Естественный режим морских побережий

Выбор месторасположения порта, компоновке его отдельных элементов, типы и конструкции портовых гидротехнических сооружений в значительной степени обусловлены местными физико-географическими условиями. Подробное исследование природных условий участка будущего строительства гарантирует надежность и долговечность сооружений при наименьшей их стоимости.

Многочисленные примеры из практики портового гидротехнического строительства подтверждают, что недооценка или невозможность получения необходимых данных по естественным условиям участка побережья приводит к удорожанию строительства, авариям, либо к значительным осложнениям при эксплуатации сооружений, и, как следствие, к экономическим потерям порта.

Совокупность природных факторов, характерных для того или иного участка побережья, называется естественным режимом рассматриваемого участка побережья.

Естественный режим в районе порта характеризуется:

- топографическими условиями;

- гидрографическими условиями;

- метеорологическими условиями;

- гидрологическими условиями;

- геологическими условиями.

К топографическим условиям относятся: характер контура и особенности рельефа берега.

При решении вопроса о строительстве порта топографические условия оценивают, исходя из следующих основных соображений:

- вогнутый берег следует предпочитать выпуклому;

- устраивать порты в заливах и хорошо защитных бухтах;

- наиболее удобными для размещения всех портовых и береговых устройств и прокладки подъездных путей являются низменные берега.

В результате топографических изысканий составляют план участка в масштабах: 1:10000, 1:5000, 1:2000, 1:500.

Горизонтали проводят с сечением от 1,0 м до 5 м.

Характеристики отдельных терминов и определений, характеризующих очертание береговой полосы, приводятся ниже.

Залив – значительная часть моря, уходящая вглубь материка (Финский, Рижский, Куршский, Мексиканский).

Бухта – небольшой залив, заметно обособленный от открытого моря, защищенный от ветра и волнения (может находиться в заливе), например Новороссийская бухта, бухта Владивосток, Находка, Врангеля.

Фиорд– узкий извилистый залив, глубоко врезающийся вглубь материка.

Губа – поморское название, глубоко врезающееся в сушу, в которую обычно впадает река. (Онежская, Обская и т.д.).

Лиман – затопленная морем часть долины реки. Если сообщаются с морем – открытые лиманы.

Лагуна – небольшой залив или озеро морского происхождения, отделенное от моря косой и сообщающиеся с морем узким протоком – гирлом.

Банка – местное возвышение морского дна.

Мыс – выступающая в море часть возвышенного берега.

Дельта– устьевая часть реки в виде ряда рукавов (протоков), отделенных друг от друга отмелями и островами.

Гавань – это понятие, близкое порту. Раньше так называли естественное надежное место – укрытие для судов в непогоду, на время грузовых операций, посадки – высадки пассажиров. В принципе это бухта, например Советская гавань. Гаванью называют часть морского порта, состоящую из нескольких причалов, окаймляющих бассейны правильной геометрической формы.

Под гидрографическими условиями понимается рельеф дна и конфигурация береговых линий в районе проектируемого порта. По рельефу дна различают два вида берегов: приглубый (берега Крыма, Кавказа), имеющий значительные уклоны подводного склона (в среднем около 1°45') и незначительную его ширину; отмелый (берега Финского залива, Азовского и Красного морей), имеющий малые углы наклона (от 0°1' до 0°30'). Отличается большой шириной подводного склона. При этом рельеф дна может не соответствовать рельефу берега: у крутого берега могут быть малые глубины и наоборот (крутой берег между Анапой и Новороссийском и малый уклон для моря).

Чаще всего встречаются профили дна террасообразной формы: крутой склон у берега сменяется террасой значительной ширины и т.д.

Рассмотрим профиль береговой зоны бесприливного моря.

Берег – полоса суши, на которой имеются формы рельефа и (shore) накопления наносов, созданных морем при многолетнем уровне.

Граница берега и побережья, проходит по кромке клифа (cliff) – то есть отодвигаемый морем береговой уступ.

Пляж – остающаяся перед клифом частично надводная (bench), частично подводная полоса берегового склона, т.е. пляж – это накопление нанос в зоне полосы прибрежного потока.

Для решения задачи портостроения создают карту глубины с изобатами.

