CC BY
337
Геодезия
УДК 622.24.627.532.59
ТИПЫ МОРСКИХ ВОЛН, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ И КЛАССИФИКАЦИЯ
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ВОЗВЕДЕНИИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
НА ШЕЛЬФЕ АРКТИЧЕСКИХ И ЗАМЕРЗАЮЩИХ МОРЕЙ
Леонид Александрович Зверев
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Пла-хотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры геодезии СГГА, тел. (383)314-70-16
В статье изложены типизация морских волн, их характеристики и классификация, используемые при проектировании и возведении ледостойких гидротехнических сооружений на шельфе Арктических и замерзающих морей. Даны выводы и рекомендации по добыче углеводородного сырья в акваториях этих морей.
Ключевые слова: морские волны, цунами, циклоны, ураганы, сейши, платформы, искусственные острова.
TYPES OF SEA WAVES, THEIR CHARACTERISTICS AND CLASSIFICATION IN DESIGNING AND CONSTRUCTION OF HYDRAULIC ENGINEERING STRUCTURES ON THE SHELF OF THE ARCTIC AND FREEZING SEAS
Leonid A. Zverev
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St.,Prof. Dr. Department of Geodesy, tel. (383)314-70-16
Types of sea waves, their characteristics and classification used in designing and construction of sleet-proof hydraulic engineering structures on a shelf of the Arctic and freezing seas are outlined. Conclusions and recommendations on production of hydrocarbons in aquatic areas of these seas are given.
Key words: sea waves, tsunami, cyclones, hurricanes, seiches, platforms, artificial islands.
Морские волны вызываются колебательными движениями водной среды морей и океанов, приливообразующими силами Луны и Солнца, ветрами, колебаниями атмосферного давления, подводными землетрясениями, извержениями вулканов.
Волны подразделяются (в зависимости от вызвавших их причин) на приливные, ветровые, барические, сейсмические, сейши, тягуны, корабельные.
Само понятие «волна» является универсальной характеристикой различных форм движения и материальных объектов. Волны являются первичным понятием при описании чрезвычайно разнообразных физических явлений. В наиболее широком смысле волнами называют любые возмущения, распространяющиеся с конечной скоростью в пространстве и переносящие энергию (или информацию) без переноса вещества.
Как правило, волны характеризуются пространственным периодом - длиной волны (X), а также временным периодом (Т), за который волна, распростра-
60
Геодезия
няющаяся со скоростью (С), проходит расстояние (X). Эти величины связаны между собой соотношением:
X = СТ. (1)
Современное общепринятое разделение материальных объектов на частицы и волны не является абсолютным, поскольку микрообъекты, подчиняющиеся законам квантовой физики, обладают как свойствами частиц, так и волновыми свойствами. Наиболее часто на практике встречаются упругие (звуковые, сейсмические) волны, электромагнитные (радиоволны, световые, оптические волны, рентгеновское излучение, гамма-лучи и др.) и волны на поверхности жидкостей.
Несмотря на различную природу волн, они подчиняются общим закономерностям при распространении, и для любых волн характерны такие явления, как отражение и преломление на границе раздела сред, дисперсия, интерференция, дифракция, поглощение и рассеивание волн.
В зависимости от того, как ориентированы возмущения относительно направления распространения волны, различают продольные и поперечные волны.
Упругие и акустические волны относятся к продольным волнам, а световые и электромагнитные - к поперечным.
Процесс волнения на поверхности воды представляет собой неустановившееся движение жидкости, в которой скорость перемещения ее формы отличается от скорости ее частиц. Если процесс волнения на воде происходит под действием сил тяжести, такие волны называются гравитационными. Возникновение гравитационных волн на водной массе обязано любому ее мгновенному возмущению.
Соответственно, волны (по их воздействию на морские гидротехнические сооружения) подразделяются на следующие типы:
- цунами - гигантские волны, возникающие в результате землетрясений, эпицентр которых находится под дном океана, или в процессе образования новой океанической коры. В волновом движении цунами, в отличие от волн, создаваемых ветром, участвует вся водная толща. Скорость распространения цунами достигает 50-100 км/ч, высота волны в области возникновения - от 0,1 до 5 м, вблизи берега может достигать 10-50 м.
