Усі книги і методички

Плоские прямоугольные координаты применяются в гидрографии преимущественно при производстве детальных работ. Ось абсцисс X в этом случае располагается в плоскости осевого меридиана. Положительные значения X считаются к северу от начала координат. Ось ординат Y располагается перпендикулярно оси абсцисс и считается положительной к востоку от начала координат. Начало координат находится в точке пересечения осевого меридиана с экватором.

Система геоцентрических координат относится к эллипсоиду и применяется для решения некоторых задач математической картографии.

Здесь одной из координат остается сфероидическая долгота λ, а в качестве другой используют геоцентрическую широту φ'.

Геоцентрической широтой φ' называют угол между плоскостью экватора и прямой, соединяющей центр земного эллипсоида с определяемой точкой.

Разность (φ - φ') между сфероидической и геоцентрической широтами максимальна в широте 45°, где она достигает 11,5'.

Система полярных координат оказывается весьма удобной при изучении некоторых картографических проекций и широко используется для вычисления координат при различных способах определения места. Положение точки сферической поверхности в этой системе координат определяется азимутом и сферическим радиусом.

§ 14. БЕРЕГОВЫЕ ПУНКТЫ ПЛАНОВОЙ ОСНОВЫ

Для обозначения береговых опорных пунктов на местности обычно служат простые сооружения, состоящие из наружного знака и заложенного под ним центра. Центр закладывается для закрепления и долговременного сохранения опорного пункта.

В качестве наружных знаков над опорными пунктами строят простые пирамиды, простые сигналы, щиты, призмы, гурии и вехи.

Простая пирамида - наиболее употребляемый вид знака. Используются трехгранные и четырехгранные пирамиды высотой от 5 до 10м. Сторона основания пирамиды при мягком грунте берется равной 0,25 - 0,30 высоты.

Простой сигнал - сооружение, состоящее из двух изолированных друг от друга пирамид: внутренней для инструмента и наружной с площадкой для наблюдателя.

Щит - знак, состоящий из решетки, сделанной из тонких досок, укрепленных на двух боковых столбах. Столбы закапываются в землю на глубину 1 - 1,5м и каждый из них поддерживается наклонными подпорками.

Призма - знак, состоящий из двух щитов, которые соединены общим ребром, выступающим в сторону моря.

Гурий - сооружение правильной геометрической формы, сложенное на берегу из камней; применяется в гористой и каменистой местности; для лучшей видимости гурий окрашивают, подбирая цвет, заметный на окружающем фоне.

Веха представляет собой вертикальный шест с топовой фигурой из накрашенных досок или фанеры. Шест закапывается вертикально в почву или крепится к деревьям или строениям.

Удержание знаков над центрами геодезических пунктов осуществляется с помощью якорных устройств. В качестве якорных устройств применяются специальные конструкции, позволяющие надежно закреплять центры в донных грунтах. Для установки пунктов выбирают места, отвечающие определенным требованиям:

—район установки должен быть сейсмически спокойным и находиться вне зоны разломов земной коры;

—донный грунт должен состоять из гальки или песка;

—уклоны дна не должны превышать 0,2 - 0,3°;

—район установки должен находиться вне зоны сильных придонных течений и мутьевых потоков.

В качестве надводных пунктов часто используют буровые вышки, стационарные платформы, плавучие средства (суда, буи, вехи), надежно стоящие на якорях.

Основным элементом конструкции пунктов, устанавливаемых на дне, является акустическая визирная цель. Она предназначена для надежного обнаружения подводного знака, его распознавания и обеспечения измерений, необходимых при определении координат гидрографических судов или глубоководных аппаратов. Подводные знаки могут быть пассивные и активные.

