CC BY
55
УДК 551. 435. 3 + 556. 556.557
О.В. Басс
ЭВОЛЮЦИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В ХОДЕ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОРТА БАЛТИЙСК
В работе дан анализ опыта учета природных условий и факторов при гидротехническом строительстве порта Балтийска на протяжении более чем 240 лет.
The article presents the analysis of hydraulic engineering work during the construction of the port of Baltiysk, using data collected during 240 years. The construction of the port is an impressive example of how natural conditions and factors should be taken into account in hydraulic engineering.
Своим существованием порт Балтийск (Пиллау) обязан образованию в 1510 г. пролива, соединившего акватории Вислинского залива и Балтийского моря. Этот пролив был шестым и последним по счету среди проливов, имевших место на протяжении исторического времени (рис. 1) [2; 3; 10]. До образования пролива морской берег в районе г. Балтийска представлял собой плавную дугу Самбийского полуострова, переходившую на Вислинскую косу [7].
К
Рис. 1. Эволюция берегов в районе Балтийска (1479—1945 гг.) [2; 3]
К
В проливе основным действующим фактором был режим входных и выходных течений, возникавших под воздействием ветров и волнений различных направлений, при участии речного стока пресных вод с суши в акваторию Вислинского залива. Взаимное расположение акваторий, экспозиция береговых линий при ветровом или штормовом воздействии на разных концах пролива способствовали разнонаправленным колебаниям уровня моря. Штормовые ветры западных направлений вызывают нагон у берегов моря и сгон в акватории Вислинского залива, непосредственно прилегающей к проливу; при восточных ветрах наблюдается обратная картина. Аналогичный эффект наблюдается при воздействии северо-западных и, соответственно, юго-восточных ветров; юго-западных и северо-восточных [4; 5].
Режим входных и выходных течений резко изменил режим вдольберегового перемещения наносов в районе пролива и прилегающих акваторий.
В результате перехвата части прибрежно-морских наносов при входных течениях в районе северного берега пролива в лагуне за южной оконечностью Пиллауского полуострова стало образовываться надводное аккумулятивное тело из морских песков, что вызвало прирост значительных площадей суши. И как результат перехвата и аккумуляции наносов активизировался процесса размыва морского берега в районе северной оконечности Вислинской косы. Режим выходных течений не компенсировал потерю прибрежно-морских наносов, но инициировал периодическое возникновение песчаных банок со стороны моря на входе в пролив [10].
По имеющимся данным, пролив был достаточно широким и мелководным. Для обеспечения необходимых для судоходства глубин в проливе начиная с первой половины XVI в., начали проводиться дноуглубительные и берегоукрепительные работы. С учетом благоприятного влияния выходных течений на увеличение глубин в проливе (промывной режим), принимались меры к сужению пролива для увеличения скоростей этих течений [7; 11].
Во время Семилетней войны (1756—1763) после присоединения Восточной Пруссии к Российской империи у Пиллау (Балтийска) в лагуне русскими гидротехниками была построена земляная дамба, названная Русской, которая дала начало порту.
С целью защиты пролива от заносимости песком и для улучшения условий судоходства были предприняты попытки строительства молов. Сооружение входных молов (южного и северного) служило целям защиты канала от заносимости наносами и углубления фарватера и размыва песчаных банок на входе в пролив стороны моря перед Пиллау. Сооружение южного мола должно было препятствовать осаждению на фарватере масс песка, захватываемых входными течениями. В 1767—1768 гг. было сооружено укрепление из каменных массивов длиной 200 м, которое выступало в море на расстояние около 60 м у оконечности косы [7]. В 1816 г. была произведена реконструкция каменных массивов по всей первоначальной длине мола. В 1821, 1830 — 1833 и 1835 гг. строительство было продолжено (рис. 2).
01.02.2017 УДК 551
Е
Рис. 2. Пролив у Пиллау и южный мол в 1828 г. [9] (глубины в метрах вычислены и нанесены на карту Р. Жаромскисом)
В 1836 г. началось строительство аварийного порта (Шниппенханхафен), и работы продолжались до 1846 г. (рис. 3).
