CC BY-NC
52
ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ КОРАБЛЯ
Б01: 10.24937/2542-2324-2019-2-388-137-149 УДК 629.563.42
В.В. Горбацкий
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Россия, Санкт-Петербург
РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ГИДРОФИЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА МОРСКИХ АКВАТОРИЙ
Объект и цель научной работы. Представлен обзор результатов исследований и разработок Крыловского центра в области создания и совершенствования методов мониторинга акваторий для обеспечения природоохранных мероприятий и получения инженерных данных в районах гидротехнического строительства и эксплуатации инженерных сооружений на морском шельфе.
Материалы и методы. Рассматриваются материалы, полученные во время работ по программам экологического мониторинга и инженерных изысканий в различных регионах РФ, включая Балтийское, Черное, арктические моря и другие акватории. Приведены результаты обработки и анализа данных, опубликованные в журналах и представленные на научных конференциях, а также примеры работ, выполнявшихся в Балтийском, Черном морях и в акваториях Баренцева и Карского морей. Отмечены научные результаты изучения физических процессов в морских акваториях, полученные в ходе производственного гидрофизического мониторинга и инженерных изысканий в районах гидротехнического строительства на морском шельфе.
Основные результаты. В результате многолетних исследований и разработок на основе современных средств морских измерений создан комплекс оперативного гидрофизического мониторинга состояния прибрежных морских акваторий. Метод испытан в различных регионах РФ и нашел практическое применение в рамках выполнения региональных природоохранных программ и в ходе природозащитных мероприятий и инженерных изысканий, осуществляемых на морском шельфе, в том числе арктическом, компаниями «Газпром» и «Лукойл». В Балтийском море выявлены закономерности возникновения и параметры инерционных волн в различные сезоны, установлены особенности пространственно-временных характеристик апвеллинга. В полярных акваториях установлена специфика приледных течений, определяющих режим дрейфа льда, получены пространственно-временные характеристики изменчивости гидрологических параметров в акваториях, покрытых льдом.
Заключение. В настоящее время в Крыловском центре существует комплекс гидрофизического мониторинга акваторий, в состав которого входят как современные традиционные средства морских измерений (гидрологические многопараметрические зонды, акустические профилографы течений), так и новые системы сбора данных (автономный подводный аппарат, радиолокационная система определения течений и волн в акватории). Измерительный комплекс и специальные методики обработки, анализа и представления данных позволяют решать практические задачи мониторинга акваторий, в том числе в условиях чрезвычайных ситуаций, и выполнять научные исследования по программам сотрудничества с учреждениями РАН и другими организациями.
Ключевые слова: гидрофизический мониторинг акваторий, гидротехническое строительство, морской шельф. Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.
SHIP SIGNATURES
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-2-388-137-149 UDC 629.563.42
V. Gorbatsky
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
Для цитирования: Горбацкий В.В. Развитие методов гидрофизического мониторинга морских акваторий. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; 2(388): 137-149.
For citations: Gorbatsky V. Development of hydrophysical monitoring methods for seas. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; 2(388): 137-149 (in Russian).
DEVELOPMENT OF HYDROPHYSICAL MONITORING METHODS FOR SEAS
Object and purpose of research. This paper reviews the results of Krylov State Research Centre R&D projects in development and improvement of monitoring methods for water areas in order to ensure environmental protection and obtain engineering data for the sites of offshore facilities (both under construction and in service).
Materials and methods. This paper studies the materials yielded by environmental monitoring and engineering surveys in various parts of Russia, including the Baltic, the Black Sea, Arctic seas and other water areas. The study gives the results of data processing and analysis published in journals and at scientific conferences, as well as some examples of the activities performed in the Baltic, the Black Sea and in certain areas of the Barents Sea and the Kara Sea. It also points out some results of hydrophysical studies performed as part of industrial hydrophysical monitoring and engineering surveys at intended sites of offshore facilities.
Main results. Many years of R&D activities performed with state-of-the-art instrumentation have led to the development of a system for express hydrophysical monitoring of coastal waters. Its method has been tested in various regions of Russia. Now it is used in various environmental protection programs, as well as in environmental protection measures and engineering surveys performed by Gazprom and Lukoil in offshore areas, including Arctic shelf. In the Baltic, this system made it possible to discover inception laws and parameters of inertial waves in different seasons, as well as to understand time and space peculiarities of upwelling. In polar waters, the system has been successfully used to describe the specifics of currents in ice-adjacent layer that determine its drift conditions, as well as to obtain time and space characteristics for hydro-logical fluctuations of icy waters.
