CC BY
117
УДК 627.4
С.В. Кривицкий, Б.В. Архипов*, В.В. Солбаков*, М.Б. Соловьёв*
ФГБОУВПО «МГСУ», *ВЦ РАН
ЗАНОСИМОСТЬ ОТДЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ ВОЛГО-КАСПИЙСКОГО МОРСКОГО СУДОХОДНОГО
КАНАЛА
Обсуждаются результаты численных расчетов заносимости морского судоходного канала. Рассмотрены вопросы использования биоинженерных технологий для защиты канала от заносимости.
Ключевые слова: дноуглубление, морской канал, отвал грунта, модель ветрового волнения, морские течения, транспорт наносов, численные расчеты, защита морского канала, природоохранные инженерные мероприятия.
Волго-Каспийский морской судоходный канал (ВКМСК) является главным водным путем, соединяющим порт Астрахань с открытым Каспийским морем. В настоящее время прохождение судов по трассе ВКМСК выливается в экономические потери для судовладельцев в связи с падением уровня Каспийского моря, его обмелением и заносимостью. Критически малая глубина канала в сочетании с неблагоприятными погодными и гидродинамическими условиями приводит к сложным условиям проводки судов, зачастую вынуждая прекращать движение и простаивать до нескольких суток. Одним из главных условий для этой транспортной артерии является обеспечение безопасности судоходства в условиях возможного дальнейшего понижения уровня Каспийского моря.
Основная цель данного исследования — дать оценку заносимости наносов на локальных лимитирующих участках ВКМСК, для чего были выполнены численные расчеты транспорта наносов. По результатам численного моделирования были предложены рекомендации по уменьшению заносимости канала.
1. Общие сведения о морском судоходном канале
Общая протяженность морского судоходного канала составляет 188 км [1]. Канал состоит из двух участков: речной части и морской. Морская часть канала проходит через авандельту р. Волги и мелководную северо-западную часть Каспийского моря и имеет протяженность 102,0 км (рис. 1).
На рис. 1, а синим прямоугольником показан лимитирующий участок на ПК 120, для которого приведены в качестве примера расчеты заносимости канала, зеленой линией показана речная часть канала, красной линией — трасса морской части канала. На рис. 1, б желтым цветом показаны существующие дамбы обвалования.
Навигационная ширина канала составляет 100...120 м, навигационная глубина — 5,1 м. Продолжительность навигации на канале с 1995 г. круглогодичная. В зимний период проводка судов осуществляется с помощью ледоколов. Характерной особенностью канала на участках ПК 86—114 являются образовавшиеся с обеих сторон канала в результате ремонтных работ дамбы
ВЕСТНИК
обвалования, предохраняющие эту часть канала от заносимости (см. рис. 1, б). Однако в южной части канала, где нет подобных дамб обвалования, имеются лимитирующие участки, которые подвержены значительной заносимости и где возникают трудности с проводкой судов. Как следует из [1], наиболее проблемными для судоходства в морской части ВКМСК являются участки канала в районе пикетов ПК 120 и 150 вследствие повышенной заносимости из-за ветро-волнового воздействия. На этих участках ремонтное черпание производится ежегодно, причем у западной бровки канала черпание зачастую производится дважды в год.
Рис. 1. Схема ВКМСК (а) и лимитирующий участок (б)
2. Математические модели, используемые в расчетах заносимости
Моделирование заносимости морского участка трассы ВКМСК было проведено в двух вариантах.
Первый вариант, важный для решения прогнозных задач заносимости ВКМСК, состоит в вычислении интегральных оценок сверху для величины за-носимости, вызываемой штормовыми воздействиями за промежуток времени, равный одному году. При этом учитываются характеристики повторяемости штормов различной силы и направлений.
Такие интегральные оценки были вычислены для участков ПК 137—188 трассы ВКМСК, открытых для воздействия морских течений и ветрового волнения. Для расчета этих оценок проводилось численное моделирование ветровой циркуляции и волновых условий в акватории Северо-Западного Каспия. При этом использовались расчетные сетки с достаточно крупным простран-
а
б
ственным шагом (прорезь канала и другие мелкие детали рельефа и береговой линии явно не разрешались).
