5. Гидрологические условия

Гидрологические условия представляют собой комплекс явлений, связанных с изменениями и движениями, происходящих в водной среде. Из них важнейшими факторами, которые необходимо учитывать при строительстве и эксплуатации портов, являются колебания уровня воды, приливы и отливы, волнение, морские течения, физико-химические свойства воды и ледовый режим.

Колебания уровня воды определяет не только высотные отметки территории порта и глубины на подходах и причалах, но и форму крепления берега и конструкцию причальных сооружений.

Основными причинами колебаний уровня воды являются действия ветра, астрономические влияния (приливы и отливы), изменение режимы питания водоемов и их испаряемости, изменением атмосферного давления. Перечисленные факторы часто действуют одновременно.

При действии ветра на поверхности воды на значительном протяжении времени, в результате трения между воздухом и водой возникает сначала движение поверхностных частиц, которые затем, передаваясь на глубину, образуют ветровое течение. Это течение способствует повышению уровня у наветренного берега – нагону, и понижение у подветренного – сгону. Колебания уровня воды при нагоне и сгоне зависят не только от силы ветра и от продолжительности его действия, но и от очертания берега. На открытом побережье эти колебания уровня воды имеют меньшее значение, чем в бухтах и заливах воронкообразной формы и в узких заливах. Наибольшие нагоны и сгоны наблюдают в Таганрогском заливе, в устье Невы (нагон – 4 м, сгон – 1,35 м), в устье Волги ( нагон – 2 м, сгон – 1 м).

В небольших морях, заливах и больших озерах наблюдается повышение и понижение уровня воды. Такие явления называются сейшами. Основной причиной их появления являются разные изменения атмосферного давления в разных частях водного бассейна. Во время сейш после прекращения действия внешней силы вся масса воды бассейна приходит в колебательное движение. Амплитуды сейш наблюдаются от нескольких сантиметров до двух метров, период от нескольких десятков минут до целых суток. В Женевском озере – амплитуда до 200 см, период до 73 мин.; в Азовском море – 80 см, период 23 ч.; в Балтийском море – 7-8 см, период – 20 мин.

Приливы и отливы (сокращенно ливы) возникают от притяжения водной оболочки Земли Луной и Солнцем. В зависимости от положения данного пункта земли по отношению к равнодействующей Луны и Солнца два раза в сутки уровень моря достигает максимума (полная вода) и минимума (малая вода).

Величина ливов зависит от взаимного расположения Луны и Солнца по отношению к Земле (Рис.2.2, а): если они находятся на прямой линии (равнодействующая сила притяжения достигает наибольшей величины) образуются сизигийные ливы (кривая I на рис.2.2, б), т.е. приливы и отливы достигают наибольшего значения, если они под прямым углом наблюдаются квадратурные ливы (кривая II) с наименьшими значениями амплитуд. На величину ливов влияют также очертания и форма побережья, глубины, ветры, речной сток и др.

Приливно-отливные колебания в разных районах земного шара не равномерны. В открытом океане и в большинстве пунктах открытого побережья материков приливы не превышают 1,5 – 2 м. Однако, в вершинах длинных заливов и узких проливов эта величина значительна.

В заливе Фанзи (Северная Америка) самый значительный в мире прилив с амплитудой 18 м, в заливах Св. Матвея (Патагония) 9 – 12 м, в Мезенской губе (Белое море) – 11м, в Финском и Черном морях – 14-15 см.

Основной причиной изменения уровня на свободных реках является сезонные изменения расхода воды, хотя на ход уровней может оказывать влияние и естественные переформирования русла реки и ледовые заторы. В многолетнем периоде можно заметить существенное влияние деятельности людей на уровни воды. На реках, где интенсивно проводились выпрямительные и дноуглубительные работы, наблюдается снижение уровня воды, создающее затруднения в эксплуатации построенных ранее причалов.

На падение уровней могут оказывать влияние большие расходы воды, забираемой на орошение и водоснабжение.

В результате постройки каскада электростанций, характер колебаний уровня реки резко изменяется и определяется пропусками воды сверху, так и режимом работы ниже расположенной станции.

Для наблюдения за колебаниями уровня воды устанавливают водомерную линейку, либо автоматический водомерный прибор, передающий информацию на расстояние. По результатам наблюдений составляется кривая повторяемости и обеспеченности уровней.

