Естественный режим морских и речных побережий и его влияние на устройство и эксплуатацию портов2.1. Общие сведения Порты размещаются на морских и речных побережьях, где соприкасаются три среды – атмосфера, вода и суша. Соответственно этому основные природные факторы можно разделить на три группы: метеорологические, гидрологические и геологические. Совокупность природных факторов, характерных для того или иного участка побережья, называются естественным режимом рассматриваемого участка побережья. Правильная оценка условий естественного режима побережий является главным фактором при проектировании, строительстве и эксплуатации портов и портовых гидротехнических сооружений. Изучение естественного режима побережий дает возможность правильно выбрать участок строительства порта или гидротехнического сооружения; определить рациональные формы его планового начертания; выявить действительные значения внешних сил, действующих на сооружение и, с учетом геологического строения грунтов, безошибочно выбрать оптимальную конструкцию; установить особенности естественного режима, которые могут препятствовать строительству и эксплуатации порта или гидротехнического сооружения для того, чтобы разработать в проекте мероприятия, обеспечивающие успешную борьбу с разрушительными силами природы. Следовательно, глубокое и всестороннее изучение естественного режима побережья обеспечивает в конечном итоге экономичность строительства и эксплуатации портов и гидротехнических сооружений. Необходимо также учитывать, что в результате строительства порта нарушается естественный режим побережья, где до этого взаимное воздействие природных факторов привело к динамическому равновесию, и нужно заранее прогнозировать возможность последствия этого вмешательства. При решении вопросов портостроения необходимо иметь данные об естественном режиме заданного участка побережья за продолжительный промежуток времени. Например, надежные данные о ветрах, колебании уровня, волнении и о других явлениях могут быть получены в результате наблюдений за период не менее 10 лет. Практика портостроения насчитывает немало случаев, когда недостаточная изученность и недооценка отдельных факторов, ошибки в их количественной оценке являлись причиной серьезных аварий сооружений и нарушения нормальной работы портов. При строительстве порта Цеара в Бразилии были недостаточно изучен гидрологический режим участка строительства, влияние сооружений на режим движения береговых наносов. В результате через 17 лет после окончания строительства, порт Цеара был полностью занесен береговыми наносами и прекратил свое существование. Мол Мустафа, построенный в Алжире, через три года после завершения строительства, при сильном волнении был разрушен в результате размыва основания. 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.
2.2. Топографические условия К ним относятся характер, очертание контура и особенности рельефа берега. Отдельные участки берега могут быть прямыми, вогнутыми и выпуклыми. При решении вопроса о строительстве порта топографические условия оцениваются исходя из следующих основных соображений: - вогнутый берег следует предпочитать выпуклому; -заливы и хорошо защищенные бухты являются относительно хорошими местами для устройства порта; - наиболее удобными для размещения всех портовых береговых устройств и прокладки подъездных путей являются низменные берега. Можно отметить следующие формы очертания береговой полосы: залив - значительная по размерам часть моря, уходящая вглубь материка (например, Рижский, Одесский, Финский заливы). бухта - небольшой залив, защищенный в большой степени от ветров и волнений (Новороссийская и Сухумская бухты, бухта «Золотой рог») фиорд - узкий извилистый залив, глубоко врезающийся вглубь материка (иногда на 50 км и более). Фиорды отличаются большими глубинами и крутыми берегами. Кольский залив является по существу Фиордом. губа - узкий морской залив, глубоко (на несколько десятков или даже сотен километров) врезающийся в сушу, в который впадает река (Онежская, Обская и многочисленные губы Кольского залива) лиман - затопленная морем устьевая часть долины реки. В зависимости от степени питания речной водой лиманы бывают открытыми, т.