Содержание к диссертации
Введение
1. Устьевые порты на побережье балтики 10
1.1. Современное состояние и перспективы портового строительства на Балтике 10
1.2. Гидроморфологические характеристики устьевых участков 18
1.3. Подходные каналы к портам на побережье Балтики 24
2. Гидрометеорология лужской губы 28
2.1. Гидрологическая и гидрометеорологическая изученность бассейна реки Луги 28
2.2. Гидрометеорологические характеристики устьевого участка реки Луги 30
2.2.1. Гидрографическое описание 30
2.2.2. Климатическая характеристика и ледовые явления 33
2.2.3. Ветроволновой и уровенный режимы реки Луги и Финского залива 35
2.2.4. Характеристики стока 43
2.2.5. Сток наносов и русловые деформации 45
2.3. Водные подходы к портовым комплексам в Лужской губе 49
3. Расчетное обоснование инженерных мероприятий в устьевой области реки луги 52
3.1. Численное моделирование русловых переформирований в реках 52
3.2. Гидравлическое сопротивление движению воды 59
3.3. Расход русловых наносов 71
3.4. Русловые переформирования на устьевом участке реки Луги 77
3.5. Пропускная способность устьевого участка 86
3.6. Распространение пятна мутности при дноуглублении в устьевой области
4. Экспериментальные исследования работы выправительных сооружений 119
4.1. Методика проведения экспериментов на гидравлической модели 119
4.2. Анализ работы в потоке затопленной запруды с носком 127
4.3. Результаты гидравлических исследований 152
5. Выводы и рекомендации по результатам исследований 156
5.1. Влияние инженерных мероприятий на русловой режим устьевого участка 156
5.2. Оценка максимального заторного уровня воды в реке 159
5.3. Условия производства землечерпательных работ 160
5.4. Устойчивость береговых откосов в устье реки 163
Заключение 166
Литература
- Гидроморфологические характеристики устьевых участков
- Гидрографическое описание
- Расход русловых наносов
- Анализ работы в потоке затопленной запруды с носком
Гидроморфологические характеристики устьевых участков
Почти три века назад Петр I осознал значение торгового мореплавания для России и поставил задачу его развития во главу своей государственной политики.
После распада Советского Союза, имевшего развитый морской транспорт и хорошо оснащенные современные морские порты на Балтике и Черном море, Россия стала остро ощущать серьезный дефицит торгового флота и перегрузочных мощностей, которые перешли под юрисдикцию ставших независимыми бывших союзных республик. Современная Россия находится в стадии стабилизации экономики, новые реалии состояния нашей страны в изменившейся системе международных отношений потребуют переосмысления многих устоявшихся приоритетов ее внутренней и внешней политики.
В 1992 году, сразу после образования суверенного Российского государства, в полной мере понимая важность для развития отечественной экономики наличия современного морского торгового флота и увеличения доли российского транспорта в перевозках грузов мировой торговли, руководство страны предприняло ряд мер по исправлению сложившейся ситуации. Был издан Указ Президента Российской Федерации «О мерах по возрождению торгового флота России» (№ 1513 от 3 декабря 1992 года), а также приняты ряд постановлений и распоряжений Правительства Российской Федерации по реализации данного Указа. Результатом стало утверждение «Программы возрождения торгового флота России», предусматривающей строительство необходимого количества современных транспортных судов и портовых комплексов. Однако крайне тяжелое финансовое положение, вызванное структурной перестройкой экономики страны, не позволило выполнить Программу в установленные сроки в запланированных объемах.
К настоящему времени задачи, определенные Программой, не потеряли своей актуальности, поэтому Указом Президента Российской Федерации от 4 марта 2000 года № 471 «О совершенствовании морской деятельности в Российской Федерации» было дано поручение Правительству Российской Федерации продлить срок ее действия на последующие годы, что и реализуется в настоящее время в рамках разработанной и утвержденной федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы России» и ее подпрограммы «Морской транспорт». Особое место в этой программе принадлежит Балтийскому региону России, где транспорт является отраслью специализации, играющей важную роль в освоении экспортно-импортных связей России и международного транзита.