В
Рис. 3. Пролив у Пиллау и молы 1850 г. [10] (серый тон в акватории залива обозначает глубины менее 1,5 м)
В 1870 г строительство мола было снова возобновлено. На участке длиной 588 м произвели переход на свайную конструкцию, толщина свай составляла 35 — 40 см. Внутреннее пространство свай до среднего уровня воды было заполнено каменной засыпкой. На этой каменной засыпке возвели каменную кладку тела мола. Таким образом, был построен участок мола длиной 650 м.
До строительства северного мола наблюдалось постоянное расширение морского берега Балтийской косы у южного мола. При этом необходимые параметры глубин в проливе не поддерживались. Выходные течения аккумулировали наносы в береговой зоне непосредственно севернее пролива, и при перемене направления течения эти наносы беспрепятственно поступали на фарватер канала. Только благодаря строительству северного мола удалось направить поток в нужном направлении, отклонив его в сторону моря Г7—9].
В 1840 г. началось строительство северного мола. Построенная к 1843 г. головная его часть была разрушена волнами. В 1855 г. пришлось снова восстанавливать около 100 м головной части мола.
Молы в это время были выдвинуты в море до глубин 5,0—5,5 м и не перекрывали зону массового перемещения прибрежно-морских наносов, но обеспечили глубины на фарватере в пределах 6 м. Было установлено, что максимальные глубины в проливе (в пределах 9 м) постоянно наблюдались в самой узкой его части (напротив крепости Пиллау) (см. рис. 2).
После строительства молов к северу от них началась мощная аккумуляция песчаных наносов. Если до сооружения молов береговая линия находилась в непосредственной близости от равелинов и люнетов крепости Пиллау, то в результате заполнения входящего угла у северного мола море отступило более чем на 300 м и вдоль берега севернее молов началось дюнообразование, что потребовало дальнейшего удлинения мола. Размыв морского берега северной оконечности Вислинской косы также прекратился, и здесь началась аккумуляция наносов, которая привела к приросту суши более чем в 250-метровой полосе, и также началось дюнообразование. Примечательно, что форт «Западный», построенный в 1869 г., находится на этих возвращенных морем землях.
С 1871 г. продолжилось строительство северного мола, которое было закончено к 1883 г. В дальнейшем был построен южный мол (1883 — 1887). В конструкции новых молов был учтен негативный опыт предыдущего строительства. Молы были сооружены из бетонных блоков и каменных глыб, скрепленных цементом. Оконечности молов были доведены до глубины 10 м.
Для снижения нагрузки, вызываемой разницей уровней воды у внешней и внутренней стен южного мола, в процессе реконструкции была применена оригинальная система дренажа. Разница уровней воды у внешней и внутренней стен южного мола, по измерениям на временных уровнемерных постах (6 — 14 июля 2007 г.), может превышать 0,35 м при ЗЮЗ ветре (скорость 14 — 16 м в с).
Для обеспечения безопасности мореплавания в районе порта и в связи со строительством Кёнигсбергского морского канала, изменившего режим водообмена между морем и заливом, в 1887 г. были возведены струеотклоняющие дамбы аванпорта [7; 8].
Как и при предыдущих строительствах, ориентировка новых молов по направлению на северо-запад от берега и под углом 95—100° к генеральному направлению береговой линии создавала наиболее благоприятные условия для режима выходных течений в проливе, обеспечивая их преобладание по повторяемости. Это способствовало решению проблемы заносимости фарватера Балтийского пролива прибрежно-морскими наносами.
Для усиления скоростей выходных течений 175 м морской оконечности северного мола повернуты внутрь канала на 15°, что сократило ширину входных ворот более чем на 100 м относительно ширины Балтийского пролива (рис. 4) [9].
Принятое проектное решение является аналогом сопла или дюзы, применяемых в гидро- и аэродинамике устройств, предназначенных для резкого увеличения скорости истечения жидкостей или газов. Эти все приемы вызвали размыв дна за входными молами более чем на 18 м.
К
Рис. 4. Карта города и порта Пиллау 1914 г. [9]
Морфологически эта зона размыва выглядит как котловина или ложбина размыва с максимальными глубинами более 28 м относительно уровня моря.
Результаты многолетних исследований (1969 — 2006) свидетельствуют о постоянном существовании этой
котловины объемом более 1,2 млн м3 (рис. 5).