Conclusion. Today Krylov State Research Centre has a system for hydrophysical monitoring of water areas, including both conventional tools of hydrophysical measurements (multi-parametric hydrologic probes, acoustic profilographers of currents, etc.) and new data acquisition systems (autonomous underwater vehicle, radar-based system for detection of currents and waves in the water area). Measurement system and special techniques of data processing, analysis and presentations make it possible to perform practical monitoring of water areas, even in emergency conditions, as well as to pursue scientific studies under cooperation programs with branches of the Russian Academy of Sciences and other organizations. Keywords: hydrophysical monitoring of water areas, hydraulic structures, offshore areas. Author declares lack of the possible conflicts of interests.
Введение
Introduction
Решение проблемы защиты акваторий от техногенных загрязнений составляет важный элемент природоохранных мероприятий в прибрежных зонах внутренних и окраинных морей России, где имеет место активная хозяйственная деятельность, в том числе гидротехническое строительство. Необходимость проведения таких мероприятий обретает особую значимость в регионах освоения шельфовых месторождений углеводородов, где техногенная нагрузка на среду акваторий возрастает, а повышенное загрязнение может охватывать водную среду и донные осадки.
В последние десятилетия для решения проблемы эффективного контроля уровня загрязнений морских акваторий привлекаются передовые методы морских измерений, анализа многопараметрических данных, прогнозирования состояния акваторий на основе численного моделирования процессов формирования гидрологических, физико-химических, биологических параметров водной среды и донных осадков.
Крыловский государственный научный центр (КГНЦ) на протяжении последних 25 лет активно
участвует в разработке и применении методов мониторинга гидрофизических и физико-химических параметров морских акваторий и внутренних водоемов. Накоплен большой опыт выполнения исследований и систематических измерений в различных морских условиях: от Черного и Каспийского морей до арктических акваторий Баренцева и Карского морей.
В настоящей статье представлена краткая история возникновения и развития исследований и разработок КГНЦ в области мониторинга морских акваторий, включая задачи гидрофизического мониторинга в решении проблемы защиты экологического состояния акваторий и задачи проведения инженерных изысканий в обеспечение гидротехнического проектирования и строительства. Приведены примеры выполненных сотрудниками КГНЦ работ в указанных направлениях в различных регионах РФ. Отмечены научные результаты в области морской гидрофизики, полученные с помощью современных измерительных средств и методов определения текущего состояния прибрежных морских акваторий, как в случае техногенных чрезвычайных ситуаций, так и при возникновении природных явлений, воздействующих на гидрофизические характеристики морской среды.
Задачи и методы мониторинга акваторий
Tasks and methods of water area monitoring
Систематический сбор данных (мониторинг) о параметрах водных масс и донных осадков акваторий может быть направлен на решение различных прикладных и научных задач, среди которых наиболее распространенными являются мониторинг для обеспечения природоохранных мероприятий и инженерный мониторинг для обеспечения гидротехнического строительства.
Основная задача природоохранных мероприятий состоит в сохранении экологического состояния акваторий в рамках принятых физико-химических и биологических параметров, отвечающих требованиям качества водных масс и жизнедеятельности акватории. Для решения такой задачи существенное значение имеют систематические гидрофизические измерения, позволяющие определить закономерности формирования гидрологических условий, направления и интенсивности переноса взвешенных примесей, обеспечивающие получение оперативных данных о пространственном распределении физико-химических параметров водных масс и донных осадков. С использованием таких данных выполняется прогнозирование состояния акватории.
Решение инженерных задач гидротехнического строительства требует проведения инженерных изысканий, включающих батиметрические измерения, изучение гидрологического режима акваторий, характеристик переноса взвеси, пространственной структуры донных осадков и грунта.
Подходы к сбору данных о параметрах акватории в рамках комплексного экологического мониторинга и по программам инженерных изысканий акваторий различаются составом применяемых измерительных средств и методик измерений. В настоящей статье рассмотрены методы и измерительные средства, разрабатывавшиеся в КГНЦ на протяжении последних 20 лет, а также представлены результаты проведения с их помощью гидрофизических измерений, использовавшиеся в программах указанных видов мониторинга в различных регионах РФ.