Развитие морского транспорта неразрывно связано с развитием железнодорожной и автомобильной составляющих, обеспечивающих эффективное функционирование портово-перегрузочных комплексов.
В этом смысле необходимо напомнить, что на Всероссийской конференции транспортников России Президент России В.В. Путин поставил задачу развития транспорта «на шаг вперед» по отношению к другим отраслям.
Данную задачу приходится решать в условиях ограниченных бюджетных возможностей. Это приводит к необходимости четкого выбора целей и приоритетов, концентрации имеющихся ресурсов, созданию благоприятных условий для привлечения частных инвестиций.
Одним из направлений развития транспортной системы региона является создание на Балтике новых перегрузочных комплексов и модернизация существующих с одновременным обновлением парка технических средств и путевого хозяйства. Прибрежным районам Балтийского моря в российских планах портового строительства и интеграции в мировую транспортную систему отводится особое место. Это связано с тем, что Балтийский бассейн исторически играет важную роль во внешнеэкономических связях России с европейскими государствами, и так сложилось, что именно на нем острее всего сказывается недостаток отечественных портовых мощностей и наиболее значительны потери российской экономики от их отсутствия.
В 2001 году на этот бассейн пришлось свыше 48% (110,6 млн. тонн) российских внешнеторговых и транзитных грузов, перевозимых морским транспортом. Из-за недостатка мощностей в российских портах бассейна 44% (48,8 млн. тонн) указанных грузов перегружается на морские суда в портах стран Балтии и Финляндии. В основном, это грузы традиционного российского экспорта: нефть, нефтепродукты, удобрения, продукты нефтехимии, металлы и другие генеральные грузы различной номенклатуры.
Через Финский залив проходят кратчайшие пути из Азиатско-Тихоокеанского региона и Юго-Восточной Азии в Западную Европу. С целью наиболее полного использования благоприятного географического расположения региона и в интересах национальной экономики Указом Президента Российской Федерации от 6 июня 1997 г. № 554 «Об обеспечении транзита грузов через прибрежные территории Финского залива» поставлены задачи по созданию в отечественных портах недостающих мощностей.
Важной проблемой Балтийского региона является создание условий для роста внешнеторговых перевозок через его территорию, создание в нем благоприятных конкурентных условий активизации в транспортном процессе российских перевозчиков.
Гидрографическое описание
Режим уровня воды реки Луги на устьевом участке формируется при взаимодействии речного стока и колебаний уровня воды в Финском заливе. Для нижнего течения Луги наибольшее значение имеют колебания уровня воды, связанные со сгонными и нагонными явлениями, сейшевыми колебаниями в Финском заливе.
Изменения уровня в восточной части Финского залива обусловлены, главным образом, характером синоптических процессов над Балтикой в целом, а также гидродинамическими, морфометрическими и другими факторами.
Как и на Балтийском море, уровень подвержен, в основном, непериодическим колебаниям сгонно-нагонного характера. Периодические (приливно-отливные) колебания несравненно меньше непериодических колебаний и большого практического значения не имеют.
Подъемы уровня возникают преимущественно под действием ветров западных румбов, а понижения - ветров восточных румбов. Особенно важное значение имеют подъемы, вызванные гидродинамическими причинами: при одновременном воздействии на водную поверхность ветра и атмосферного давления в некоторых случаях возникает длинная волна, при распространении и трансформации которой по морю и заливу наблюдались почти все крупнейшие наводнения. При резких изменениях атмосферного давления, скорости и направления ветра, возникают сейшевые колебания, амплитуда которых обычно составляет 0,20-0,50 м, но иногда может достигать 1 м и более.