На пассивных знаках визирные цели представляют собой поверхности, способные в максимальной степени отражать излучаемые судовой аппаратурой акустические колебания. Конструктивно такие отражатели могут представлять собой сферические, цилиндрические, прямоугольные или треугольные поверхности, выполненные из твердых материалов. Интенсивность отраженного сигнала зависит от интенсивности приходящего импульса, размера и формы поверхности отражателя, материала, из которого он сделан. Обнаружение пассивного знака возможно, если отражение акустических сигналов его поверхностью заметно отличается от отражательных свойств морского дна. Пассивные знаки имеют малую дальность действия и поэтому находят ограниченное применение лишь на морских геодезических пунктах, устанавливаемых на небольших глубинах в шельфовой зоне.

На активных знаках в качестве визирной цели используются гидроакустические устройства, способные излучать акустические сигналы такой мощности, которая обеспечивает надежный прием на судне. По принципу действия активные знаки делят на маяки-ответчики (МО) и маяки-пингеры (МП).

При оборудовании знаков маяками-ответчиками судно посылает запросный гидроакустический импульс. Сразу же после принятия этого импульса донный маяк излучает ответный сигнал. Таким образом, маяки-ответчики позволяют измерять наклонные расстояния до знаков по интервалу времени между моментами излучения запросного и приема ответного сигнала на судне.

Маяки-пингеры излучают акустические импульсы по заданной программе и позволяют определять расстояния путем фиксирования моментов приема сигнала на судне при условии отсчета в системе единого времени. Направления на знаки обоих типов могут быть определены пеленгованием сигналов, приходящих от маяка, с помощью направленных судовых гидролокационных антенн или по времени приема

этих сигналов на пространственно разнесенные судовые приемники.

Наибольшее применение для оборудования морских геодезических пунктов в нашей стране и за рубежом получили маяки-ответчики.

Ранее мы отмечали, что геодезические сети в море из-за небольшой дальности действия гидроакустических средств не имеют внутренней связи. Следовательно, для обеспечения надежной плановой привязки необходимо, чтобы геодезический пункт состоял из нескольких знаков, разнесенных на такие расстояния, при которых в любой точке рабочей зоны их можно было наблюдать совместно.

Наибольшее распространение получили морские геодезические пункты, состоящие из трех знаков, расположенных в вершинах равностороннего треугольника. Учитывая условия распространения гидроакустических колебаний и стремясь обеспечить наибольшую площадь рабочей зоны, расстояния между знаками следует назначать в пределах 0,3 - 0,5 дальности их действия.

Отечественная навигационная гидроакустическая система СНП-20 позволяет, в зависимости от условий и требуемой точности геодезической привязки, использовать один или три маяка-ответчика в качестве знаков геодезического пункта. Она может быть использована на глубинах от 100 до 6000м и при наклонной дальности до 8км обеспечивает привязку к геодезическим пунктам со средней квадратической погрешностью не более 70м.

По длительности использования морские геодезические пункты могут быть постоянными или временными.

Временные пункты устанавливают только на период работ в данном районе. После окончания гидрографических работ подводные знаки извлекаются и перемещаются на новые пункты. Постоянные пункты предназначены для длительного использования и входят в состав опорной геодезической сети. Знаки таких пунктов должны снабжаться источниками питания, способными обеспечивать работу гидроакустической аппаратуры в течение десятков лет.

Глава 4

ВЫСОТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ГИДРОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ. ПРИВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕННЫХ ГЛУБИН

КНУЛЮ ГЛУБИН

§16. ЗАДАЧИ И СОДЕРЖАНИЕ ВЫСОТНОГО ОБОСНОВАНИЯ

1.Основные понятия и определения

При съемке рельефа необходимо определять не только плановое, по и высотное положение точек земной поверхности. Высота какой-либо точки, отсчитываемая от принятого нуля высот по нормали к референц-эллипсоиду, называется абсолютной. В

СССР за нуль для отсчета абсолютных высот принят нуль Кронштадтского футштока, а сама эта система счета высот называется Балтийской. Нуль Кронштадтского футштока - это уровень, соответствующий среднему многолетнему

уровню за период 1825 - 1940гг. по наблюдениям на вековом уроненном посту в г. Кронштадте. Положение этого уровня закреплено горизонтальной чертой на медной пластине, вделанной в гранитный устой моста через Обводный канал.