е. сообщающиеся с морями узкими протоками (одним или несколькими) и закрытыми отделёнными от моря песчаной косой, называемой пересыпью. Закрытые лиманы обычно имеются в устьевой части древних ныне высохших рек. Лиманы сохраняют извилистость речной долины. лагуна - небольшой залив или озеро морского происхождения, отделенного от моря косой либо сообщающийся с морем узким протоком - гирлом. банки - местные возвышения морского дна, располагающиеся, как правило, грядами параллельно отдельным берегом. мыс - выступающая часть возвышенного берега. дельта - устьевая часть реки в виде ряда рукавов (протоков), отделенных один от другого отмелями и островами, образованными отложениями наносов реки. Это название происходит от греческой буквы Δ, которую напоминает по форме устьевой участок реки Нила. Большинство крупных рек, впадающих в моря без приливов или с приливами небольшой амплитуды, шМеют дельты (реки Нева, Северная Двина, Урал, Печора, Кубань, Рона, Ганг, Миссисипи и др.) Дельты крупных рек занимают огромные площади. Дельта реки Волги простирается вглубь суши примерно на 200 км и вдоль моря на 250 км. Дельтовые отложения рек Хуанхэ и Яндзидзах имеют длину 100 км и ширину 300-400 км. Эстуарий (однорукавное устье) - устьевой участок реки, имеющий вид небольшого воронкообразного залива. Обычно такие устья образуются при впадении рек в море с приливами значительной амплитуды. Это обстоятельство является причиной возникновения промывных течений, препятствующих отложению наносов. Поэтому в эстуариях изобары с одной и другой стороны параллельны береговой линии, обрисовывая таким образом очертания подводного русла реки. В качестве примеров рек, имеющих эстуарий, можно назвать Обь, Енисей, Темза, Сена, Элабу, Амазонку и др. 2.3. Гидрографические условия Под гидрографическими условиями понимается рельеф дна моря в районе проектируемого порта. По рельефу дна различают два вида берегов: приглубый берег, например, берег Крыма, Кавказа; отмелевший берег, например, берег Финского залива, Азовского и Каспийского морей, а также Черного моря в районе Анапы. Рельеф дна часто не соответствует рельефу берега: у крутого берега могут быть малые глубины, а у низменного - большие, например, волна разрушает берега, подтачивает его коренные породы и создавая крутой профиль, она при некоторых условиях (при вогнутом береге и при отсутствии береговых течений) может производить созидательную работу, откладывая продукты разрушения берега и создавая пологий уклон дна. Особенностью рельефа дна моря в прибрежной зоне является уменьшение уклона по мере удаления от берега, а также сглаженность рельефа по сравнению с рельефом суши Чаще всего встречаются профили дна террасообразной формы: крутой склон у берега (как в реках и озерах) сменяется террасой значительной ширины с малым уклоном, затем следует опять крутой склон, сменяемый террасой и т.д. В глубоководных морях уклоны дна у берега имеют обычно следующие значения, %: от уреза до изобаты 5м - 1 - 3; от изобаты 5м до 10м - 0,7 - 1,5; от изобаты 10м до изобаты 20м - 0,5 - 1. В мелководных морях у отмели берегов уклоны значительно меньше. С точки зрения устройства порта особенно рельефа дна могут быть представлены тремя типами: - изобата, соответствующая проектной глубине входа в порт (12-15м), расположена от уреза 800 - 1200м. В этом случае оградительные сооружения возводят на глубине не более 12 - 13м и подходного канала не требуется. - отмелевшие берега, где проектная глубина отстоит от уреза на несколько (иногда на десятки километров). В этом случае необходимо устройство подходного канала; - приглубые берега, когда глубины 100 - 200м. Здесь требуется возводить оградительные сооружения на больших глубинах либо создавать акваторию, искусственно врезанную в берег.