Оперативный мониторинг параметров морских акваторий с борта рейсовых судов
Express monitoring of water areas from line ships
В начале 90-х гг. в ходе совместной работы сотрудников ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова (в настоящее
время КГНЦ) на НИС «Академик Алексей Крылов» в Финском заливе со специалистами Финского института морских исследований (ФИМИ) возникла идея организовать систематические измерения характеристик состояния вод Финского залива с борта парома «Константин Симонов», совершавшего регулярные рейсы между Санкт-Петербургом и Хельсинки. Было организовано сотрудничество в рамках международного проекта, в который вошли ЦНИИ, ФИМИ и санкт-петербургский филиал Северозападного управления по гидрометеорологии и охране окружающей среды (СЗ УГМС). На пароме «Константин Симонов» сотрудниками ЦНИИ была установлена проточная система измерения параметров забортной воды (температуры, солености, оптического показателя мутности, содержания хлорофилла а) и автоматический пробоотборник, подключенный к системе спутниковой навигации (рис. 1). Указанные параметры определяют степень биологического зарастания акватории и, как следствие, ухудшения качества воды. Проводился автоматизированный отбор проб воды в заданных точках маршрута судна и выполнялся их детальный химико-биологический анализ в лабораториях ФИМИ в Хельсинки и в лабораториях УГМС в Санкт-Петербурге. В результате систематических измерений на протяжении 1992-1996 гг. были определены закономерности сезонной изменчивости состояния акваторий Финского залива, расположенных в зоне высокой техногенной нагрузки. В период 1996-1998 гг. программа мониторинга с борта линейных судов была расширена на маршрутах судов между Санкт-Петербургом и Стокгольмом.
Рис. 1. Автоматический пробоотборник
и измерительный контейнер
Fig. 1. Automatic sampler and measurement container
ГЩ ! Ю«С : ..................1"
а ! .......
© ! 0 ; А
27020' Р.Н-ПП' ЙВ°40* ЙЧ°ЯП' ЗП«ПП'
Lat. : 59:40.00 N Long,: 27:00.00 E
а)
о*е i
ь ft
© 0 Л. JT
27»20' 28*00' 28°40' 29°2DJ 30»00'
Lat, : 59:40.00 N Long.: 27:00.00 E
б)
Рис. 2. Температура (а) и соленость (б) воды вдоль маршрута судна 20.07.97
Fig. 2. Temperature (а) and salinity (b) of water along ship track. July 20, 1997
На рис. 2 показаны примеры изменчивости температуры и солености воды по трассе движения парома из Санкт-Петербурга в Стокгольм, наглядно демонстрирующие возникновение интенсивного апвеллинга (подъема холодных придонных водных масс в определенных ветровых условиях) в западной части Финского залива. Это явление играет важную роль в установлении экологического состояния водных масс. Данные измерений с борта линейных судов были использованы природоохранными организациями обеих стран для оценки прогнозирования экологического состояния акваторий [1]. Указанная методика применялась также в 19941997 гг. в региональных программах мониторинга акватории Финского залива [2]. В последующие годы описанная методика получила существенное
международное развитие. В настоящее время выполняется общеевропейский проект по сбору данных о состоянии вод Балтийского и Северного морей, а также прилегающих акваторий Атлантического океана.
Мониторинг гидрофизических характеристик в районах освоения месторождений углеводородов на морском шельфе
Hydrophisical monitoring
at the sites of offshore oil & gas
developments
Мониторинг акватории расположения нефтедобывающей платформы в Балтийском море
В начале 2000-х гг. КГНЦ участвовал в комплексных работах по обследованию акватории расположения нефтедобывающей платформы Д6 на шель-фовом месторождении Кравцовское в Балтийском море в районе Куршской косы. Природоохранные мероприятия в данной морской акватории являются особо важными в связи с расположенным на Курш-ской косе Национальным парком. По этой причине компания «Лукойл», владеющая платформой Д6, организовала детальный систематический экологический мониторинг акватории расположения платформы. Он был АО ИО РАН начат до установки платформы в 2002 г. и продолжился сразу после начала эксплуатации платформы в 2003 г. КГНЦ участвовал в программе мониторинга в период 2002-2009 гг.
