podstawowe znaczenie w inżynierii brzegowej, skupiającej swoją uwagę m. in. na: hydrotechnicznej zabudowie strefy brzegowej, zamulaniu portów, podwodnych rurociągach, monitoringu odkładów pogłębiarskich, śledzeniu ruchu morskich zanieczyszczeń dennych czy optymalizacji metod ochrony brzegu i budowli. W wielu zagadnieniach inżynierii brzegowej, pomimo istnienia różnych modeli i metod opisu ruchu osadów morskich w strefie przyboju, ciągle pojawiają się niejednoznaczności i nowe pytania dotyczące rozpoznania i opisu w warunkach naturalnych (rzeczywiste skale czasowo-przestrzenne oraz proporcje sił) takich elementów ruchu osadów morskich jak: prędkości krytyczne początkujące różne fazy ruchu osadów dennych; różne prędkości ruchu osadów dennych w funkcji generującego go pola falowoprądowego; miąższość aktywnej warstwy dna morskiego w trakcie ruchu osadów; 104
intensywność i kierunek mchu (transportu) osadów, dennych pod wpływem różnych sytuacji hydrodynamicznych; rozkład transportu osadów w profilu poprzecznym do brzegu. 2. Cel i metoda badań Badania i analizę ruchu osadów morskich prowadzić można stosując różne narzędzia i metody. Aby uzyskać wyniki najbliższe rzeczywistości, uwzględniające realny układ i proporcje sił, skal i istotnych czynników, najlepiej oprzeć je na obserwacjach i badaniach w naturze. Uświadomić sobie jednak trzeba, że badania w naturze są pracami kosztownymi, wymagającymi wiele wysiłku, sprawności technicznej oraz odpowiedniej metodyki badań. Szczególnie w przypadku złożoności, wieloparametrowości oraz losowości zjawiska, metody empiryczne są podstawowymi technikami badań pozwalającymi na bardziej całościowy opis i dalsze modelowanie zjawiska zgodnie z rzeczywistością. W przypadkach takich analiza teoretyczna staje się narzędziem pomocniczym, mogącym pomóc w rozwiązywaniu tylko pewnych szczegółów, lecz nawet w tym zakresie ma znacznie ograniczone możliwości, z uwagi na niemożliwość sformułowania równań konstytutywnych odpowiadających rzeczywistej fizyce procesu. Badania laboratoryjne, nawet w układzie trójwymiarowym, z uwagi na zawsze występujące uproszczenia, a przede wszystkim ze względu na efekty skalowe i uwzględnianie tylko wybranych parametrów wpływających na badany proces, tworzą w różnym stopniu sztuczną naturę", często daleko odbiegającą od rzeczywistości. Uwzględniając wszystkie te fakty, jako podstawową metodę badań przyjęto badania terenowe oraz empiryczne metody opisu uzyskanych wyników. Dodać ponadto należy, że badania terenowe (w naturze) są pracą na obiekcie rzeczywistym, bez możliwości subiektywnego i sztucznego sterowania procesem. Znacznikami wykorzystywanymi w badaniach transportu osadów są substancje, które ze względu na identyczność cech fizycznych z naturalnymi osadami dennymi zapewniają pełną zgodność swego zachowania z materiałem rodzimym. Z drugiej strony znaczniki posiadają cechę rozpoznawczą, mierzalną (promieniotwórczość, luminescencja) możliwą do detekcji i rejestracji. Rejestracja ta ma charakter ilościowy co umożliwia określenie wartości koncentracji c znacznika w punkcie wykonania pomiaru. Znacznikowe badania intensywności transportu osadów dennych zakładają, że całkowity transport osadu można przybliżyć za pomocą ruchu warstwy materiału dennego o grubości a ze średnią prędkością V s. Lokalna wielkość transportu wynosi więc: q = p t -(l-p)-k-<* [kg/mbs] (1) W związku z tym, podstawym celem znacznikowych badań transportu osadów dennych jest: określenie średnich (dla różnych obszarów i sytuacji hydrologicznych) wartości parametrów Foraz a w oparciu o wyznaczone rozkłady koncentracji znacznika oraz skorelowanie ich z adekwatnymi, pomierzonymi wartościami parametrów hydrologicznych. W przeprowadzonych badaniach jako znacznika użyto sztuczny piasek otrzymany ze szkła irydowego. Szkło irydowe wytopiono z mieszaniny o składzie :SiC>2-48%, A1 2 O 3-17%, MgO - 6%, TiO 2-5%, K 2 O - 5% oraz IrO 2-0.25%. Celem tak dobranej kompozycji było otrzymanie szkła o gęstości zbliżonej do gęstości piasku, a nie zawierającej poza irydem innych pierwiastków, które mogłyby aktywować się na skutek napromieniowania neutronami w reaktorze jądrowym. Szczególnie istotną cechą 105