При съемке рельефа прибрежной полосы высоты рельефа суши отсчитываются и показываются на морских картах в Балтийской системе высот.

Съемка рельефа дна имеет свои особенности, так как его изображение на морских картах базируется на использовании глубин, измеренных в пределах изучаемой акватории. Глубины представляют собой расстояния по вертикали от поверхности воды до дна. Известно, что поверхность моря под влиянием различных причин находится в непрерывном движении и в каждый конкретный момент характеризуется сложным рельефом.

Непрерывное колебание поверхности океанов и морей есть результат воздействия целого ряда взаимосвязанных, закономерных, но вместе с тем трудно учитываемых процессов, происходящих в космосе, атмосфере, гидросфере и в твердой оболочке нашей планеты. Колебания поверхности моря, вызываемые указанными процессами, целесообразно в практическом смысле разделить на вековые, периодические, непериодические и быстротечные.

Вековые колебания проявляются в медленном и длительном повышении или понижении уровня океана. Причинами таких процессов являются или изменения количества воды в океане (эвстатические колебания), или изменения объема океанических впадин под влиянием эндогенных факторов (геократические колебания).

Исследованиями древних береговых линий установлено, что 17тысяч лет назад уровень Мирового океана был ниже современного примерно на 100м. Это связано с консервацией воды в материковых льдах. В межледниковые периоды уровень поднимался выше современного до 30м.

Анализ среднегодовых уровней, проведенный на базе продолжительных измерений на 247 постах, расположенных в различных пунктах Мирового океана, показал, что за последние 40 лет наблюдается общий подъем поверхности океана со скоростью около 3мм в год, главным, образом, за счет таяния ЗападноАнтарктического ледникового щита.

Периодические колебания уровня связаны с астрономическими силами и обнаруживаются в явлениях приливов. Приливные колебания свойственны всем акваториям, но в различной степени, и характеризуются величиной прилива - разностью высот полной и смежной с ней малой воды.

Величина приливов в открытом океане составляет в среднем около 1м, а вблизи берегов изменяется в значительных пределах - от нескольких сантиметров до 20м. По величине приливов все моря разделяются на два типа: приливные и неприливные.

Приливными называются такие моря (акватории), на которых величина прилива составляет более 10см. Моря или их части, где величина прилива равна или менее

10см, относят к неприливным.

Непериодические колебания уровня вызываются гидрометеорологическими факторами: ветрами, течениями, атмосферным давлением, осадками, береговым стоком, таянием льдов, испарением, изменением плотности воды и рядом других

причин. Многие из указанных факторов имеют сезонный характер, однако суммарное изменение уровня в целом не обнаруживает устойчивой периодичности.

Наибольшее значение имеют сгонно-нагонные колебания, возникающие под воздействием циклонов или местных устойчивых ветров и вызывающие изменение уровня до трех и более метров. Пассатные и муссонные ветры имеют выраженный годовой ход и приводят к изменениям уровня, достигающим 1м. На отдельных акваториях заметное влияние оказывают свободные колебания уровня в виде стоячих волн, возникающих после воздействия внешних сил. Такие колебания называются

сейшевыми.

Быстротечные колебания уровня происходят под воздействием ветровых волн и зыби. Величина этих колебаний достигает значительных величин и в каждой точке приводит к быстрому и, применительно к съемке рельефа, хаотическому изменению поверхности моря.

Все названные выше причины ведут к непрерывному колебанию поверхности моря. Именно относительно этой поверхности и происходит измерение глубин при съемке рельефа дна. Естественно, для того, чтобы измеренные в разное время глубины можно было сравнивать между собой, необходимо в качестве отсчетного горизонта выбрать какой-либо постоянный уровень моря.