Существенной особенностью этой формы подводного рельефа является то, что площадь и объем котловины размыва изменяется во времени в значительных пределах, а максимальная глубина остается практически неизменной.
Следует констатировать, что строительство молов порта Балтийск полностью решило поставленную перед ними задачу — обеспечение безопасности мореплавания и поддержание гарантированных (эксплуатационных) глубин на фарватере в проливе[111.
сзГ
Рис. 5. Оградительные сооружения морского канала порта Балтийск и котловина размыва (глубины в метрах)
В результате порт Балтийск не испытывал заносимости песчаными наносами, за исключением периода с 1966 по 1978 г., когда в Морском канале для поддержания гарантированных глубин производилось ремонтное
черпание в объеме 66—140 тыс. м3/ год (по данным Морской администрации порта).
По времени это совпадает с периодом максимального сброса грунтов в море из горных выработок Янтарного комбината, техногенного фактора [1], степени воздействии которого на береговую зону немецкие гидротехники не могли предполагать.
В остальном принятые проектные решения являют собой поразительный пример учета и использования природных условий и факторов для обеспечения главной функции оградительных сооружений — предотвращения заносимости порта Балтийск:
— ориентировка молов под острым углом относительно господствующего перемещения прибрежно-морских наносов позволяет максимально усилить скорости, а значит, и размывающее действие выходных течений. Ориентировка молов под прямым или тупым углом вызвала бы замедление этих скоростей. Справедливости ради надо отметить, что ориентировка молов была подсказана самой природой — именно в этом направлении был ориентирован пролив у Пиллау в естественном состоянии;
— не вызывает сомнений, что возникновение котловины размыва предполагалось при проектировании удлинения входных молов на основе анализа природных условий. Эта искусственная отрицательная техногенная форма рельефа является основой защиты пролива от заносимости. Наносы, огибающие молы, под действием ветров и волнений северного, северо-западного и западного направлений с увеличением глубины оседают на бортах котловины размыва, так как с увеличением глубины наносодвижущая сила морских волнений (на глубинах свыше 15 — 20 м в условиях Балтийского моря) прекращается. Входные течения при пересечении створа входных ворот порта лишаются наносов;
— объем котловины размыва заведомо больше максимального объема вдольберегового перемещения прибрежно-морских наносов в районе оградительных сооружений (молов) в результате воздействия сильных штормов или серии штормов указанных выше направлений;
— чем длительнее и интенсивнее происходит поступление водных масс с входными течениями через Балтийский пролив в акваторию Вислинского залива, тем большая разница создается в уровнях водных поверхностей залива и моря после прекращения действия ветра, что дополнительно ведет к увеличению скорости выходных течений [4; 5];
— при ветрах северо-восточного, восточного и южного направлений генерируются выходные течения в проливе. Выходные течения по повторяемости (55 % — выходные, 38 % — входные, 7 % — без течений) и скорости превосходят входные (максимальная измеренная скорость выходного течения составляла 250 см/с) [12];
— выходные течения, минуя входные ворота порта, дополнительно усиливаются из-за изгиба северного мола, размывают ранее отложившиеся наносы по бортам котловины размыва и выносят их за ее пределы. При перемене направления ветра цикл повторяется.
Таким образом, обеспечивается промывной режим Балтийского пролива, обусловливающий отсутствие его заносимости.
Существующие молы, выдвинутые в море до глубины 10,0 м, являются искусственной преградой для вдольберегового перемещения наносов. В результате взаимодействия с природными процессами береговой зоны эти гидротехнические сооружения вызвали интенсивную аккумуляцию наносов по схеме заполнения «входящего угла» севернее порта (с момента завершения строительства молов прирост суши у их корневой части составил более 400 м). Южнее молов наблюдается размыв берега косы, для борьбы с которым одновременно с сооружением молов была запроектирована и построена мощная система берегозащитных и берегоукрепительных сооружений (рис. 6).
Эти сооружения, по крайней мере до начала 1970-х гг., справлялись с поставленной перед ними задачей. В настоящее время они почти полностью разрушены, в результате чего активизировался размыв Вислинской (Балтийской) косы на протяжении 2 км южнее молов. Море разрушает потерны форта «Западный».