С точки зрения строительства порта, особенности рельефа дна могут быть представлены тремя типами:

- изобата (12-15 м), соответственной проектной глубине входа в порт, расположена от уреза на расстоянии 0,8 – 1,2 км в этом случае оградительные сооружения возводят на глубине 12-13 м и подходного канала не требуется;

- берега отмелые, где проектная глубина отстает от уреза на несколько километров (иногда десятки километров) необходимо устройство подходного канала;

- берега приглубые, когда глубина 10-12 м отстоит от уреза на расстоянии 100-200 м. Требуется создавать оградительные сооружения на больших глубинах или врезать акваторию в берег.

К метеорологическим условиям относят явления, происходящие в атмосфере. Для портостроения и эксплуатации портов особый интерес представляют ветры, туманы, осадки и t⁰ воздуха.

От ветра зависит направление и интенсивность волнения, что наиболее существенно влияет на компоновку, размеры оградительных сооружений, направление и расположение входа в порт. При сильном ветре, более 15 м/с, запрещается работа портальных кранов. С учетом направления господствующих ветров, располагаются в порту ПК различного назначения.

При плохой видимости (туманы) прекращается работа портальных кранов. Наличие туманов и их интенсивность влияет на оборудование навигационной обстановки на подходах к портам.

Осадки влияют на эксплуатационный режим портов. В частности при дожде запрещается производить грузовые операции с грузами, боящимися атмосферных воздействий (цемент, зерно, сахар, мука).

Температура воздуха влияет на ход и организацию работ.

При сырой погоде и отрицательной - t⁰ воздуха определены перерывы в работе портовых рабочих.

В гидрометеорологических очерках даются статистические данные по естественному режиму побережья.

Под гидрологическими условиями понимают весь комплекс явлений, связанных с изменениями и движениями, происходящими в водной среде. Из них важнейшими факторами, которые приходится учитывать при строительстве и эксплуатации портов, являются:

- колебания уровня воды;

- приливы и отливы;

- волнение;

- морские течения;

- физико–химические свойства воды;

- ледовый режим.

Рассмотрим эти факторы.

Колебание уровня воды.

Этот фактор является решающим при назначении судоходных глубин акваторий и подходных каналов, размеров портовых сооружений. Основные причины колебания уровня воды: действие ветра, астрономические влияния (приливы и отливы), изменения режима питания водоемов и их испаряемости (весенние половодья, таяние льда, нагон воды ветрами, паводки) – то есть интенсивное выпадение осадков. Это в основном сказывается на реках, а в прибрежной части мало заметно. Тем не менее, совместно с испаряемостью эти причины оказывают влияние на ход годового уровня воды во внутренних морях. Например, в Черном море он достигает 0,5 м. с максимумом в июне – июле, а минимум в октябре – декабре, а Балтийском максимальный уровень – август – сентябрь, минимальный апрель – май. Колебания уровня воды при нагоне (ветер дует с моря в сторону берега) и сгоне (наоборот) зависят и от силы ветра, и от его продолжительности, и от очертания берега. Наибольшие колебания бывают в узких проливах или бухтах и заливах (Таганрогском заливе, устье Невы, Волги).

В устье Невы, вследствие воронкообразного Финского залива нагонный подъем достигает 4 м, а спад при сгоне – 1,35 м. при N ветре сгон воды в Таганрогском заливе настолько сильный, что некоторые суда не могут подойти к Таганрогу.

В небольших морях и заливах могут иметь место сейши, то есть одновременное понижение воды в одном районе и повышение в другом. Причина – резкое изменение атмосферного давления в разных частях рассматриваемого водного бассейна.

А после прекращения действия внешних сил, вся масса воды приходит в колебательное движение. Амплитуды сейш для разных водоемов от нескольких см. до двух метров, период от десятков минут до целых суток. (Женевское озеро – 2 м, период 70 мин, Азовское море 80 см, период около суток, Балтика 78 см, период около 20 мин).

В практике проектирования и эксплуатации портов используют характерные для данного пункта уровень воды:

- самый высокий горизонт (СВГ)

- самый низкий горизонт (СНГ)

- ординар, то есть средний уровень за длительный срок наблюдений

- нуль глубин, то есть условный горизонт (в приливных морях на 0,2 м ниже самого низкого отлива, в морях безливных - это ординар).