Межгодовые и внутригодовые колебания уровня определяются, в основном, изменениями уровня Балтийского моря и зависят от величины стока пресных вод и притока соленой североморской воды. Внутригодовые колебания, проявляющиеся в ходе многолетних средних месячных уровней, хорошо выражены. Так, в годовом ходе имеются два максимума - осенний и зимний, и два минимума - весенний и осенний.
Осенний максимум падает на октябрь и реже на сентябрь. Для восточной части залива он является главным. Второстепенный, зимний максимум, приходится на декабрь.
Весенний минимум, являющийся наиболее глубоким, наступает чаще всего в марте-апреле, а второстепенный, осенний минимум - в ноябре.
Экстремальные уровни обусловлены нагонами, сгонами и колебаниями, связанными с распространением длинных волн. Наибольшее значение они достигают в Невской губе. Максимальный уровень в вершине залива за период 1806-1990 гг. наблюдался 19 ноября 1824 года. Он составил 367 см над нулем Кронштадтского футштока. Второй по величине максимум (313 см) был отмечен 23 сентября 1924 г. Минимальный уровень в вершине залива за тот же период (-172 см) наблюдался 2 ноября 1883 г. Таким образом, амплитуда экстремальных уровней в вершине залива составляет 500 см и более. По направлению с востока на запад она уменьшается и у Гогланда не превышает 250 см.
Связь между уровнями (преимущественно зависящими от колебаний уровня в Финском заливе) и расходами воды на устьевом участке р. Луги отсутствует. Почти все высшие в году уровни воды наблюдались в осенне-зимний период. Из табл. П 1.10 (см. Прил. 1), видно, что максимальные уровни воды в устье Луги и Лужской губе наблюдаются, в основном, в периоды нагонов в Финском заливе, которые наиболее вероятны с октября по январь. Осенне-зимние месяцы отличаются неустойчивостью ветрового режима - в этот период возможны как максимальные, так и минимальные уровни воды.
Для сравнения аналогичная таблица составлена по посту Луга - дер. Большое Куземкино, расположенному в 17 км от устья Луги, (см. табл. П 1.11, Прил. 1). По данным наблюдений за уровнями воды на посту Большое Куземкино, преобладающим фактором в формировании максимальных годовых уровней р. Луги в 17 км от устья реки является весеннее половодье, пик которого наблюдается обычно в апреле. Иногда в периоды сильных нагонов, осенний уровень может быть выше весеннего.
Характерные уровни воды р. Луги по данным многолетних наблюдений на опорных постах приведены в табл. П 1.12 — П 1.13 (см. Прил. 1).
Высшие уровни собственно р. Луги отмечаются весной, в апреле, когда в режиме уровней Финского залива наблюдается еще глубокий минимум. Средняя высота подъема весеннего уровня собственно р. Луги составляет (на устьевом участке) 0,2-0,3 м. По данным наблюдений поста р. Луга - п. Усть-Луга за весь период наблюдений, максимальный уровень в апреле составляет не более 1,2 мБС.
Летне-осенние дождевые паводки, проходящие на фоне высоких уровней Финского залива, незаметны. Графики хода уровней за характерные годы по ГМС Усть-Луга показаны нарис. 2.4., рис. 2.5. Расчетные максимальные и минимальные уровни воды реки были получены по эмпирическим кривым распределения ежегодных вероятностей превышения этих уровней, построенным по данным многолетних наблюдений на посту Финский залив - Усть-Луга. Характерные уровни воды на посту Финский залив - Усть-Луга приводятся в табл. П 1.14 (см. Прил. 1). Ряд максимальных уровней приведен к более длительному периоду наблюдений по уравнению регрессии связи уровней с постом Финский залив -Нарва-Иыэсуу имеющим наблюдения с 1889 г., для учета исторического уровня 1924 года. Коэффициент корреляции связи максимальных уровней за совместный период наблюдений на этих постах равен 0,89.