tego szkła jest brak obecności sodu, który jako łatwo aktywówalny nuklid stanowiłby bardzo niekorzystną domieszkę. Otrzymane szkło o gęstości 2.66 g/cm 3 zostało następnie rozdrobnione i poddane długotrwałemu wytrząsaniu w celu uzyskania ziaren o wyoblonych krawędziach i wymiarach zbliżonych do średnicy piasku naturalnego z rejonu badań. Z masy tej, w wyniku analizy sitowej została wyodrębniona reprezentatywna, dla danego rejonu badań, frakcja D = 0,20-0,25 mm. Końcową operacją przygotowawczą było mycie ziaren oraz separacja sedymentacyjna zanieczyszczeń i pyłów z ich powierzchni. Tak przygotowany materiał został poddany aktywacji w reaktorze jądrowym "Ewa". 3. Miejsce badań Miejscem badania ruchu osadów był rejon Morskiego Laboratorium Brzegowego IBW PAN w Lubiatowie, charakteryzujący się typowymi dla polskiego wybrzeża warunkami: nachylenie brzegu (dna) J3 «1.5 ; brzeg wielorewowy z czterema stabilnymi rewami w odległościach od linii brzegowej około: 110, 190, 370 i 650m oraz piąta, niestabilna rewa występująca okresowo w odległości około 3 Om od linii brzegowej (rys. 1); średnica osadów (mediana) D 50 = 2.2 10" 4 m; brak wyraźnej, długookresowej przewagi procesów erozyjnych bądź akumulacyjnych; brak elementów naturalnych (ujścia rzek, duże zatoki, cyple) oraz inżynierskiej zabudowy brzegu zakłócających prąd wzdłużbrzegowy, który posiada decydujące znaczenie dla kierunku i wielkości transportu osadów dennych w strefie brzegowej. h[mj D1..D4 - measuring stations J1..J4 - injection points C W - currentmeter - wavemeter 900 1000 L[mJ Rys. I. Profil pomiarowy wraz z punktami dozowania znacznika i aparaturą pomiarową (eksperyment Jesień'93). Obszar badań strefy przyboju został podzielony na trzy charakterystyczne rejony, w których prowadzono lokalne pomiary szybkości transportu osadów oraz miąższości dynamicznie aktywnej warstwy dna w celu określenia globalnego transportu osadów. Przeprowadzone badania terenowe umożliwiły analizę i empiryczny opis takich podstawowych parametrów ruchu osadów jak: prędkość krytyczną początku ruchu osadów. Parametr ten badany i analizowany był na podstawie przebiegu krzywej opisującej zachowanie się znacznika pod stałą bardzo czułą scyntylacyjną sondą pomiarową rejestrującą każdy nawet minimalny ruch 106
znacznika w wybranym punkcie obszaru badań (m.in. pomiary przy użyciu konstrukcji pomiarowych Pająk 1" i Pająk 2")[1] i [2]; średnią prędkość masowego ruchu osadów. Wielkość tą określono w oparciu o zmiany współrzędnych środka ciężkości obszaru zalegania znacznika (wyznaczone po każdym etapie ruchu osadów związanym z określoną sytuacją hydrodynamiczną); prędkość powierzchniowego ruchu osadów. Wyznaczano ją na podstawie zmian w czasie maksymalnego zasięgu znacznika zarówno w kierunku wzdłużbrzegowym jak i poprzecznym do brzegu; grubość warstwy aktywnej oraz warstw ruchu osadów. Wielkości te określono analizując pionowe rozkłady koncentracji znacznika w próbach rdzeniowych. Wyznaczone po każdym etapie badań radioznacznikowych mapy rozkładu aktywności oraz analizy prób rdzeniowych dostarczyły ostatecznych informacji na temat aktualnej lokalizacji i rozkładu koncentracji znacznika [3]. Umożliwiło to, w kolejnym kroku, obliczenie transportu osadów dla danego obszaru i występujących w tym czasie warunków falowo-prądowych. 