Естественный режим морских побережий и устьевых участков рек и его влияние на устройство и эксплуатацию портов и водных путей собщений

Транспортные узлы, связывающие водный и сухопутный виды транспорта - порты - размещаются на речных и морских побе­режьях, где соприкасаются все три среды - атмосфера, вода и су­ша. Соответственно этому основные природные факторы можно подразделить на три группы: метеорологические, гидрологические и геологические.

К метеорологическим и климатическим факторам относятся все явления, происходящие в атмосфере, причем наибольшее зна­чение для портостроения имеют ветры, температуры воздуха и воды, осадки и туманы. Важнейшие гидрологические факто­ры - колебания уровней воды, волнение, течения и ледовый режим.

Помимо основных геологических и геоморфологических фак­торов – геологического строения района, изменяемости берегов и дна, движения наносов и свойств грунтов - большое, а иногда и решающее, значение оказывает и топография района.

Для решения ряда вопросов портостроения важно знать уров­ни грунтовых вод, химический состав воды и жизнедеятельность водных живых организмов.

Совокупность всех природных факторов в данном районе объ­единяется понятием естественный режим побережья. Для того чтобы при наименьших капитальных вложениях на строительство порта получить наибольший экономический эффект, а также пра­вильно скомпоновать план порта и принять наиболее рациональ­ные конструкции, обеспечивающие бесперебойную работу всех элементов порта, необходимо тщательное изучение всех фак­торов естественного режима. Более того, в результате строитель­ства порта нарушается естественный режим побережья, где до этого взаимное воздействие природных факторов привело к дина­мическому равновесию, и нужно заранее прогнозировать возмож­ные последствия этого вмешательства. Практика портостроения насчитывает немало случаев, когда недостаточная изученность отдельных факторов и ошибки в их количественной оценке явля­лись причиной серьезных аварий сооружений и нарушений нор­мальной работы портов.

Недооценка или недостаточная изученность природных факторов часто приводит к излишним затратам или даже крупным авариям. Так, порт Цеара в Бразилии через 17 лет эксплуатации был полно­стью занесен береговыми наносами и прекратил существование. При­чина - недооценка режима наносов прилегающего побережья. Мол Мустафа, построенный в Алжире, через три года после завершения строительства при сильном волнении был разрушен в результате раз­мыва основания. Аварии наблюдались и в других портах Средизем­ного моря (Валенсия, Генуя и др.) также из-за недооценки волнового воздействия. Описанные в литературе многочисленные аварии пор­товых гидротехнических сооружений из-за переоценки строительных свойств грунтов основания подтверждают, что для рационального стро­ительства и эффективной эксплуатации портов первостепенное значе­ние имеет тщательное изучение элементов естественного режима.

Элементы естественного режима морских побережий и устьевых участков рек.

Из всех метеорологических факторов наибольшее значение для портостроения, эксплуатации портов и судоходства имеют: ветер, туманы, осадки, влажность и температура воздуха, температура воды.

Ветер. Ветровой режим характеризуется направлением, ско­ростью, продолжительностью и повторяемостью. Знание ветрово­го режима особенно важно при строительстве портов на морях и водохранилищах. От ветра зависят направление и интенсивность волнения, которые определяют компоновку внешних устройств порта, их конструкцию и направление водных подходов к порту. Господствующее направление ветра должно также учитываться при взаимном расположении причалов с разными грузами.

Температура воздуха и воды. Температуру воздуха и воды из­меряют на гидрометеостанциях в те же сроки, что и параметры ветра. Данные измерений оформляют в виде годовых графиков хода температуры. Основное значение этих данных для порто­строения состоит в том, что они определяют сроки замерзания и вскрытия бассейна, от чего зависит длительность навигации.

Туманы. Туманы возникают в тех случаях, когда упругость водяного пара в атмосфере достигает упругости насыщенного па­ра. В этом случае водяной пар конденсируется на частицах пыли или поваренной соли (на морях и океанах) и эти скопления в воз­духе мельчайших капель воды образуют туман. Несмотря на раз­витие радиолокации, движение су­дов в тумане все же ограничено, а при очень густом тумане, когда уже на расстоянии нескольких де­сятков метров не видны даже круп­ные предметы, иногда приходится прекращать и перегрузочные ра­боты в портах. В речных условиях туманы довольно кратковременны и быстро рассеиваются, а в некото­рых морских портах они бывают затяжными и держатся неделями. Исключительным в этом отно­шении является о. Ньюфаундленд, в районе которого летние тума­ны иногда держатся 20 дней и более. В некоторых отечественных морских портах на Балтийском и Черном морях, а также на Даль­нем Востоке в году бывает 60 - 80 дней с туманами.