Расход русловых наносов
Надежность русловых прогнозов, выполняемых с использованием методов математического моделирования при проектировании инженерных мероприятий на реках, определяется с одной стороны правильностью оценки физической природы транспорта наносов в естественных русловых потоках, с другой - качеством применяемых численных моделей.
Анализ опубликованных данных, а также результаты выполненных натурных исследований и лабораторных экспериментов, позволяют описать физическую картину процессов, происходящих в подвижном русле в результате инженерного вмешательства в естественный ход развития руслового процесса. Реакция потока на искусственные изменения русла при производстве дноуглубительных работ проявляется на разных структурных уровнях системы поток-о-подвижное русло, имеет пространственно- временной характер и зависит от степени воздействия на русло. Для того, чтобы предвидеть возможные масштабы изменения характеристик потока и русла в дальнейшем, и с учетом этих изменений планировать хозяйственную деятельность на водных объектах, необходимо исследовать хараісгер взаимосвязей, которые реализуются потоком с подвижным дном в качестве отклика на изменение граничных условий движения воды в реке. Основными из них являются характеристики сопротивления движению воды в русле и параметры транспорта наносов.
В последние годы большое внимание уделяется вопросам совершенствования аппарата математического моделирования и его практических приложений в области проектирования инженерных мероприятий на реках. При этом наиболее сложной проблемой является численное моделирование течений и переформирований дна в реках с подвижным руслом, особенно при существенно неравномерном движении воды в условиях извилистой береговой линии и сложных форм рельефа. В настоящее время в литературных источниках встречается описание множества алгоритмов и программ расчета на ЭВМ, однако лишь отдельные из них прошли апробацию в расчетной практике и могут быть рекомендованы для моделирования русловых переформирований дна в естественных водотоках.
Некоторые задачи в речной гидравлике, такие, как расчет отметок свободной поверхности и прогноз русловых переформирований на участке большого протяжения, а также расчет распределения расходов воды по рукавам, расчет прохождения волны паводка и др. с определенной степенью приближения могут быть решены в рамках одномерной модели потока. Такие модели, основанные на использовании различных модификаций разностных методов дискретизации уравнения движения, разрабатывались в разные годы в Институте гидродинамики СО АН СССР, Вычислительном Центре АН СССР, Институте Арктики и Антарктики и ряде других ведомственных и отраслевых Вузов воднотранспортного профиля. В настоящей работе используется программный комплекс "RIVER-1D", разработанный на кафедре водных путей и водных изысканий СПГУВК. Алгоритм данной модели в основном соответствует результатам исследований, приведенным в работе [18].
Исходная система уравнений движения, неразрывности и деформаций в одномерной постановке может быть представлена в виде т = _ = _Ы!_ 0-5) dU2 j_au 51 с2н+ 2g ai +g а - + — = 0, (3.1) зі at L + (I_8)B = O, э\ at где: I- уклон свободной поверхности, -; Z- отметка свободной поверхности, м; 1- продольная координата, м; U- средняя скорость течения, м/с; С- коэффициент Шези, м1/2 /с; Н- средняя глубина потока, м; - коэффициент местных сопротивлений, -; g- ускорение силы тяжести, м/с2; t- время, с; Q- расход воды, м3/с; со- площадь поперечного сечения, м ; Qs- расход наносов, NT / с; є - пористость грунта, -; В- ширина русла, м; Z0 - средняя отметка дна, м.
В зависимости от характера решаемой задачи в получаемой таким образом модели речного потока предусматривается три структурных уровня выполнения расчетов: расчет отметок свободной поверхности при известном наполнении русла, расчет отметок свободной поверхности при неизвестном наполнении русла и расчет отметок свободной поверхности с учетом деформаций русла. Вид выполняемого расчета и необходимые для этого исходные данные описаны в меню различными типами маски файлов. Программа разработана на языке PASCAL в интегрированной среде TURBO PASCAL 7.0 и подготовлена для выполнения на IBM совместимых ПК стандартной конфигурации.