Уровнем моря называют высоту поверхности моря (океана), свободную от влияния ветровых волн и зыби, измеряемую относительно условного горизонта. Поверхность морей и океанов, нормальная к направлению силы тяжести, получила название уровенной поверхности. Следовательно, все возмущающие факторы здесь исключены и за уровенную поверхность принята поверхность геоида. Производная потенциала силы тяжести вдоль этой поверхности равна нулю. Таким образом, уровенная поверхность является эквипотенциальной. Определение реальной поверхности геоида является одной из важнейших задач высшей геодезии и осуществляется по результатам гравиметрических съемок, по наблюдениям искусственных спутников Земли и с помощью спутниковой альтиметрии.

Высоты точек относительно геоида называются ортометрическими высотами. Определение ортометрических высот возможно только в том случае, если известно распределение масс внутри Земли. Поэтому в СССР вместо ортометрических используется система нормальных высот.

Нормальной высотой называется величина, численно равная отношению геопотенциальной величины в данной точке к среднему значению нормальной силы тяжести Земли по отрезку, отложенному от поверхности земного эллипсоида. Напомним, что под геопотенциальной величиной понимается разность значений потенциала силы тяжести в данной точке реальной земной поверхности и на поверхности геоида.

Геодезической высотой называют высоту точек относительно поверхности референц-эллипсоида. В отдельных случаях используется также понятие динамической высоты. Эта величина численно равна отношению геопотенциальной величины в данной точке к некоторому постоянному значению ускорения силы тяжести Земли.

Прикладной характер гидрографии и практические цели съемки подводного рельефа не требуют, чтобы в качестве отсчетной поверхности использовался геоид или референц-эллипсоид. В настоящее время все глубины, надписываемые на морских картах или используемые для создания цифровых моделей подводного рельефа, приводятся к условной уровенной поверхности, которая называется нулем глубин.

Между тем при производстве съемки измерение глубин осуществляется относительно реальной физической поверхности моря, высота которой непрерывно изменяется. Эту поверхность условились называв мгновенным уровнем.

Таким образом, приведение измеренных глубин к единой уровенной поверхности может быть осуществлено, если получат решение следующие задачи:

—установлена и зафиксирована такая постоянная уровенная поверхность, относительно которой должен вестись отсчет глубин, надписываемых на морских картах, т.е. если установлен нуль глубин;

—в период работ непрерывно фиксируется положение мгновенного уровня;

—определены поправки к измеренным глубинам за разность в высотах мгновенного уровня и нуля глубин.

2. Нули глубин Для рационального выбора уровенной поверхности, соответствующей; нулю

глубин, необходимо определить требования, которым ока должна соответствовать. По мере развития мореплавания и различных отраслей экономики, связанных с морем, а также в процессе совершенствования методов гидрографических исследований эти требования претерпевали заметные изменения и в настоящее время их можно сформулировать следующим образом:

—определение понятия нуль глубин должно быть четким, исключающим ошибочные представления о его свойствах и количественных характеристиках;

—поверхность нуля глубин должна выбираться по единому физическому смыслу для всех морей;

—желательно, чтобы нули глубин были постоянными по высоте {параллельны поверхности геоида) в пределах географически обособленных акваторий;

—использование принятого нуля глубин должно в максимально возможной степени обеспечивать безопасность мореплавания. Понижения уровня моря ниже нуля глубин по величине и продолжительности должны быть незначительными;

—обеспечивая безопасность судоходства, нули глубин не должны исключать возможность плавания в районах с малыми глубинами;

—карты и другие картографические материалы, составленные с использованием принятого нуля глубин, должны быть пригодными для решения различных народнохозяйственных задач на побережье и в море;

—карты, картографические и описательные материалы, таблицы приливов, а также другие пособия, где используются глубины, должны составляться на основе установленного для данного района единого нуля глубин;

—глубина, измеренная в любой точке акватории и в любой момент, должна простыми приемами приводиться к нулю глубин карты;

—карты, составленные с использованием нулей глубин, имеющих различную абсолютную высоту, должны легко приводиться к единому нулю глубин;

—способы определения нуля глубин должны быть простыми и обеспечивать при этом высокую точность получения его высотной отметки;

—формы подводного рельефа после приведения результатов съемки к нулю глубин должны оставаться неискаженными.