В практике эксплуатации портов встречаются следующие характерные для данного пункта уровни воды:

1. самый высокий горизонт (СВГ)

2. самый низкий горизонт (СНГ)

3. ординар, т.е. средневзвешенный уровень из всех зарегистрированных за большое число лет

4. нуль глубин, т.е. условный горизонт, который в морях с приливами принимают расположенным ниже (на 0,2 м) самого низкого теоретически исчисляемого сигийского отлива, в морях с небольшими приливами за нуль глубин принимают ординар.

5. в некоторых портах введено понятие «отсчетный горизонт» (уровень черпания), который не соответствует ни ординару, ни нулевому уровню. Он объявляется управлением порта минимальной гарантированной глубиной для судоходства.

Так как режим колебания уровня в разных пунктах побережья различен, то их нулевые поверхности не лежат на одном уровне данного водоема; между ними устанавливают определенную связь, выраженную разностью их абсолютных отметок, которые определяют для каждого из нулевых горизонтов путем привязки их к регистрам общей нивелировочной сети страны, где за нуль принят средний многолетний уровень Балтийского моря в Кронштадте, которому соответствует нуль Кронштадтского футштока, наблюдения по нему ведутся более 100 лет. Кроме «Балтийской» существует «Тихоокеанская» система абсолютных отметок.

В связи с тем, что уровень моря по различным причинам подвержен колебаниям, достигающим иногда значительных размеров, существенное значение имеет выбор отсчетного уровня для назначения глубин, обеспечивающих судоходство на подходных каналах, в акваториях и непосредственно у причалов. Это требование можно удовлетворить, если в качестве отсчетного принять самый низкий уровень воды, наблюдавшийся за много лет. В таком случае объем дноуглубительных работ, и стоимость причальных сооружений значительно возросли бы. Это не оправдывается тем, что самый низкий уровень наблюдается крайне редко, т.е. имеет ничтожную повторяемость.

Поэтому отсчетный уровень выбирают исходя из критерия обеспеченности уровней. Обеспеченность какого-либо уровня выражается процентом повторяемости (или числа случаев) всех уровней выше данного. Так, обеспеченность 50% означает, что глубины, соответствующие этому уровню, из 100 случаев обеспечены 50 раз.

На основании ежегодных графиков колебаний уровня воды, составленных по данным суточных наблюдений, строят графики повторяемости и обеспеченности уровней.

Для построения графика повторяемости уровня, за рассматриваемый период делят на интервалы по высоте (5-10см). Число дней стояния уровня каждого интервала относят к числу дней периода (навигация, год) и вычисляют вероятность в %, его стояния в пределах каждой градации:

=

где t_i - промежуток времени, в течение которого значение уровня находилось в интервале от H_i до H_i+ Н;

Н – величина градации;

Т – продолжительность периода наблюдения и откладывают в виде ломаной линии.

Обеспеченность или вероятность превышения уровней определяют путем последовательного суммирования повторяемости каждой градации от максимума до минимума. При этом принимают, что полученные величины обеспеченности уровня соответствуют нижним значениям градаций. График повторяемости уровней строят в виде гистограммы, а обеспеченности - в виде интегрированной кривой (рис.2.3)

Согласно рекомендациям СНиП отcчетные уровни портовых и заводских и подходных каналов для приливных и неприливных морей назначают с обеспеченностью 90-98%. При этом более высокий процент соответствует интенсивному судообороту глубокосидящих судов.

Волнение имеет существенное значение для эксплуатационной деятельности порта и судоходства. Основными причинами образования волн являются ветры, сейсмические и вулканические воздействия, приливно-отливные факторы, волны, возникающие во время паводков, при движении судов и т.д.

Для портов и судоходства наибольший интерес представляют ветровые волны. Исследованию морского волнения уделяется серьезное внимание. Излагаемые основные представления о волнении несколько схематичны и в настоящее время уточняются.

Ветровые волны делятся на вынужденные, свободные и смешанные. Различают нерегулярные (элементы изменяются случайным образом), и регулярные волны (высота и период в данной точке остаются неизменными).

Вынужденные волны – волны, находящиеся при непрерывном воздействии ветра.

Свободные волны (зыбь) – волны, распространяющиеся после прекращения ветра или вышедшие из зоны его действия. Они имеют двухмерный характер и симметричные очертания профиля.