4. Transport globalny Wartości globalne transportu wzdłużbrzegowego zsumowane z całego dynamicznie aktywnego profilu poprzecznego brzegu estymowane są równaniem: G = (*/ 4) (2) i gdzie: /, - zasięg obszaru (I), (II), i (III) wzdłuż profilu poprzecznego brzegu Z badań i wykonanej na ich podstawie analizy wynika, że całkowity transport wzdłużbrzegowy w strefie brzegowej o przyjętej długości 1=95Om, w warunkach sztormu lub intensywnego falowania i przy kącie podchodzenia fali do brzegu zmieniającym się w przedziale 10-30, przyjmuje wartości w granicach 3-7 ' 10" 3 m7s. Wielkość globalnego transportu przedstawić można w funkcji parametru H Z V. Otrzymane rozkłady wskazują na istnienie, w zależności od wielkości i zakresu tego parametru, dwóch różnych przebiegów funkcji Q=J{H Z V). Dla zakresu parametrów H Z V =0-0.15, a więc przypadków niewielkiego i średniego falowania, funkcja Q=J[H Z V) przyjmuje postać Q = Ko (H 2 ZV) = 0.023 (H 2 ZV) [m 3 /s] (3) W sytuacji większego falowania i sztormów, H z V>0.15, w wyniku zmiany mechanizmów powodujących generację ruchu osadów dennych, funkcja Q=j{H z V) przyjmuje postać: O = Oo ^ K? (H Z V- 0.15) = 0.00225 *- 0.008 " (H Z V ) (4) Otrzymane równania służyć mogą prognozie wzdłużbrzegowego, globalnego transportu osadów w krótkookresowej skali czasowej. 107
5. Model empiryczny Wychodząc z ogólnych równań Longuet - Higginsa (1970) dotyczących opisu prądu wzdłużbrzegowego w strefie przyboju oraz po przyjęciu szeregu upraszczających założeń, można określić średnią prędkość prądu wzdłużbrzegowego, wynikającego z procesu załamania fali, tarcia przydennego oraz turbulentnego mieszania wewnątrz cieczy, w postaci: gdzie: 5TT tan/?. _,.. r V L = - ^u m -sma z -cosa z = 0.5-kyu m -sm2cc z (5) o Cc ky- parametr empiryczny będący m.in. funkcją współczynnika, 5 tan/? tarcia, k v = iz ; 8 c, u m - składowa pozioma maksymalnej prędkości orbitalnej przy dnie. Prędkość u m w obszarze załamania fal można wyrazić zależnością: u m = 0.5 H 2 fg/h z ) I/2 =0.5 H z /h z (ghf 2 = 0.5 y z (ghf 2 (6) gdzie: H z, h z, y z - odpowiednio średnia wysokość fali, głębokość wody oraz wskaźnik załamania fali w miejscu jej załamania Podstawiając: g = 9,81 m/s 2, H z = 0.886 H, oraz y z =0.78, wiedząc jednocześnie, że parametr y z zmieniać się może w naturalnych warunkach strefy przyboju w przedziale 0.5 < Yz < 1.0 oraz wstawiając równanie (6) do zależności (5) otrzymujemy: V L = 0.65-ky-JpB^ -sin2a z (7) Z przeprowadzonych w ramach niniejszej pracy badań znacznikowych dla wielorewowego brzegu polskiego otrzymano układ empirycznych równań (3 i 4) opisujących objętościowy, globalny wzdłużbrzegowy transport osadów. Wstawiając do tych równań (3 i 4) zależność (7) otrzymujemy: O = 0.0l5-k y -(H ms )l 5 sm2a z dla (*,), -V L < 0.15 (8) dla (H 2 ) -V T >0.15 (9) Ostatecznie, dla określonej, stałej wartości ^0.9, uwzględniającej specyfikę polskiego brzegu, proponowany empiryczny model transportu osadów staje się zależnością będącą funkcją dwóch podstawowych parametrów fali (wysokości i kąta podejścia do brzegu) w miejscu jej załamania: Q =f(h z, ccj Rozwiązanie modelu dla różnych hydrologicznych warunków zostały przedstawione w postaci nomogramów [3] rys.2. 108
0.12 Q [m'/s] o.oa 0.06 0.04 0.02 Rys. 2. Transport globalny osadów w funkcji kąta podejścia fali do brzegu dla różnych wysokości fali załamującej. Literatura [1]. Owczarczyk A., Strzelecki M., Szpilowski S., Wierzchnicki R., Basinski T., New application of radioactive tracer method for the sediment movement measurements in the near-shore zone. Isotopenpraxis 25(1989) 8, 330-340. [2]. Owczarczyk A., Pruszak Z., Szpilowski St., Wierzchnicki R., Zeidler R., Badanie ruchu osadów w morskiej strefie brzegowej metoda radioznacznikowa. Rozprawy Hydrotechniczne, 54, Gdansk. [3]. Wierzchnicki R., Charakterystyki i parametryzacja ruchu osadów dennych dla warunków wielorewowej strefy brzegowej na podstawie badań terenowych, Praca doktorska. 109