Большинству из перечисленных требований отвечает средний многолетний уровень, однако наиболее важное из них - безопасность мореплавания - он не обеспечивает и в силу этого не может приниматься в качестве нуля глубин для всех акваторий. В целом же названные требования не только многоплановы, но по отдельным элементам даже противоречивы. Именно в силу этих причин не выработаны международные стандарты по определению нуля глубин морских карт, а поиск оптимального решения продолжается и в нашей стране, и за рубежом.

На картах, издаваемых гидрографической службой нашей страны, в настоящее время в качестве нуля глубин приняты:

—на неприливных морях - средний многолетний уровень (СМУ);

—на приливных морях - наинизший уровень, возможный по астрономическим причинам, который называют наинизшим теоретическим уровнем (НТУ).

К приливным морям здесь относятся такие, на которых средняя величина прилива равна или более 50 см. Все остальные моря и акватории относят к неприливным. Для Северного морского пути и Каспийского моря нули глубин устанавливаются специальными документами.

Мотивы, по которым указанные уровни были приняты в качестве нуля глубин, состоят в следующем.

На неприливных морях колебания уровня, вызываемые гидрометеорологическими факторами, как правило, кратковременны и незначительны. Следовательно, указанные на карте глубины будут в большинстве случаев соответствовать действительности, так как средний уровень моря является наиболее вероятным.

На приливных морях глубины приводятся к наинизшему теоретическому уровню, рассчитанному исходя из действия приливообразующих сил Луны и Солнца. Следовательно, мореплаватель, выбирая путь корабля, будет знать, какие наименьшие глубины он может встретить в самую малую воду. Это позволяет пользоваться картой даже при отсутствии таблиц приливов и, кроме того, упрощает применение этих таблиц, поскольку поправки глубин на карте всегда будут положительны.

Заметим, что в Германской Демократической Республике, ФРГ, Аргентине, Дании, Италии и ряде других стран за нуль глубин для морей с приливами принимается средний уровень малой сизигийной воды; во Франции, Бразилии, Испании, Португалии - наинизший уровень малой сизигийной воды; в США, Швеции, Голландии - средний уровень из всех малых вод и т.п. Следовательно, и в этих странах для морей с приливами в качестве нуля глубин принимают уровни, близкие к теоретическому.

Нетрудно убедиться, что указанные нули глубин не удовлетворяют многим из

перечисленных ранее требований: нет единства для приливных и неприливных морей; не гарантируется равная безопасность плавания на этих морях; игнорируются значительные по величине непериодические колебания уровня; сложны расчеты уровней на приливных морях; не всегда обеспечивается возможность использования таблиц приливов для уточнения глубин в заданный момент; возможны искажения рельефа при составлении карт.

Поэтому на некоторых морях вводят дополнительные поправки в высоты нуля глубин и принимают другие меры для обеспечения безопасности мореплавания. Так, в связи с тем, что при расчете нулей глубин не учитываются кратковременные колебания уровня по метеорологическим причинам, а при расчете наинизшего теоретического уровня (НТУ) не учитывается также влияние стока вод в устьевых участках рек, в некоторых портах, расположенных в мелководных районах, применяется так называемый нуль глубин порта. Нуль глубин порта определяется так, чтобы, с одной стороны, обеспечить безопасность мореплавания, а с другой - не нанести ущерба эксплуатационной экономике.

Там, где приняты нули глубин порта, на морских картах даются специальные примечания, а в лоциях содержатся указания о принятом нуле глубин и возможных средних и предельных колебаниях уровня по причинам метеорологического характера. В некоторых портах по данным наблюдений за колебаниями уровня моря вычисляются действительные глубины на лимитирующих участках подходных каналов (фарватеров), которые сообщают на входящие и выходящие корабли.