Сила землетрясений оценивается по шкале Рихтера в баллах от 1 до 10. Эти величины соответствуют энергии, выделившейся при землетрясении. В настоящее время введена более «наглядная» шкала Меркалли, где сила землетрясений оценивается от 1 до 12 баллов. К примеру, в Нефтегорске (Сахалин, май 1995 г.) землетрясение по шкале Рихтера в эпицентре оценивалось в 9 баллов. На самом же деле, по разрушениям и расчетам, сила землетрясения в эпицентре составила 11 баллов (по Меркалли);
- ветровое волнение, возникающее при взаимодействии воздушных масс с водной поверхностью. Горизонтальное движение атмосферного воздуха отно-
61
Геодезия
сительно земной поверхности из области с высоким давлением в область низкого давления называют ветром. Оцениваются направление и скорость ветра в м/с, км/ч или по 12-балльной шкале Бофорта. Ураган «Катрина» (2005 г.) зародился в районе Багамских островов и в течение нескольких суток существовал как тропическая депрессия, так как скорость ветра была не выше 17 м/с.
Заметим, ураганным ветер признано считать тогда, когда его скорость достигает 30-40 м/с.
Далее «Катрина» сместилась на северо-запад (во Флоридский пролив), где температура воды составляла 30 °С, а это определяющее условие для зарождения и активизации циклона. За сутки «Катрина» развилась до состояния урагана, скорость ветра в центре достигла 280 км/ч. Из Мексиканского залива «Катрина» повернула резко на север (к побережью чуть восточнее г. Новый Орлеан), что и спасло город, но были затоплены 10 км прибрежной зоны, при этом высота волн составляла 9 м;
- приливные, гравитационные воздействия Земли на Луну и наоборот, довольно велики, в меньшей степени Земля воздействует на Солнце. Силы притяжения небесных тел достигают максимума в тот момент, когда они находятся на одной прямой по отношению к земному наблюдателю. Это происходит в новолуние и полнолуние. Подобное положение светил называется сизигией, а наступающий в эти дни прилив - сизигийным.
Наибольшие величины приливов отмечаются именно в это время. Когда векторы силы притяжения Солнца и Луны взаимно перпендикулярны (во время квадратур, т. е. когда Луна находится в первой или последней четверти), то их приливы противодействуют, поскольку прилив, вызываемый притяжением Солнца, накладывается на отлив, вызываемый Луной. Такие промежуточные приливы и отливы называются квадратурными.
Самый высокий уровень воды, наблюдаемый за сутки или за половину суток во время прилива, называют полной водой, а самый низкий уровень во время отлива - малой водой, а момент достижения предельных отметок - стоянием прилива или отлива.
В течение суток бывает либо по одной полной и малой воде - и тогда прилив называется суточным, либо успевают совершиться два приливных цикла -полусуточный цикл.
Заметим, что в открытом море или в океане подъем водной поверхности во время прилива не превышает 1 м. Однако в заливах морей и океанов приливы достигают наибольшей величины - 19,6 м. Такие приливы наблюдаются в заливе Фанди (Атлантическое побережье Канады) у порта Мониган. В Англии, в устье реки Северн, впадающей в Бристонский залив, наибольшая высота прилива составляет 16,3 м.
В Охотском море приливная волна входит с юго-востока из Тихого океана и величина прилива в Пенжинской губе превосходит 13 м, у Шантарских островов он достигает 8 м, а на севере о. Сахалин - 1-2 м. На реках в устьевую область приливная волна приходит из открытых морей и океанов и, по мере
62
Геодезия
приближения к берегу, уровень воды повышается, а профиль приливной воды из-за уменьшения глубины, и особенно конфигурации берега, деформируется.
На взморье передний край волны становится круче заднего. Столкновение двух встречных потоков, морского и речного, вызывает образование крутого вала, получившего название бора. Заметим, что мощный бор на реке Амазонка (там высота волны достигает 5-6 м) распространяется вверх по течению на 3 тыс. км от океана. На реке Меконга волны прилива поднимаются до 500 км, на Северной Двине - 140 км;
- барические волны возникают в области пониженного и повышенного атмосферного давления. Части барического поля атмосферы - это барические системы - циклоны (с пониженным давлением) и антициклоны - с повышенным давлением.