Осадки. Атмосферные осадки в виде дождя и снега следует учитывать при проектировании причалов, на которых перегружа­ются грузы, боящиеся влаги. В этом случае необходимо предус­матривать специальные устройства, предохраняющие место пере­грузки от осадков, или при оценке расчетного суточного грузообо­рота учитывать неизбежные перерывы в работе причалов. При этом имеет значение не столько общее количество осадков, как число дней с осадками. В этом отношении одним из “неудачных” портов является Санкт-Петербургский, где при общем количестве осад­ков, около 470 мм в год, в отдельные годы бывает более 200 дней с осадками. Данные об осадках получают от Госметеослужбы РФ.

Гидрологические факторы. Колебания уровня воды. Эта важнейшая гидрологическая ха­рактеристика определяет не только высотные отметки территории порта и глубины на подходах и у причалов, но и форму крепления берега и конструкцию причальных сооружений. При значитель­ных амплитудах колебаний уровня на свободных реках становит­ся нерентабельным применение вертикального крепления берега и приходится переходить на менее удобное в эксплуатации откос­ное или полуоткосное.

Основной причиной изменения уровня на свободных реках яв­ляется сезонное изменение расхода воды, хотя на ход уровней мо­гут оказывать влияние и естественные переформирования русла реки и ледовые зажоры и заторы. В многолетнем периоде можно заметить существенное влияние деятельности людей на уровни во­ды. Так, на некоторых реках, где интенсивно проводились выправительные и дноуглубительные работы, замечается общее значи­тельное снижение уровней воды, создающее серьезные затрудне­ния в эксплуатации ранее построенных причалов.

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

С образованием водохранилищ, имеющих большое зеркало водной поверхности, на ход колебаний уровня воды начинает влиять ветер. При действии ветра на поверхность воды на значи­тельном протяжении, в результате трения между воздухом и во­дой, возникает сначала движение поверхностных частиц, которое затем, передаваясь на глубину, образует ветровое течение. Это те­чение способствует повышению уровня у наветренного берега— нагону, и понижению у подветренного - сгону. Амплитуды нагонов и стонов воды на водохранилищах могут в отдельных случаях достигать 1 м и больше.

Еще более значительное влияние ветровые нагоны и сгоны имеют у отмелых берегов морей, в длинных сужающихся заливах и устьях рек. Здесь амплитуды колебания уровня достигают иног­да 2 - 3 м. Так в устье Волги подъем воды при нагоне достигает 2 м, а понижение при сгоне - 1 м. В устье Дона - соответствен­но 2.5 и 2 м. В устье р. Невы неблагоприятное сочетание ветрово­го нагона с влиянием циклонов приводит к наводнениям, при которых уровень реки повышается более чем на 4 м.

У берегов открытых морей происходят приливно-отливные ко­лебания уровня под действием астрономических факторов. В от­личие от нагонов и сгонов воды, которые по существу случайны, приливы и отливы строго периодичны.

Приливы и отливы на Земле формируются главным образом под действием притяжения Луны и Солнца. Каждая час­тица водной оболочки Земли будет притягиваться Луной. Кроме того, на эту же частицу действуют центробежные си­лы от вращения Земли и Луны вокруг оси, проходящей через центр тяжести системы Земля—Луна. В результате сложения этих сил водная оболочка Земли должна деформиро­ваться. В каждой точке земной поверхности в период лунных суток, равных 24 ч 50 мин, дважды наступает прилив (полная вода) и дважды отлив (малая вода).

Так как приливообразующая сила прямо пропорцио­нальна массе и обратно пропор­циональна кубу расстояния, то нетрудно вычислить, что действие Солнца будет примерно в 2.4 ра­за слабее действия Луны. Когда Луна, Земля и Солнце находятся на одной пря­мой, приливообразующие силы Луны и Солнца складываются и высота прилива будет наиболь­шей. При квадратурах, когда угол между направлениями с Земли на Луну и Солнце близок к прямому (первая и последняя четвер­ти Луны), приливообразующие силы Луны и Солнца противо­действуют и высота прилива будет наименьшей.