Смешанные волны – волны, представляющие собой результат сложения вынужденных и свободных волн.

Вершина волны – самая высокая точка гребня волны, подошва волны – самая низкая точка впадины волны (рис. 2.4). Часть волны, расположенная выше статического уровня, называется гребнем волны, а ниже – ложбиной. Под средней волновой линией понимается горизонтальная линия, делящая высоту волны пополам. Средняя волновая линия не совпадает со статическим уровнем моря (уровнем моря при прекращении волнений), а находится выше статического уровня на величину h₀, называемой возвышением средней волновой линии.

Основным элементов волны, кроме высоты волныh и длины волны λ, является период волны τ, т.е. промежуток времени, в течение которого форма волны перемещается по горизонтали на расстояние, равное ее длине.

Скорость распространения волны равна ; а крутизна волны равна ;

Процесс возникновения и развития ветровых волн весьма сложен. Поток воздуха, воздействуя на гладкую водную поверхность, вызывает неравномерное распределение атмосферного давления вблизи поверхности воды и приводит к нарушению равновесия сил поверхностного натяжения. В результате на поверхности воды возникает мельчайшие неровности, которые при нарастании ветра до 1 м/с приобретают характер капиллярных волн, называемых рябью.

По мере усиления действия ветра элементы волны увеличиваются и главную роль в волнообразовании начинают играть силы тяжести, т.е. из капиллярных волн превращаются в гравитационные. Волны становятся несимметричными, приобретая ветровой профиль, характеризуемый пологим задним склоном и крутым передним.

При дальнейшем увеличении скорости ветра гребни волны разрываются на отдельные бугры («холмы») и впадины и таким образом двумерные становятся трехмерными (пространственными). Направление волн становится неопределенным. В случае прекращения действия ветра волны, обладающие меньшей энергией, быстро затухают. На поверхности моря остаются основные двухмерные волны зыби, сохраняющиеся довольно долго благодаря действию сил тяжести и энергии.

Волны зыби, как и вынужденные и смешанные волны, являются поступательными волнами (бегущими), характеризующиеся перемещением гребня волны в отличие от стоячих волн, где форма волны не перемещается.

Приближаясь к берегу в условиях постепенного уменьшения глубин, волна пересекает четыре характерные зоны: глубоководную, мелководную, прибойную и приурезную, в каждой из которых резко изменяется поведение волн и их элементы (рис. 2.5, а, б, в и г соответственно).

В глубоководной зоне (Н/ ) дно практически не влияет на характер волнового движения. Профиль волны при сравнительно небольшом ветре имеет форму трохоиды. Колебание частиц жидкости совершается по кривым, близким к окружности радиусом, быстро уменьшающимся с глубиной (рис. 2.5 а). Элементы волн развиваются под действием главных волнообразующих факторов: скорости ветра, непрерывной продолжительности его действия и разгона волны (протяженность водной поверхности, на которой действует ветер). Чем выше эти значения, тем больше высота и длина волн.

В мелководной зоне траектория частиц жидкости под влиянием днаискажаются, превращаясь из окружности в эллипс (рис. 2.5 б). Эллипс уменьшается по высоте, превращаясь у дна в отрезок прямой линии. Ассиметричность волны усиливается. На элементы волны здесь влияет не только глубина воды, но и крутизна дна. При горизонтальном или пологом дне высота и длина волн непрерывно возрастают под действием волнообразующих факторов, что и в глубоководной зоне. Однако, чем меньше глубина водоема, тем слабее и раньше прекращается влияние этих факторов.

В прибойной зоне, начинающейся с критической глубины H_кр, при которой происходит первое забуривание волны, эллиптическое орбитальное движение частиц сменяется петлеобразным движением, вызывающим явно выраженное поступательное перемещение масс воды в направлении распространения волны (см. рис. 2.5 в). Волна резко ассиметричной формы и постоянно несет на себе бурун, или неоднократно обрушивается. Высота и длина волны после каждого обрушения соответственно уменьшается.

В приурезной зоне после последнего обрушения волны масса воды вкатывается по береговому откосу и откатывается обратно к урезу, чем и завершается получение волновой энергии (см. рис. 2.5 г).

Внешние оградительные сооружения портов обычно размещаются во второй зоне и реже в первой и третьей. Берегоукрепительные сооружения, как правило, попадают в четвертую и третью зоны.