Акватория расположения платформы Д6, находящейся на расстоянии около 30 морских миль от берега, отличается существенной неоднородностью береговой линии в виде мыса Таран и имеет значительную изменчивость донного рельефа в диапазоне глубин 0-100 м (рис. 3). Для достоверной оценки экологического состояния такой сложной акватории и надежного прогнозирования его развития требуется получение систематических данных пространственной изменчивости гидрофизических, физико-химических и биологических параметров. С этой целью использовалась методика периодического сбора данных в определенных местах акватории, показанных на рис. 3 красными точками, методика непрерывного сбора данных с помощью донных станций и методика сбора данных с маневрирующих по площади акватории судов.
Рис. 3. Расположение платформы Д6, измерительных точек мониторинга и галсов мониторинга с борта судов Fig. 3. Location of D6 platforms, measurement points and tacks of monitoring from ships
В рамках работы по указанному проекту специалисты КГНЦ выполнили большое количество гидрологических измерений, в том числе характеристик течений, и измерений физико-химических параметров наиболее передовыми на тот период средствами: акустическими профилографами скоростей течений, оптическими измерителями параметров воды, радиолокационным измерителем течений и волн на морской поверхности. Были разработаны оригинальные методы сбора данных о параметрах пространственного распределения взвеси в окрестности платформы с маневрирующего судна, радиолокационных измерений поверхностных течений в широкой прибрежной полосе, а также долговре-
менной непрерывной регистрации профилей скоростей течений на донной станции.
Параметры взвеси определяют качество воды, влияющее на жизнедеятельность акватории. Использовались данные измерений скоростей течений и калиброванные по данным пробоотбора величины уровня звукорассеивания, определяемые с помощью буксируемого акустического доплеровского профилографа течений, установленного на маневрирующем судне. С помощью таких измерений оперативно находились интенсивность и направление переноса взвеси по площади акватории на различных глубинах. На рис. 4 показан измерительный комплекс и приведен пример пространственной
Рис. 4. Буксируемый измеритель распределения взвеси (а) и пример измерений направления и скорости переноса взвеси в различных слоях по глубине (б)
Fig. 4. Towed device for dredge distribution measurements (a) and example of dredge transfer direction and speed measurements in different layers by depth (b)
картины распределения параметров взвеси в результате маневрирования судна по специальной схеме над неровным рельефом дна в окрестности платформы Д6.
Для систематического сбора данных о пространственной структуре поверхностных течений в акватории была впервые в стране использована доплеровская коротковолновая радиолокационная система [3]. На рис. 5 показаны методика измерений одноточечной радиолокационной системой, антенны которой с помощью вездехода перемещались между точками установки на береговой линии,
¡ГО ЛУКОЙЛ
Рис. 6. Выпуск ежегодного отчета о мониторинге Fig. 6. An issue of annual monitoring report
и пример получаемой картины течений в окрестности Куршской косы.
В результате многолетних гидрофизических и физико-химических измерений были получены данные о закономерностях динамики водных масс в акватории в различные сезоны и особенностях формирования гидрологических условий под действием ветра. Эти данные использовались в прогностических моделях экологического состояния акватории, разрабатываемых в АО ИО РАН. При поддержке компании ООО «Лукойл-Калининградморнефть» АО ИО РАН значительным тиражом издает ежегодные отчеты о выполненном экологическом мониторинге (рис. 6). Они включают подробные данные по всем видам измерений, в том числе выполненным КГНЦ, с цветными информативными иллюстрациями.
Также в ходе описанного мониторинга были получены новые научные результаты, касающиеся условий формирования динамического состояния водных масс акватории в различные сезоны и в различных метеорологических условиях. Так, данные многолетних непрерывных измерений профилей скоростей течений с помощью акустического до-плеровского профилографа течений, установленного на дне рядом с платформой Д6, позволили определить особенности возникновения выраженных инерционных внутренних волн в акватории. Измерения выполнялись непрерывно с интервалом 3 мин. круглогодично. Одновременно сотрудники АО ИО РАН контролировали ветровые условия с интервалом 1 ч.
На рис. 7 показаны примеры распределений профилей скоростей течений в летний период уста-
Рис. 7. Инерционные волны в картине вертикальных профилей скоростей течений (а) и на прогрессивно-векторных диаграммах течений (б)
Fig. 7. Inertial waves in the picture of speed profiles for currents (a) and in progressive-vector diagrams of currents (b)
новления выраженного термоклина и прогрессивно-векторные диаграммы переноса водных масс. Отмечаются выраженные колебания скоростей течений с периодом, близким к инерционным волнам на данной широте. Такие волны имеют максимум на глубине залегания термоклина и наиболее выражены в период низких скоростей дрейфовых течений, после штормового воздействия на акваторию.