Анализ работы в потоке затопленной запруды с носком
Разработка и захоронение грунтов на акваториях приводит к загрязнению водной среды. При перемещении и изъятии донного грунта, а также добыче нерудных материалов гидромеханизированным способом основные потери тонкодисперсного материала, формирующего пятно замутнения при погрузке грунтоотвозно-го судна, происходит с переливом технологической воды за борт. Масса грун 97 та, выходящего во взвесь, зависит в основном от свойств разрабатываемого грунта, от производительности землесоса и от вместимости трюма (бункера) грунтоотвозного судна.
При захоронении грунта разработанного гидромеханизированным способом, различаются первичное и вторичное замутнения воды. Первичное замут-нение возникает непосредственно в процессе сброса грунта в подводный отвал. Вторичное замутнение происходит в случае размыва лежащего на дне захороненного грунта.
При перемещении и изъятии грунта, а также добыче нерудных материалов многочерпаковым способом основные потери тонкодисперсного материала, формирующего пятно замутнения, происходят при погрузке с переливом технологической воды за борт.
При захоронении грунта, разработанного многочерпаковым способом, различаются первичное и вторичное замутнения воды. Первичное замутнение возникает непосредственно в процессе сброса грунта в подводный отвал. Вторичное замутнение происходит в случае размыва лежащего на дне захороненного грунта.
Дноуглубительные работы, проводимые для обеспечения необходимых судоходных глубин для прохода флота по рекам, водохранилищам, озерам и каналам, через отмели в устьях, по зонам смешения морских и речных вод, не только повышают пропускную способность водных путей. Они создают также условия безопасного плавания для судов, но и оказывают, как априорно полезные воздействия на гидравлику и гидроэкологию водной среды, так и негативное влияние на окружающую природную среду.
Направленность и степень гидравлического и гидроэкологического влияния дноуглубления на аллювиальные отложения на дне, размыв берегов, биологию ихтиофауны и ее кормовой базы зависят от многих природных и антропогенных факторов. В их число входят скорость и направление течения, преобладающие ветры, волнообразование, глубины по трассе прорези и акватории отвала, род и гранулометрический состав донных отложений и береговых грунтов, разветвленпость русла и конфигурация береговых линий, прозрачность воды и ее воздействие на фотосинтез и т.д.
К главным антропогенным факторам относят степень и химический состав загрязнений воды и донных отложений, адсорбирующую способность взвешенных наносов при обволакивании их нефтяными загрязнениями. К весьма существенным антропогенным факторам относят конструкцию и технологию работы земснарядов, способ транспортирования извлеченного грунта в отвал, размывающее воздействие проходящих транспортных судов на отвал в зависимости от его удаленности от фарватера и параметров создаваемых судовых волн.
При углублении судоходных трасс через бары устьевых участков рек, где проявляются как морские, так и речные гидрологические и геоморфологические особенности потока и русловых переформирований, прогнозирование эффективности дноуглубления и воздействия работы земснарядов на природу особенно сложно. Здесь надо дополнительно учитывать такие природные факторы, как, специфический гранулометрический состав аллювиальных отложений, классифицируемых в большинстве случаев как залежные илы и мелкие пески, влияние течения, изменения естественных закономерностей которого вызывают приливно-отливные и сгонно-нагонные явления, ветровые волны, дальность проникновения клина осолоненых вод, способствующего коагуляционным процессам и образованию зон повышенной мутности воды по типу «илистого крема», низкие температуры воды и воздуха, ледообразование и промерзание мелководных участков акватории и грунта в отвалах.
Закономерности образования временной повышенной мутности водной среды при дноуглубительных работах изучались специальной технической комиссией Постоянной международной ассоциации судоходных конгрессов и многими зарубежными научно-исследовательскими организациями.