Вблизи побережья не только изменяются элементы волны, ее профиль, но и происходит поворот ее фронта. Это явление называется рефракцией. Фронтом называется линия, проведенная вдоль гребня данной волны. Нормальные к фронту линии называются лучами (рис. 2.6).

Рис.2.6. Рефракция волн у берега:

а – прямолинейного; б – выпуклого; в – вогнутого

Даже при наилучшем расположении внешних оградительных сооружений в ворота порта проникает волна той или иной высоты (рис. 2.7). При удачной планировке ограждений высота волны на акватории уменьшается. Это явление называется дифракцией. Её физический смысл заключается в том, что энергия волнового движения, приходящаяся на участке фронта волны, равный ширине ворот, распределяется на более широкий фронт, а поэтому на единицу ширины приходится меньшее количество волновой энергии. Это сопровождается уменьшением высоты волны, скорости ее распространения и пр. Кроме того, волна затухает и потому, что происходит гашение ее энергии на границах водной среды (у дна, у стенок оградительных и причальных сооружений).

Рис.2.7. Дифракция волн на акватории порта

Высота волн зависит в основном от размеров, глубины и ветрового режима водоемов. По данным наблюдений, высота волн в океане в отдельных, редких случаях достигает 15, 20, 30 м и более, но чаще всего составляет 8-10м с периодами 8-10с при длине 150-200м и иногда 600-800м.

Сейсмические волны цунами возникают вследствие подводных толчков или вулканических воздействий и отличаются значительной длиной. Высота их в океане сравнительно невелика, а у берегов иногда достигает 40м при значительной скорости распространения (20 м/с). Они могут разрушать береговые сооружения, хотя для судов в открытом море серьезной опасности не представляют.

Приливные волны наблюдаются в строго определенные сроки, форма их движения поступательная.

Течения. Скорости течения и их направления на свободных реках зависит в основном от уклона реки, изменения уровня воды, плановой формы русла и распределения глубин.

В меженный период в изогнутых плесовых лощинах на прямоструйное течение, обусловленное уклоном реки, накладывается циркуляционное, возникающее под действием центробежных сил. В результате течение приобретает винтообразный характер, причем в поверхностных слоях струи прижимаются в сторону вогнутого берега. Это сбойное течение может создавать серьезные затруднения для движения и швартовки судов.

Скорости течения в меженный период на перекатах значительно больше, чем на плесовых (0,5 – 1,0 м/с) и достигает до 2м/с.

С подъемом воды в половодье распределение скоростей и направления резко изменяются. Скорости воды по динамической оси потока нередко достигают 3-5 м/с, что может привести к резкому переформированию русла.

При строительстве русловых портов на свободных реках следует по возможности не нарушать естественного режима реки устройством выступающих в русло сооружений. Образующиеся в зоне выступающих частей сооружений местные вращательные течения могут быть опасны как для судов, так и для самих сооружений – возможен размыв оснований.

Морские течения образуются ветрами, приливно-отливными явлениями, разницей в температуре, плотности и солености воды и разностью широт различных точек моря. Рельеф дна и конфигурация берега существенно влияет на характер морских течений. Для портостроения наибольшее практическое значение имеют ветро - волновые и приливные течения.

По продолжительности различают постоянные, периодические и временные течения.

К постоянным относятся течения Гольфстрим, Куро-Сиво, Северо-Атлантическое и др. Они обусловлены постоянной разницей плотности воды в различных частях океана.

Периодические течения образуются вследствие приливно-отливных явлений. Вблизи берега они знакопеременные: при приливе – в сторону берега, при отливе – наоборот. В открытом море они почти незаметны. Однако, в проливах, бухтах и устьях рек скорость их достигает 3м/с и более.

К временным относятся течения, вызванные ветровым воздействием, а также действием волнений у берегов, сопровождающимся нагоном воды.

Форма и рельеф берега и дна моря во многом определяют направление и скорость течения, содержания в них взвешенных наносов. В открытом море на направление ветровых течений заметное влияние оказывает вращение Земли, вследствие чего водные массы в северном полушарии отклоняются вправо, а в южном – влево. Этим объясняется направление Гольфстрима – от экватора на северо-восток. Тщательное изучение течений в районе побережья, примыкающего к порту, имеет существенное значение для правильного расположения в плане морских гидротехнических сооружений, трасс подходных каналов, борьбы с заносимостью и т.д.