Измерения течений с маневрирующих судов в окрестности мыса Таран показали формирование локальных вихревых структур, вызванных обтеканием береговой линии, и существование крупномасштабной (4-7 км) периодической изменчивости течений в поперечном берегу направлении. Эти
наблюдения позволили предположить, что дополнительно к внутренним инерционным волнам существуют длиннопериодные волны, распространяющиеся вдоль берега («захваченные» волны). С помощью известных моделей наблюдавшегося явления [4, 5] были выполнены численные оценки параметров таких волн для условий рассматриваемой акватории. На рис. 8 приведены примеры расчетов распределения течений в поперечном берегу направлении, которые в целом соответствуют наблюдавшимся характеристикам.
Одним из наиболее существенных явлений в прибрежных морских акваториях, воздействующих на ее экологическое состояние, является ап-
Рис. 8. Измеренная картина вдоль склоновой изменчивости скоростей течений (а) и расчетные данные распределения скоростей течений (б)
Fig. 8. Measurement data on speed fluctuations of currents along the slope (a) and calculation results for speed distribution of currents (b)
Рис. 9. Развитие апвеллинга в акватории в окрестности Куршской косы при сильном северо-восточном ветре
Fig. 9. Progress of upwelling in the vicinity of the Curonian Spit under strong north-east wind
веллинг. Ветер должен быть направлен так, чтобы береговая линия находилась слева от его направления, т.е. при восточном ветре - к югу, при западном - к северу. Благодаря непрерывным продолжительным измерениям удалось зарегистрировать несколько эпизодов возникновения апвеллинга и проследить его развитие.
На рис. 9 показаны изменчивость вертикальных профилей вдоль береговой и перпендикулярной берегу компонент скоростей течений при значительном усилении восточного ветра и прогрессив-
Рис. 10. Прогрессивно-векторные диаграммы течений (точки) и ветра (стрелки) в период прохождения атмосферного фронта
Fig. 10. Progressive-vector diagrams for currents (dots) and wind (arrows) during atmospheric front passage
но-векторная диаграмма скоростей течений на глубине 15 м. Наблюдается отток приповерхностных водных масс и приток к берегу придонных водных масс. Слой термоклина перемешивается, и инерционные колебания течений исчезают в период с 14 по 16 июля. После окончания ветрового воздействия температурная стратификация восстанавливается в течение 7-10 дней.
Анализ корреляции продолжительных рядов данных характеристик ветровой изменчивости и параметров течений в рассматриваемой акватории позволил установить особенности воздействия прохождения атмосферных фронтов на формирование гидрологического режима. В частности, была оценена инерционность адаптации динамики водных масс к воздействию проходящего циклона.
На рис. 10 приведен пример синхронных прогрессивно-векторных диаграмм скоростей ветра и течений, включающих антициклонический атмосферный вихрь. Время адаптации течений в приповерхностном слое к параметрам ветра находится в соответствии с теоретическими оценками, выполненными в работе [6].
Гидрофизический мониторинг арктических акваторий
В период 2001-2007 гг. сотрудники КГНЦ осуществляли гидрофизические измерения в ежегодных экспедициях на НЭС «Михаил Сомов» в Баренцевом море, в районе газоконденсатного месторождения Штокмановское. Задачами измерений являлись изучение ледового режима и его связи с гидрологическими характеристиками аква-
• I а)
400
1200 1400
400 200
-200 ■ 400
1000 1200
б)
I w t.D
— 7М Ч9*
ом >
►Мм с
H- ^ ПИИ
„ M Фт à J ...................
»
t. 1 « m». i И IT.»* я сю те I —.
Рис. 11. Трехмерные картины северной и восточной компонент скорости течения (а) и картина дрейфа льда (б) Fig. 11. 3D pictures for north and east components of current speed (a) and ice drift pattern (b)
тории. Измерения проводились с помощью гидрологических зондов, доплеровских профилографов скоростей течений и точечных акустических измерителей течений.