С барическими системами связаны определенные воздушные течения (ветры), распределение температуры, облачности, осадки, волны (в открытых морях и океанах) и т. д. Как было сказано выше, при скорости ветра 17 м/с высота волн может достигать 1-2 м, что не опасно, но они непрерывно меняются во времени, это приводит к соответствующим изменениям в воздушных потоках (см. тип волн - ветровые).
Заметим, что в Охотском море (штормовой период - декабрь) наблюдаются волны с максимальной амплитудой до 7 м и с частой сменой 4-5 м;
- сейши - стоячие волны большого периода (от нескольких минут до десятков часов), возникающие в замкнутых водоемах (морях, озерах, заливах, лагунах и пр.).
Сейши - это результат интерференции волн, возникающих под воздействием внешней силы (резкого изменения атмосферного давления, ветра, сейсмических явлений и др.), и волн, отраженных от берегов бассейна. При сейшах происходит колебательное движение всей массы воды, при этом амплитуда сейш достигает 1-2 м. В Азовском море наблюдались сейши с периодом до 23 ч и амплитудой 10-25 см.
Наряду с вышеописанными характеристиками гравитационных морских волн, с учетом фундаментальных характеристик в зависимости (1) во всех разработанных гидромеханических теориях волновых движений жидкости всегда используются следующие характеристики и их зависимости:
- высота волны (h);
- конечная глубина (d);
- амплитуда волны а = h/2;
- частота волны ю = 2п/т;
- волновое число k = 2л/к;
- скорость волны C = Ут = ю/k.
Теоретические описания ветрового волнения требуют определенного системного подхода, который ориентировал бы исследователя на выявление многообразных типов связей внутри системы и преобразование их в единую теоретическую структуру. На основе вышеописанных типов волн и системного под-
63
Геодезия
хода различными авторами разработана классификация гравитационных ветровых волн, отражающая физические особенности каждого типа волн [1, 4]. Теоретические модели волн гидродинамического и спектрального направления основаны на том, что вода рассматривается идеальной, не обладающей вязкостью, без примесей, а движение волн принимается безвихревым. Такие допущения в основном согласуются с лабораторными и натурными исследованиями и позволяют получить вполне удовлетворительные качественные результаты при описании параметров волн и их внутренней структуры.
В спектральной теории волн рассматриваются нерегулярные двухмерные и трехмерные волны. К нерегулярным волнам относятся волны, элементы и формы которых изменяются случайным образом как по длине разгона, так и в фиксированной точке взволнованной поверхности.
В гидродинамических теориях описываются различные виды двухмерных волн. К этому типу относятся волны, форма и элементы которых в любой момент времени в конкретной точке длины разгона известны и одинаковы. К ним относятся одиночные, регулярные волны с неизвестными во времени параметрами, подразделяющиеся на гармонические (синусоидальные) и негармонические, у которых гребни волн выше их впадин. Негармонические описываются приближениями нелинейных теорий, а группы волн рассматриваются с теоретических позиций как сумма двух гармоник с близкими, но различными частотами [4].
В отличие от одиночных, различные виды регулярных волн и группы волн относятся к периодичным волнам [1] .
Перечисленным теоретическим моделям волн могут соответствовать:
- одиночные - прибойные волны;
- регулярные волны - на глубокой воде и относительном мелководье;
- группы волн - двухмерные, одиночные и регулярные волны.
Математическая обработка волновых теорий подробно приведена в работах [2, 3, 4, 5].
В данной работе рассмотрены основные характеристики и классификация морских волн, а также существующие волновые теории.
При вероятностном подходе к расчетам волновой нагрузки на проектируемое гидротехническое сооружение, расчетные параметры волн внутри предполагаемого шторма должны определяться с учетом характера рассматриваемого воздействия, типа и класса проектируемого объекта.
Однако какие бы теории не использовались в расчетах волновых нагрузок, они будут иметь прогнозный характер, так как природные явления являются многофакторными и роль отдельных факторов в каждом конкретном случае может быть непредсказуема.