Рис. 6. Берегозащитные сооружения у южного мола Пиллау, фото1898 г. [6]
Учет взаимодействия природных процессов береговой зоны с гидротехническими сооружениями на рубеже XIX — XX вв. является несомненным достижением немецких гидротехников, которые ставили перед собой обеспечение двух первоочередных задач:
— с помощью инженерных проектных решений обеспечить гарантированные глубины на подходных фарватерах порта (отсутствие заносимости);
— портовые сооружения должны были обеспечить минимальное нарушение режима вдольберегового перемещения песчаных прибрежно-морских наносов для предотвращения разрушения берегов на смежных припортовых территориях морского берега.
В процессе эксплуатации молы неоднократно ремонтировались. В разное время вдоль молов с двух сторон укладывались бетонные блоки и бетон в мешках, которые были скреплены стальными скобами. До 1940-х гг. производились работы по восстановлению разрушений в головной части молов и восстановлению целостности верхней надстройки.
В 70—80-е гг. XX в. при выполнении ремонтных работ было расширено тело северного мола, а головную его часть укрепила бетонными 30-тонными массивами и 13-тонными тетраподами. В дальнейшем проводилась дополнительная их укладка со стороны канала и в корне молов со стороны моря.
В 1991 — 1992 гг. выполнены расширение проезжей части мола, укрепление и ремонт общей его конструкции, укладка дополнительных тетраподов. В 1993 — 1994 гг. произведены укрепление головной части мола массивами и ремонт головного участка тела северного мола.
В 2005 г. был реконструирован Морской канал порта Балтийск, что выразилось в доведении гарантированных глубин до 10,5 м и изменении планового положения судового хода. В настоящее время ООО НПФ ГТ «Инспект» проводит реконструкцию входных молов порта Балтийск (работы запланированы до декабря 2008 г.).
С июля 2006 г. проводился эксперимент по отвалу грунтов дноуглубления в море на мелководье южнее входных молов для предотвращения разрушения морских берегов Балтийской косы. Сравнение результатов крупномасштабных топографических съемок гг. не свидетельствует о заметном положительном
эффекте проведенного эксперимента.
В этой связи при проведении дальнейших реконструкционных работ следует учитывать положительный опыт немецких гидротехников по обеспечению безопасности мореплавания в районе порта Балтийск, основанный на учете и использовании природных условий и факторов.
Список литературы
1. Басс О.В. Техногенные воздействия в береговой зоне Калининградской области // Физ. география океана и океанич. природопользование на пороге XXI века. Калининград, 2000. С. 64 — 71.
2. Гостюхин А.Ф., Горюнова Л.В., Кузнецов А.Н., Нагимова Е.В. Балтийск: прошлое и настоящее. Калининград; 2000.
3. Давыденко Л. Калининградский морской канал. Калининград, 2001.
4. Гидрометеорологический режим Вислинского залива. Л., Гидрометиздат, 1971. 279 с.
5. Гидрометеорологические условия шельфовой зоны морей СССР. Т. 1: Балтийское море. Вып. 3: Куршский и Вислинский заливы. Л., 1985.
6. Arbomeit J, Bock P., Jentsch A. Handbuch des deutschen Dünnenbaues. Berlin, 1900.
7. Haberland K., Lomber W., Arendt A. Pillau - einst und jetzt - 1725-1925. Pillau, 1925.
8. Guttzeit E.I. Östpreussein in 1444 Bildern. Verb. Gerchard Rautenberg Leer., 1986.
9. Hagen G. Der Hafen von Pillau // Handbuch der Wasserbakunst. 1884. Band. 3. S. 134-226.
10. Schlicht O. Das westеn Samland. Erster Band. Dresden, 1922.
11. Tidemann B. Uber Wandern des Sandes Küstenraum des Samlandes / / Zeitschr. Bauw. 1930. № 199.
12. Willer A. Studien über das Frische Haff. Die allgemeinen hydrographischen und biologischen Verhältniisse des Frischen Haffes; II. Die Haffkrankenheit // Zeitschrift f. Fischerei. 1925. XXIII.
Об авторе
О.В. Басс — канд. геогр. наук, ст. преподаватель кафедры геоэкологии РГУ им. И. Канта.