Гидрофизические измерения выполнялись в режиме ледовых станций, что позволяло определять характеристики движения ледового покрова и измерять подледные течения с использованием спутниковых навигационных данных. Наблюдались проявления приливных колебаний в характере траекторий дрейфа льда. На рис. 11 приведены примеры картин дрейфа льда в акватории Баренцева моря и изменчивости компонент скоростей течений под действием приливов.
Траектории дрейфа льда соответствуют суммарному воздействию приливной изменчивости течений и ветровому воздействию. Поэтому картина приливной изменчивости траектории движения ледового покрова искажается дрейфовым переносом.
Приливные явления в полярных акваториях требуется учитывать при проведении морских операций в окрестности добычных платформ как в условиях ледового покрова, так и при открытой морской поверхности, в особенности в прибрежных мелководных акваториях.
Следует отметить, что для высокоширотных участков со сложной ледовой обстановкой характерна близость периодов приливной изменчивости течений и инерционных колебаний. Так как измерения охватывали значительную по географической широте акваторию, можно было наблюдать проявление такой особенности динамики высокоширотных полярных течений, описываемых теоретическими моделями, однако имеющими ограниченное количество подтверждений измерениями.
В ходе экспедиций были получены данные о параметрах приледных течений. На рис. 12 показана схема проведения таких измерений на ледовой станции [7].
На основе анализа данных измерений скорости дрейфа льда, средних значений и величин высокочастотных флуктуаций скоростей течений в при-ледном слое был уточнен коэффициент сопротивления дрейфующего льда из-за неровностей нижней границы ледового покрова [8]. Этот параметр имеет важное практическое значение для прогнозирования динамики ледового покрова в известных ветровых условиях.
Рис. 12. Измерение течений в приледном слое дрейфующего льда
Fig. 12. Measurements of currents in the layer adjacent to drifting ice
Глубина, м 0
5 10 15 20 25
4
1
10 15 20 25
Скорость течений, см/с
Скорость, см/с
15 10 5 0 -5
2
1
Частота, цикл/мин. 0,4
40 60
Волновое число, цикл/км
Рис. 13. Вертикальное распределение скорости течения и дисперсионные соотношения для внутренних волн в таких условиях
Fig. 13. Profile of current speeds and dispersion relationships for internal waves in these conditions
0
5
Измерение дрейфа льда и подледных скоростей течений позволило получить в характерной арктической области с практически однородными по температуре и солености водными массами подтверждение известного теоретического положения об аналогии физических механизмов генерации внутренних волн в стратифицированной по плотности среде и в однородной по плотности жидкости с вертикальным градиентом скорости [9].
В работе [10] выполнен анализ данных измерений на ледовых станциях в рейсах НЭС «Михаил Сомов», который позволил выделить модовую структуру поля внутренних волн подо льдом, обусловлен-
ных вертикальным градиентом скоростей течений под ледовым покровом при отсутствии значимых величин плотностной неоднородности. На рис. 13 представлен измеренный профиль скоростей течений, его аппроксимация для расчета внутренних волн и дисперсионные соотношения для распространяющихся внутренних волн в среде с параболическим распределением градиента скорости по вертикали.
Проведенный анализ подтверждает принципиальную возможность возникновения внутренних волновых осцилляций скоростей течений в условиях однородного по плотности, но имеющего вертикальный градиент скорости потока жидкости.
Рис. 14. Установка донной станции с профилографом течений в Черном море (а) и пример полученных данных (б)
Fig. 14. Installation of seabed station with current profile recorder in the Black Sea (a) and example of output data (b)
Рис. 15. Подготовка донной станции (а) и пример полученных данных об изменчивости скоростей течений в Каспийском море (б)
Fig. 15. Preparation of seabed station (a) and example of output data on current speed fluctuations in the Caspian (b)
Гидрофизический мониторинг акваторий гидротехнического строительства в Каспийском, Черном и Карском морях
Созданный в КГНЦ на основе современных морских измерительных систем мобильный гидрофизический комплекс позволяет оперативно решать проблемы обследования морских акваторий в различных регионах РФ. На рис. 14 показан процесс установки донной станции с акустическим профилографом скоростей течений (Черное море, район г. Сухуми, глубина - более 300 м) и полученные данные о течениях в обеспечение задач освоения морского шельфа. Полученные
данные о параметрах течений требуются для выполнения проектирования гидротехнического строительства.