Изложенная выше “астрономическая” схема приливных явле­ний в значительной степени корректируется “земными” причина­ми. На общую картину этих явлений накладывается прежде все­го влияние инерции водных масс, а различные глубины моря, рельеф дна и очертания берегов в еще большей степени искажа­ют правильный периодический характер приливов и отливов. Вре­мя запаздывания момента наступления полной воды по сравне­нию с моментом прохождения Луны через меридиан называется лунным промежутком. Средний лунный про­межуток называется прикладным часом порта.

Амплитуды приливно-отливных колебаний уровня воды в от­крытых морях и океанах невелики - 1.5-2.0 м. Однако около морских берегов, в местах значительного влияния дна и берегов, и в особенности в глубине сужающихся заливов, происходит зна­чительное усиление приливно-отливных явлений. Так, например, в заливе Фунди в Северной Америке амплитуда приливов и отли­вов достигает 15 м, у Атлантического берега Франции она изменяет­ся от 2 до 12 м, у английских берегов - от 7 до 11 м. В отечест­венных морях эта амплитуда характеризуется следующими величинами: у Мурманского побережья - 4.5 м, у горла Белого мо­ря - 5.5 м, в Мезенском заливе – 6-8 м, в Пенжинской губе Охотского моря - 11 м.

Во внутренних морях приливно-отливные явления выражены весьма слабо, в Балтийском, Черном и Каспийском морях при­ливная амплитуда измеряется всего несколькими сантиметрами.

Волнение. На поверхности любого водоема могут возникать и перемещаться волны. Причины возникновения волн различны, но главными можно считать землетрясения, силу притяжения Луны и Солнца и ветер. Землетрясения, эпицентр которых нахо­дится на дне океана, вызывают сейсмические волны, называемые цунами. Волны эти, почти незаметные для кораблей в открытом море, по мере приближения к берегу постепенно увеличиваются по высоте, и в результате на берег обрушиваются уже волны, высота которых может достигать десятков метров. Последствия воздействия таких волн катастрофичны. В 1896 г. действию цу­нами подверглась северо-восточная часть Японии. В вершинах заливов волны достигали высоты более 30 м, а на других уча­стках побережья, общей протяженностью около 320 км, высота волны была от 4 до 25 м. Волны цунами меньшей разрушительной силы возникают в различных точках земного шара ежегодно. Ввиду того, что от момента землетрясения до подхода цунами к берегу проходят часы, за по­следние годы в ряде стран, подверженных цунами, удалось на­ладить службу предупреждения. Поэтому, хотя эти волны по-прежнему производят опустошительные действия на берегах, число человеческих жертв сводится к минимуму. Ввиду случай­ной природы цунами ясно, что учет этих волн в инженерных рас­четах сооружений затруднителен и связан с большими затратами при строительстве.

Волны приливные в большинстве случаев проявляются лишь в виде медленного подъема и спада уровней. Наибольший интерес для портостроения представляют волны, возникающие под действием ветра. Размеры и характер ветровых волн зависят как от скорости ветра и его продолжительности, так и от протяженности водной поверхности, на которой ветер действует на воду. Поэтому на реках, если исключить устьевые участки крупнейших рек (Оби, Енисея, Лены и др.), волны не вызывают каких-либо затруднений для перегрузочных работ у причалов, а силовое воздействие волн на сооружения так мало, что его не учитывают. На крупных водохранилищах высота волн достигает 4 м, а у открытых берегов морей и океанов - 10 м и более. При отсутствии естественной защиты на водохранилищах и морях акватории портов приходится ограждать специальными сооружениями - молами и волноломами, которые подвергаются мощному силовому воздействию волн. Для правильной компонов­ки оградительных сооружений и выбора их конструкции необхо­димо знать как основные параметры волн, так и повторяемость волн по различным направлениям.

Расчеты по определению исходных параметров волн дают их средние значения: высоты Н, дли­ны L и периода Т. Для проекти­рования различных портовых объектов нужно знать высоты волн определенной обеспеченно­сти. Под обеспеченностью любо­го параметра волны в системе волн понимается выраженное в процентах количество волн, у ко­торых числовое значение пара­метра больше или равно, чем у остальных волн в ряду из 100 волн, проходящих непосредствен­но одна за другой через рас­сматриваемую точку акватории.