Расчет полей ветровых течений осуществлялся с помощью адаптированного кода гидродинамической модели РОМ (Princeton Ocean Model) [2]. Для расчета параметров ветрового волнения использовалась широко известная спектральная модель SWAN (Simulating Waves Near Shore) [3]. Потоки взвешенных и влекомых наносов определялись по рассчитанным полям течений и параметрам волнения с помощью метода Бейкера [4].
Второй вариант расчета состоит в рассмотрении отдельных участков трассы ВКМСК вместе с прилегающими к ним забровочными участками акваторий и проведении для них моделирования в локальной постановке, т.е. при явном разрешении прорези канала и других мелкомасштабных деталей поля глубин и береговой линии.
Численное моделирование процессов заносимости этих участков было выполнено с помощью программного пакета Delft 3D [5]. При проведении моделирования использовались модуль гидро- и литодинамики Lelft3D-FLOW и волновой модуль Delft3D-WAVE, имеющиеся в свободном доступе [6]. При моделировании транспорта наносов принимается во внимание как воздействие течений, так и воздействие волнения. Важной особенностью литодинамиче-ской модели, реализованной в Delft3D, является наличие «обратной связи» с гидродинамическим и волновым модулями, т.е. учет влияния изменений, происходящих в поле глубин, на параметры течений и волнения.
3. Исходные данные для моделирования
3.1. Расчет режима ветра по данным метеостанций. При гидродинамических расчетах важным моментом является качество информации о характеристиках ветра U на высоте 10 м. От этого зависит точность и достоверность рассчитываемых по выбранным моделям гидродинамических параметров.
Расчет режима ветра выполнен согласно методике Кривицкого — Стрекалова [7] по данным метеостанций, расположенных на островах Б. Пешной, Кулалы в Северном Каспии.
При расчетах в качестве вынуждающего воздействия задавалось однородное постоянное поле ветра фиксированного направления. Расчеты проводились для значений скорости ветра 7,5, 12,5, 17,5 и 22,5 м/с, результаты расчетов приведены в табл. 1.
Табл. 1. Характеристики штормов в северо-западной части Каспия
V >, Среднее число штормов по направлениям Средняя продолж. шторма данной градации, сут
м/с С СВ В ЮВ Ю ЮЗ З СЗ
7,5 17,05 13,95 17,52 27,30 11,92 6,32 9,54 15,73 1,4
12,5 6,62 5,42 6,81 10,60 4,63 2,45 3,70 6,11 0,73
17,5 0,77 0,63 0,79 1,24 0,54 0,29 0,43 0,71 0,50
22,5 0,06 0,05 0,06 0,09 0,04 0,02 0,03 0,05 0,43
3.2. Характеристика донных осадков и наносов. Характеристика донных осадков принималась на основании материалов инженерных изысканий, выполненных Астраханским комплексным проектно-изыскательским отделом института «Союзморниипроект» [1].
Гранулометрический состав наносов в забровочной части канала приведен в табл. 2.
Табл. 2. Средний гранулометрический состав наносов на забровочных участках канала
№ ИГЭ Наименование грунтов Процентное содержание фракций, мм
песчаных пылеватых глинистых
0,25...0,1 0,1.0,05 0,05.0,01 0.01.0,005 < 0,005
1 Суглинок 18,9 34,8 30,3 5,5 10,5
2 Супесь 37,7 42,7 13,7 1,5 4,4
3 Песок пылеватый рыхлый 56,0 38,5 3,7 0,7 1,1
4 Песок мелкий рыхлый 81,4 16,9 0,9 0,5 0,3
4а Ил глинистый 5,9 9,3 33,8 21 30
4. Результаты расчетов заносимости ВКМСК
4.1. Оценка интегральных показателей заносимости южного участка морской части ВКМСК. В качестве основной характеристики заносимости южного участка морской части ВКМСК (отрезок трассы ПК 137—188) принималась средняя толщина слоя наносов, накапливаемого в течение одного года в результате действия ветровых течений и волнения, определяемая с учетом статистических характеристик ветровых ситуаций, характерных для Северного Каспия.