2.4. Метеорологические факторы На всей территории России сеть метеорологических станций ведет регулярное наблюдение за атмосферными явлениями. Все основные метеорологические факторы фиксируются четыре раза в сутки – в 1,7,13 и 19 ч. От станций главного управления гидрометеослужбы можно получить данные непрерывных наблюдений за 100 лет и более. Где нет постоянных станций, при производстве технических изысканий, организуют временные станции, наблюдения которых хотя и не дают надежной оценки метеофакторов, но их сопоставление с материалами ближайших постоянных станций позволяется использовать последние, внеся в них поправки на местные условия. Из атмосферных и климатических факторов, влияющих на судоходство, эксплуатацию и строительство портов, наиболее существенными являются ветры, осадки, туманы, температура и влажность воздуха, а также температура воды. Ветровой режим характеризуется направлением, скоростью, продолжительностью и повторяемостью. Скорость ветра измеряется в метрах в секунду (м/с) или километрах в час (км/ч), а в морской практике – в баллах (табл.2.1)
Таблица 2.1
Струи воздуха, ударяясь о портовые сооружения, поверхность судна и т.д., оказывают давление, которое зависит от скорости ветра и достигает при шторме до 4,4т на погонный метр причальной стенки. Знание ветрового режима особенно важно при строительстве портов на морях и водохранилищах. От ветра зависят направление, 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. Скорость ветра (м/с) определяют на метеостанциях флюгером Вильда, анемометрами или анемографами. Установлено, что в многолетнем периоде повторяемость ветра определенной скорости и направления для определенных сезонов года остается более или менее постоянной. Поэтому для целей портостроения большое значение имеют определенные данные за навигацию, а не за год. В практике известны случаи, когда в морских условиях строились порты без оградительных сооружений, рассчитанные на работу на несколько месяцев в году, когда отсутствуют сильные штормы (что было установлено из анализа многочисленных наблюдений).
Рис.2.1 Розы ветров: А – повторяемости, б – максимальных скоростей
Все результаты многолетних наблюдений сводят в таблицы, группируя ветры по скоростям через определенные интервалы (табл. 2.1). При этом сведения о повторяемости ветров дополняют данными о максимальных скоростях ветра (последняя строка табл.2.2). По таблицам строят полярные диаграммы, называемые розой ветров (рис.2.1)
Для целей портостроения розы ветров строятся обычно по восьми направлениям (румбам компаса, откуда дует ветер). Ее строят в следующей последовательности. Все ветры разбивают по скоростям на несколько групп. Для каждой группы определяют процент повторяемости от общего числа всех наблюдений для каждого направления (например, северо-востока (СВ) и т.д.). Затем от центра к каждому направлению (Рис.2.1, а) в отдельном масштабе откладывают векторы повторяемости в процентах, сначала скорости 1-8 м/с и концы векторов соединяют линиями, затем от концов векторов откладывают следующие скорости (9-13 м/с) и т.д. Сумма векторов с учетом штиля дает 100%. Розу максимальных скоростей ветра (Рис.2.1, б) строят путем откладывания по всем направлениям их значений.
Таблица 2.2
Летом в умеренном поясе наблюдаются ветры – бризы, которые дуют регулярно: днем с моря (морские бризы), ночью – с берега (береговые бризы). Морской ветер начинается в 9-10 утра; перед заходом солнца, постепенно меняя свое направление, он переходит в береговой. Объясняется это явление разностью атмосферного давления, вызываемого разностью температур. Днем поверхность земли нагревается сильнее моря, а ночью вследствие излучения суша охлаждается быстрее моря. В более нагретой части воздуха давление меньше, поэтому днем ветер дует с моря, а ночью – в обратном направлении. Холодный ветер, обрушивающийся с соседних возвышенностей и дующий в одном направленном месте, носит название бора. Такой жестокий северо-восточный ветер (норд-ост), достигающий иногда силы урагана (скорость до 40 м/с продолжительностью от 1 до 3 дней) проявляется в Новороссийске. Границами распространения боры является Анапа – Туапсе. В среднем в Новороссийске бора наблюдается до 46 дней в году. Температура воздуха и воды. Температуру воздуха и воды измеряют на гидрометеостанциях в такие сроки, что и параметры ветра. Данные измерения оформляют в виде годовых графиков хода температуры. Основные значения этих данных портостроения состоит в том, что они часто определяют сроки замерзания и вскрытие бассейнов, от чего зависит длительность навигации. Следует иметь ввиду, что с высотой температура воздуха понижается приблизительно на 6° на 1 км до высоты 10-12 км. Влажность воздуха определяется количеством водяных паров, находящихся в атмосфере. Различают абсолютную влажность e – количество водяных паров в воздухе, относительную влажность n – отношение абсолютной влажности к ее предельному значению при данной температуре Е. Относительная влажность обычно выражается в процентах.