Большое значение для портостроения имеет дифракция волн - искривление лучей и изменение высоты бегущих волн, огиба­ющих препятствия, или проходящих через узкость. При прони­кании волн на акваторию порта волны распластыва­ются, а так как их гребни постепенно удлиняются, то высота волн довольно быстро уменьшается. На этом принципе основана за­щита акваторий портов от волнения при помощи оградительных сооружений. На акватории порта, кроме дифракции, может про­являться и рефракция волн под влиянием переменных глубин, кроме того, на волновой режим оказывает влияние отраже­ние волн от оградительных и причальных сооружений, а так­же рассеяние энергии волн на участках с малыми глуби­нами.

Течения. На свободных реках скорости течений и их направ­ления зависят от многих факторов, из которых важнейшими яв­ляются уклон реки, изменение уровня воды, плановая форма русла и распределение глубин.

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 основания. Кроме того, такое вмешатель­ство в жизнь руслового потока может привести к нежелательным явлениям на прилегающих участках русла реки. При эксплуата­ционных расчетах учитывают влияние скорости течения на дви­жение судов.

У морских побережий течения вызываются различными при­чинами: ветром, волнами, приливно-отливными явлениями, разни­цей в температуре, плотности и солености воды и, наконец, раз­ностью широт различных точек моря. Большое влияние на харак­тер морских течений оказывает рельеф дна и конфигурация бере­га. Наибольшее практическое значение для портостроения имеют ветро-волновые и приливные течения, а также компенсационные течения, возникающие близ берегов у естественных или искусст­венных препятствий.

При фронтальном действии ветра образуется нагон, дополняе­мый перемещением воды вследствие волнения. Скапливающиеся у берега массы воды в отдельных местах узкими потоками перио­дически прорывают поток, образуя течения с большими скоростя­ми. Если ветер действует под углом к линии берега, то образуют­ся течения вдоль берега, затухающие по мере прекращения штор­ма. Скорость таких течений достигает иногда 1 м/с и больше. Не представляя опасности для судоходства и сооружений, эти те­чения нередко являются причиной заносимости подходных кана­лов и акваторий портов.

Приливно-отливные течения, почти не заметные в море, могут достигать значительных скоростей в проливах и устьях рек. Такие явления происходят, например, в горле Белого моря и в устье ре­ки Мезени, где максимальные скорости достигают нескольких мет­ров в секунду.

Ледовый режим.

Реки и их различные участки, в зависимости от географического положения, замерзают в разные сроки. Про­должительность ледостава весьма различна - от нескольких дней до нескольких месяцев, а некоторые северные реки бывают покрыты льдом больше половины года. Желательно по возможности избегать участков берега, подвергающихся интенсивному воздей­ствию льда во время ледохода. При всех условиях необходимо знать уровни воды во время ледохода и учитывать опасную зону действия движущегося льда на сооружения. В отдельных случаях необходимо прибегать к устройству специальных льдозащитных сооружений, устраняющих или ослабляющих воздействие льда на основные причальные сооружения порта. Для устранения влияния термического воздействия льда на сооружения рекомендуется уст­ройство полыней. С этой целью используют специальные ледорезные машины или пневматические установки, стимулирующие тая­ние льда благодаря подъему глубинных более теплых масс воды.

Замерзание водохранилищ в зоне подпора ввиду отсутствия течений происходит в более ранние сроки, чем на участках свобод­ных рек; освобождение ото льда водохранилищ происходит с за­позданием. Разница в сроках нередко достигает 10 - 15 дней. Ле­доход отсутствует - лед тает на месте. Так же спокойно происхо­дит образование льда и у морских побережий. Можно лишь отме­тить, что замерзание морской воды вследствие ее солености про­исходит медленнее, чем пресной, а морской лед отличается боль­шей вязкостью и пластичностью.

Вскрытие и замерзание отдельных участков реки, в зависимо­сти от географического их положения, может происходить в сроки, отличающиеся до месяца (например, участки р. Волги у Астраха­ни и у Нижнего Новгорода). Неодновременно происходят эти явления и на различных участках у морского побережья. Даты конца весеннего ледохода и начала осеннего определяют физическую длительность навигации. К сожалению, физическая длительность навигации весьма подвержена изменениям, и поэтому для правильного выбо­ра расчетной ее величины необходимы данные многолетних на­блюдений. По этим данным составляют графики обеспеченности длительности навигации и по ним назначают расчетную длитель­ность, используемую в процессе проектирования портов. Чем боль­ше навигационный период, тем большее количество грузов может быть перевезено по водному пути.