- иногда встречается отсчетный горизонт (уровень) черпания, то есть минимально гарантируемая глубина прохода в порт, от которой отсчитывают глубины при дноуглубительных работах.

Известно, что режим колебаний уровня в разных пунктах побережья различен. Высотная связь между ними, осуществляется привязкой к реперам общей нивелировочной сети страны, где за нуль принят многолетний средний уровень Балтийского моря, которому соответствует нуль Кронштадтского футштока. Наблюдения ведутся 120 лет.

Приливы и отливы.

Астрономические явления приливно-отливных колебаний уровня воды происходят под действием сил притяжения луны и солнца, взаимодействия небесных тел. Разница между отметками малой и полной воды называется приливно-отливной амплитудой.

Бывают полусуточные приливы. (6ч, 1 ч и 30 сек), то есть в течение суток 2 прилива и 2 отлива приблизительно. Бывают суточные приливы, смешенные (неправильные суточные и полусуточное). Амплитуда зависит от взаимного расположения Луны, Земли и Солнца при полном новолунии равнодействующие приливообразные силы Луны и Солнца исследуются, сто дает наибольшую приливно – отливную амплитуду – это сизигии или сизигийные приливы. В первой и последней четверти луны, когда угол между направлением Земли на Луну и Солнце 90⁰, высота приливно-отливной волны наименьшая. Это квадратуры или квадратурные приливы.

В открытом океане, у неизрезанных берегов материка приливно-отливная амплитуда ≤ 1,5-2 м.

Наибольшие амплитуды наблюдаются в местах значительного рельефа дна и очертания берега. Предельные значения наблюдаются в заливе Фанди (Северная Америка) 18 м.

На французском побережье 2-12 м, у берегов Англии 11 м во внутренних морях они незаметны.

Волнение различают: по причине возникновения - ветровые волны от воздействия ветра, сейсмические волны (цунами), обусловленные землетрясениями, судовые волны, возникающие при движении судов и т.д.; по действующим силам - гравитационные и приливные волны.

Внутренние волны – находящиеся при непрерывном воздействии ветра.

Свободные волны (первая зыбь или зыбь) – волны, распространяющиеся после прекращения ветра или вышедшие из зоны воздействия (2-х мерный характер и симметричное очертание профиля). Смешенные волны – результат сложения вынужденных и свободных волн.

Волновые колебания.

Период волны Т – время между появлением двух смежных вершин; скорость распространения волн с=λ/Т; крутизна волны n/Т.

При увеличении скорости ветра гребни волн разрываются на отдельные бугры (холмы) и впадины и 2-х мерные волны становятся 3-х мерными, наблюдаются при ветрах средней силы. Крутой передний склон волны отрывается образуя «барашки» – смесь воздуха и воды.

Геологические и геоморфологические условия.

Выбор места расположения порта, проектирование портовых сооружений и подходных каналов требует предварительного проведения широких инженерно-геологических и геоморфологических исследований. Могут встретиться различные виды геологических образований: галечные (разрушение скал, глыб, валунов), крупнообломочные породы (глыбы, валуны), пески, глина, ил, органические отложения. Иногда наблюдаются карстовые пустоты (образующиеся водой в горных породах).

Наносы на пляже и на подводном прибрежном склоне находятся в постоянном движении вследствие воздействия на них течения и волнения. Наносы по роду могут быть: взвешенными, состоять из мелких илистых и глинистых частиц, поднимаемых со дна волнением и переносимые течением, полувзвешанные, состоящие из более крупных частиц, донные катучие, донные оплывающие (жидкие илистые отложения).

На большинстве прямолинейных участков побережья наблюдается транзит наносов, то есть объем уносимых наносов компенсируется приносимым объемом, благодаря чему сохраняется устойчивость береговой черты. Местные перемещения наносов под действием волн и течений за короткий промежуток времени (в течение шторма) - миграция наносов.

Различают морские и береговые наносы. Береговые наносы – передвигаются вдоль берега. Морские наносы – перемещаются с моря.

На выпуклом берегу при фронтальном подходе волн происходит размыв берега. На вогнутом берегу происходит аккумуляция наносов.