Когда говорят о влажности воздуха, то обычно подразумевают относительную влажность. Она оказывает значительно большее влияние на всю органическую жизнь на земле и деятельность человека, чем абсолютная. Конденсация водяных паров начинается тогда, когда наступает так называемая точка росы, т.е. полное насыщение воздуха водяными парами (е=Е), зависящее от температуры. Наибольшая относительная влажность наблюдается в тропиках, наименьшая – у полюсов. Абсолютная влажность зимой меньше, чем летом; относительная, наоборот, - летом меньше, чем зимой. Туман. Образованию туманов способствует наличие в воздухе так называемых ядер конденсации (частицы пыли, дыма, поваренной соли и т.д.). Этим объясняется обилие туманов над морями и промышленными объектами. На основании наблюдений составляют таблицы с указанием количества дней с туманами на месяц для данного района. Повышенная влажность воздуха обуславливает определенные правила перегрузки и хранения некоторых грузов (чай, табак, сахар и т.д.). Продолжительные туманы не только создают навигационные трудности в открытом море и на подходах к портам, но и затрудняют маневрирование судов на их акваториях. В среднем туманных дней во Владивостоке наблюдается 80 (из них 47 летом), на Балтике – 60, Каспии – 35, Черном море – 78-60. Осадки выпадают при охлаждении атмосферы, предельно насыщенной водяными парами (е=Е), в виде дождя, снега, града или осаждаются в виде инея, росы, гололеда, изморози. Количество осадков выражается толщиной слоя воды в миллиметрах (в предположении, что вся эта вода остается на поверхности). Распределение осадков на земной поверхности неравномерно и колеблется в пределах 250-14000 мм в год. Каждый пункт характеризуется не только количеством осадков, но и числом дней с осадками. Так, в Санкт-Петербурге среднегодовой слой осадков (мм) составляет 470 при 200 днях с осадками в году. Учет осадков имеет значение для перегрузки грузов (особенно в мешкотарах) портящихся от влаги, для правильного расположения дренажных и ливневых коммуникаций, предохраняющих территорию порта от затопления. Испарение – процесс обратный осадкам и регулируется той разницей, которая имеется между количеством водяных паров Е, необходимых для насыщения воздуха при данной температуре, и количеством паров е, находящихся в данный момент в воздухе. Эта разница носит название дефицита влажности и выражается формулой: d = E – e. Процесс испарения продолжается до тех пор, пока атмосфера над испаряющей поверхностью не насыщается влагой до предела насыщения, т.е. когда Е – е = 0. При достижении такого положения дальнейшее испарение невозможно и при малейшем понижении температуры начинается конденсация паров воды. Наибольший дефицит влажности и наибольшая величина испарения приходят на дневные часы. Кроме дефицита влажности, на величину испарения влияет ветер, солнечная радиация и барометрическое давление. Повышение температуры и ветер увеличивают испарение, а повышение барометрического давления уменьшает. Ледовый режим определяется толщиной льда, его прочностью, сроками образования и вскрытия. Существенное значение имеет подвижность ледяных полей и характер ледохода. Ледовый режим имеет большое значение для судоходства и эксплуатационной деятельности порта. В зависимости от солености морская вода замерзает при температуре от -0,5 до -2,2°С. Толщина льда в морях с умеренными климатическими условиями колеблется в пределах 0,2-1,2 м (Азовское море, Каспийское, Черное). В зависимости от ледового режима в данном порту устанавливается продолжительность навигации (в Белом море 6-7 мес., Финском заливе 7-8 мес., Азовском 8-9 мес.). 2.5. 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 ti - промежуток времени, в течение которого значение уровня находилось в интервале от Hi до Hi+
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 волны h 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 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/ 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 Hкр, 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 затру
|
= 
Н;
; а крутизна волны равна 
;
) 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.