3. Наблюдения за колебаниями уровня моря Наблюдаемые в море колебания уровня отражают результат одновременного

влияния всех перечисленных выше процессов и поэтому их называют суммарными. Суммарный уровень изменяется во времени и в пространстве, и поэтому надежная и полная его оценка может быть получена лишь на основе непосредственных наблюдений в районе производства съемки рельефа.

Наблюдения над уровнем моря ведутся в разветвленной сети пунктов.

Место наблюдений, оборудованное устройствами для регистрации уровня, называется уровенным постом (УП). По месту расположения измерительной аппаратуры уровенные посты могут быть береговыми, островными, на припайном льду и морскими. По назначению различают постоянные, дополнительные и временные уровенные посты.

Постоянные уровенные посты - это фундаментальные устройства, предназначенные для непрерывного длительного наблюдения над уровнем. Они предназначены для определения среднего многолетнего уровня моря и нуля глубин с высокой точностью и надежностью, а также для определения поправок к измеренным глубинам в пределах зоны действия. В качестве постоянных уровенных постов используются преимущественно установки гидрометеорологических станций.

У нас в стране первые регулярные наблюдения и регистрация уровня моря были начаты в 1703г. в Кронштадте.

Дополнительные уровенные посты устанавливают в таких районах, которые в

силу изменчивости колебаний уровня не могут быть обеспечены уровенными наблюдениями постоянных постов. Здесь положение среднего уровня моря и нуля глубин устанавливается также на основе непосредственных измерений, но точность их определения ниже и удовлетворяет лишь конкретные практические задачи.

Временные посты служат только для приведения измеренных глубин к принятому нулю на удаленных участках съемки и устанавливаются, как правило, лишь на период съемочных работ.

На уровенных постах измерение высоты уровня должно производиться относительно неизменного за весь период наблюдений условного горизонта, называемого нулем поста. Понятно, что такой нуль должен назначаться ниже уровня самой малой воды на данном участке и надежно закрепляться береговыми реперами.

На уровенных постах гидрометеослужбы высота уровня моря регистрируется относительно так называемого единого нуля постов моря. За единый нуль постов на морях СССР, имеющих связь с океанами, принят горизонт, лежащий на 5000мм ниже нуля Кронштадтского футштока.

На всех уровенных постах устанавливается по два репера: основной и рабочий. Основной репер служит для закрепления на местности на длительный срок

высотного положения нуля глубин, а также для контроля неизменности высотного положения постовых устройств. Такими реперами могут служить реперы и марки государственной нивелирной сети, расположенные в районе установки уровенного поста.

Связь основного репера уровенного поста с реперами государственной опорной сети осуществляется двойным ходом IV класса при длине хода до 3км и двойным ходом III класса при длине хода от 3 до 10км.

Рабочий репер служит для повседневного контроля высотного положения постовых устройств и нуля поста. Поэтому рабочий репер закладывается вблизи от постовых устройств и должен сохранять высотное положение неизменным не менее 2 - 3 лет.

Связь рабочего репера с основным производится в начале и в конце работ проложением двойных нивелирных ходов IV класса. Привязка постовых устройств и нуля поста к рабочему реперу производится двойным нивелирным ходом IV класса при установке поста, после окончания наблюдений на посту, а также в период наблюдений после штормовой погоды, ледохода, ледостава и в других случаях, когда возникает сомнение в неподвижности уровенной рейки или сваи.

Совокупность марок и реперов государственной нивелирной сети, а также реперов основных, дополнительных и временных уровенных постов, на которых определено положение нуля глубин, составляет высотную основу гидрографических исследований.

Отметим основные требования к месту установки уроненного поста:

—нуль поста (рейки) не должен осыхать в малую воду;

—место установки должно иметь свободное сообщение с морем;

—пост должен быть по возможности защищен от волнения;

—должна быть возможность производить отсчеты непосредственно с берега