Наиболее важным в данном случае является географическое положение района предполагаемого строительства, колебание уровня и глубина воды, ветровой, волновой и температурный режимы, осадки, ледовая обстановка, сейсмическая активность, инженерно-геологические условия и др.
64
Геодезия
Поэтому необходимо вести мониторинговые комплексные исследования на акватории моря в районе предполагаемого строительства любого объекта. Такое всестороннее изучение гидросферы, ее свойств, протекающих в ней процессов и явлений во взаимосвязи с атмосферой, лито- и биосферой выполняет гидрология моря, иначе - океанология. Здесь уместно применить понятие «мониторинговые комплексные исследования», иначе - перечисляемые ниже комплексные инженерные изыскания:
- инженерно-геодезические работы с учетом повторных натурных измерений;
- инженерно-геологические и геофизические исследования по геодезическим профилям (галсам);
- гидрометеорологические исследования и расчет местоположения стационарных станций, на которых проводятся постоянные натурные наблюдения;
- экологические изыскания, проводимые согласно Закону РФ «О континентальном шельфе Российской Федерации» от 25 октября 1995 г. и СП 11-102-97 «Инженерно-экологические изыскания для строительства».
Такой системный подход по исследованию природных явлений позволяет получить детальную изученность территории для проектирования и возведения любого типа нефтяных платформ на шельфе и в открытом море. Таких платформ в мире разработано сотни, однако самыми надежными являются искусственные насыпные и комбинированные острова, возводимые на мелководье (10-12 м глубины моря).
Такие сооружения надежно выдерживают нагрузки (волновые, ветровые, ледовые), а главное - проектируются с использованием технологии «нулевого сброса», при котором промышленные и отработанные буровые стоки, разливы и т. д. не попадают в море, а утилизируются на берегу, что приносит минимальный ущерб окружающей среде.
Остальные типы нефтяных платформ менее надежны из-за применения на них современной «материковой» технологии добычи нефти. Примером может служить авария на американской плавучей нефтяной платформе в Мексиканском заливе в 2011 г.
Такого рода исследования обеспечивают надежные расчеты по определению в шельфовой части морей зон развития и затухания волн (при цунами), а также дают возможность определить характерные безопасные районы строительства береговых сооружений 1-й категории и даже очень опасных сооружений, таких как «Фукусима 1».
Необходимо особо отметить, что в Арктических и замерзающих морях большинство запасов углеводородов сосредоточено в районах, покрытых практически круглый год дрейфующим льдом, поэтому любой разлив, буровые стоки, попавшие на дрейфующую льдину, через некоторое время могут оказаться в других морях.
В связи с этим необходимо, чтобы все проекты обустройства таких месторождений, особенно по добыче углеводородов, выполнялись в соответствии с
65
Геодезия
вышеуказанным Федеральным законом от 25.10.95 г., который определяет порядок проведения экологической экспертизы на шельфе по международным требованиям для безопасности и полного исключения экологических рисков.
При несоблюдении требований экспертизы на проекты накладывается абсолютное вето, так как такие объекты будут нерентабельны при экологических нарушениях, что убедительно доказано в работе [6].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Крылов Ю.М. Спектральные методы исследования и расчеты ветровых волн. - Л.: Гидрометеоиздат, 1966. - 256 с.
2. Кожевников М.П. Гидравлика ветровых волн. - М.: Энергия, 1972. - 263 с.
3. Сретенский Л.Н. Теория волновых движений жидкости. Изд. 2-е. - М.: Наука, 1977. -
816 с.
4. Рогачко С.И., Пиляев С.И. Воздействие волн и льда на морские нефтегазопромысловые сооружения континентального шельфа: учеб. пособие. - М.: МГСУ, 2002. - 159 с.
5. СНиП 2.06.04-82. Нагрузки и взаимодействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). - М.: Стройиздат, 1983; С изменениями № 2 // Бюллетень строительной технологии. - 1995. - № 9. - С. 24; № 10. - С. 21; № 11. - С. 24.
6. Патин С.А. Экологические проблемы освоения нефтегазовых ресурсов морского шельфа. - М.: ВНИРО. - 350 с.
Получено 24.01.2012
© Л.А. Зверев, 2012
66