В Каспийском море было выполнено обследование характеристик течений с помощью акустического профилографа, установленного в центральной части на глубине более 250 м в районе планируемого освоения углеводородных месторождений. На рис. 15 показаны примеры характеристик течений, полученных в зимний период.
Отмечается существенное влияние распределения гидробионтов на измеряемые характеристики течений: в приповерхностном слое миграция гид-робионтов ухудшает непрерывную регистрацию профилей скоростей течений. Картина изменчиво-
Рис. 16. Расположение радиолокационных антенн на судне, пример измеренной картины течений и сопоставление с данными донной станции
Fig. 16. Arrangement of radar arrays aboard ship; example of measurement data for currents and comparison versus seabed station data
сти течений на отдельных горизонтах показывает существование инерционных колебаний. Полученная в этих измерениях с помощью акустического профилографа течений картина поля звукорассеи-вания позволяет установить особенности миграции гидробионтов в приповерхностном слое, что имеет существенное значение для оценки экологического состояния акватории, в которой планируется проведение гидротехнических работ.
В Карском море в окрестностях полуострова Ямал измерялись характеристики течений описанным выше доплеровским радиолокатором, установленным на судне [11]. Измерения проводились в обеспечение проектирования морского терминала в районе исследований. На рис. 16 показаны примеры картин течений на морской поверхности, полученных в этих измерениях, и сопоставление радиолокационных данных с данными акустического измерителя течений, размещенного на дне акватории. Установлены особенности формирования вихревых течений в определенных фазах приливного цикла.
Заключение
Conclusion
Разработка методов проведения гидрофизического мониторинга с использованием постоянно совершенствующихся измерительных средств остается актуальной в настоящее время, главным образом в связи с возрастающими требованиями к точности определения регистрируемых параметров и к надежности прогнозирования на их основе состояния акватории. Кроме того, активизация морской деятельности в акваториях освоения шельфовых месторождений, прежде всего в арктическом регионе, увеличивает риски возникновения чрезвычайных ситуаций. Такое положение требует более высокой оперативности сбора данных и их анализа, необходимого для принятия управленческих решений с целью ликвидации последствий аварийных ситуаций.
По этому направлению в КГНЦ на основе описанных выше исследований и разработок в сотрудничестве с МЧС, РАН и другими организациями в 2012-2014 гг. были выполнены технические разработки новых систем гидрофизического мониторинга и изучены методы их применения в рамках ОКР «Арктика-Страж». Некоторые элементы разработанной интегрированной системы мониторинга чрезвычайных ситуаций по данной ОКР представлены в [12].
Библиографический список
1. Leppanen J.-M., Gorbatsky V., Rantajarvi E., Raa-teoja M. Dynamics of plankton blooms in the Gulf of Finland in 1992 measured using an automated flow-through analyzer // Proc. of 18th Conference of the Baltic Oceanographers. St. Petersburg, Russia, 23-27 November, 1992. Vol. 1. P. 12-27.
2. Gorbatskiy V., Ivanov G., Ivanov D., Litvin A. The hy-drodynamic processes and diffusion of the phytoplank-ton in the east part of the Gulf of Finland // The seminar of the Gulf of Finland Year 1996. Helsinki, Finland, 1718 March 1997. P. 341-346.
3. Горбацкий В.В., Бабаков А.Н., Гурова Е.А., Иванов Д.В., Чубаренко Б.В. Измерение параметров прибрежных морских течений доплеровским радиолокатором CODAR Sea Sonde // Труды XXV Симпозиума по радиолокационному зондированию природных сред. 2009. Вып. 7. С. 198-206.
4. Brink K.H. Coastal-trapped waves and wind-driven currents over the continental shelf // Annu. Rev. Fluid Mech. 1991. V. 23. P. 389-412.
5. Brink K. Stable coastal-trapped waves with stratification, topography and mean flow in Matlab. Woods Hole Oceanographic Institution Technical Report, 2006.
6. Csanady G.T. Circulation in the coastal ocean. D. Reidel, Norwell, Mass., 1996.
7. Marchenko A., Gorbatsky V.Internal ice stresses and ridges in the North-East Barents Sea // Proc. of 18th Int. Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions (POAC'05). Clarkson University, Potsdam, NY, 2005. Vol. 2. P. 927-937.
8. Gorbatskiy V.V., Marchenko A.V. On the influence of turbulence in ice adjacent layer on water-ice drag forces and heat fluxes in the Barents Sea // Recent development of offshore engineering in cold regions. POAC'07, Dalian, China, June 27-30, 2007. P. 648-659.
9. ГринспенХ. Теория вращающихся жидкостей. Л.: Гидрометеоиздат, 1975.
10. Goncharov V.V., Gorbatskii V.V., Sabinin K.D. Internal waves in a homogeneous sea // Izvestiya, Atmospheric and oceanic physics. 2003. Vol. 39. Suppl. 1. P. S62-S68.
11. Горбацкий В.В., Гудошников Ю.П., Нестеров А.В. Измерения течений на морской поверхности допле-ровским радиолокатором КВ-диапазона, установленным на судне // XXVII Симпозиум по радиолокационному зондированию природных сред. СПб.: 2011. С. 111-115.
12. Большагин А.Ю., Вялышев А.И., Горбацкий В.В., Доб-ров В.М., Долгов А. А., Зиновьев С.В., Олтян И.Ю. Комплексный мониторинг - неотъемлемая часть безопасности Арктической зоны // Арктика: экология и экономика. 2014. № 1(13). С. 38-47.
References
1. Leppanen J.-M., Gorbatsky V., Rantajarvi E., Raa-teoja M. Dynamics of plankton blooms in the Gulf of Finland in 1992 measured using an automated flow-through analyzer // Proc. of 18th Conference of the Baltic Oceanographers. St. Petersburg, Russia, 23-27 November, 1992. Vol. 1. P. 12-27.
2. Gorbatskiy V., Ivanov G., Ivanov D., Litvin A. The hy-drodynamic processes and diffusion of the phytoplank-ton in the east part of the Gulf of Finland // The seminar of the Gulf of Finland Year 1996. Helsinki, Finland, 17-18 March 1997. P. 341-346.
3. V. Gorbatsky, A. Babakov, Ye. Gurova, D. Ivanov, B. Chubarenko. Measurements of coastal sea currents by CODAR Sea Sonde Doppler radar // Transactions of the 25th Symposium on radar probing of natural environments. 2009. Issue 7. P. 198-206 (in Russian).
4. Brink K.H. Coastal-trapped waves and wind-driven currents over the continental shelf // Annu. Rev. Fluid Mech. 1991. V. 23. P. 389-412.
5. Brink K. Stable coastal-trapped waves with stratification, topography and mean flow in Matlab. Woods Hole Oceanographic Institution Technical Report, 2006.
6. Csanady G.T. Circulation in the coastal ocean. D. Reidel, Norwell, Mass., 1996.
7. Marchenko A., Gorbatsky V. Internal ice stresses and ridges in the North-East Barents Sea // Proc. of 18th Int. Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions (POAC'05). Clarkson University, Potsdam, NY, 2005. Vol. 2. P. 927-937.
8. Gorbatskiy V.V., MarchenkoA.V. On the influence of turbulence in ice adjacent layer on water-ice drag forces
and heat fluxes in the Barents Sea // Recent development of offshore engineering in cold regions. POAC'07, Dalian, China, June 27-30, 2007. P. 648-659.
9. H. Greenspan. The Theory of Rotating Fluids. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1975 (Russian translation).
10. Goncharov V.V., Gorbatskii V.V., Sabinin K.D. Internal waves in a homogeneous sea // Izvestiya, Atmospheric and oceanic physics. 2003. Vol. 39. Suppl. 1. P. S62-S68.
11. V. Gorbatsky, Yu. Gudoshnikov, A. Nesterov. Measurements of surface currents by HF Doppler radar aboard ship // 27th Symposium on radar probing of natural environments. St. Petersburg, 2011. P. 111-115 (in Russian).
12. A. Bolshagin, A. Vyalyshev, V. Gorbatsky, V. Dobrov, A. Dolgov, S. Zinovyev, I. Oltyan. Comprehensive monitoring as integral part of safety in the Arctic // Arctic: Ecology and Economy. 2014. No. 1(13). P. 38-47 (in Russian).
Сведения об авторе
Горбацкий Владимир Витальевич, к.т.н., ведущий научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: 8 (812) 415-48-72. E-mail: [email protected].
About the author
Vladimir V. Gorbatsky, Cand. Sci. (Eng.), Lead Researcher, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-48-72. E-mail: [email protected].
Поступила / Received: 05.09.18 Принята в печать / Accepted: 21.05.19 © Горбацкий В.В., 2019