Для каждой из указанных в 3.1 скорости ветра были проведены расчеты ветровых течений и волновых условий для трассы морского канала ВКМСК. Численное моделирование проводилось на равномерной прямоугольной сетке с размерностью 187*122 ячейки, характерный шаг сетки приблизительно равен 1 км. Интегральная оценка заносимости приведена в табл. 3.
Табл. 3. Интегральная оценка средних значений заносимости южного участка морской части ВКМСК за год
Градация скорости ветра V > , м/с Заносимость в результате действия расчетных штормов в течение 1 года (толщина слоя наносов, м) на участке ПК 137-150
7,5 0,3618
12,5 0,6424
17,5 0,1236
22,5 0,0111
Суммарная заносимость за год, м 1,1388
Потоки влекомых и взвешенных наносов определялись в узлах расчетной сетки по вычисленным полям течений и параметрам ветрового волнения с помощью метода Бейкера [4]. Значения характеристик грунтов, принятые в расчетах потоков наносов, приведены в табл. 2.
Были проведены сравнительные оценки интегральных значений заноси-мости канала по данным инженерных изысканий, численных расчетов, а также полученным при проведении дноуглубительных работ. Для сравнения был выбран участок канала ПК 139—150, на котором проводились дноуглубительные работы в период с 1999 по 2003 г. Данные сравнения сведены в табл. 4.
Табл. 4. Сравнение интегральных данных объемов выемки грунтов на участке ПК 139—150 ВКМСК, млн м3
Объем выемки грунтов по данным Объем заносимости канала
работы земснаряда анализа дноуглубительных работ [1] по результатам интегральных модельных расчетов
7,39 7,26 6,83
Как следует из таблицы, данные модельных расчетов заносимости канала близки к значениям объемов ремонтных дноработ на выбранном участке канала, что говорит о неплохой сходимости результатов интегральных модельных расчетов с данными дноуглубительных работ.
4.2. Оценка заносимости участка ПК 120. Участок трассы ВКМСК и прилегающей акватории в районе западного прорана (ПК 120), для которого производилось моделирование литодинамических процессов в локальной постановке, показан на рис. 1 (прямоугольная рамка). Этот участок относится к так называемым лимитирующим, т.е. здесь постоянно регистрируется значительная заносимость при западных ветрах, затрудняющая проводку судов. В этом месте канала имеется так называемый «проран», т.е. вдоль западной бровки данного участка на протяжении приблизительно 2 км отсутствуют защитные отвалы грунта, характерные для северных участков морского канала (см. рис. 1, б). Таким образом, данный участок открыт для ветро-волновых течений западного направления, в результате чего в прорезь канала могут поступать наносы из забровочной акватории.
Для оценки влияния ветра и волнения западного направления на заноси-мость рассматриваемого участка были проведены расчеты, в которых учитывалось перемещение существующих донных отложений в забровочной части канала под действием течений и волнения. Далее рассмотрен случай заноси-мости канала при внешнем воздействии в виде постоянного по времени однородного поля ветра западного направления со скоростью 22,5 м/с. При этом на входном и выходном створах главного русла ВКМСК задавались расходы воды, которые формируются речным стоком.
Значения основных параметров расчета приведены в табл. 5.
Табл. 5. Параметры расчета
Название Значение
Расход воды на входном створе 748 м3/с
Расход воды на выходном створе 584 м3/с
Направление ветра Запад
Скорость ветра 22,5 м/с
Средний диаметр зерна донных отложений 0,15 мм
Время моделирования 10 сут
Шаг расчетной сетки 15 м
Использованное в расчетах поле глубин показано на рис. 2. На рис. 3 приведено полученное в расчетах распределение средних высот волн на этом участке.
Рис. 2. Поле глубин вблизи участка западного прорана на ПК 120, м
Рис. 3. Распределение средней высоты волн, м
Из этого рисунка видно, что наиболее сильное волнение наблюдается над прорезью канала на участке прорана.
На рис. 4 приведено распределение изменений поля глубин (т.е. величины аккумуляции наносов и эрозии грунта) на рассматриваемом участке трассы ВКМСК для периода времени 10 сут.
Согласно результатам расчета, представленным на рис. 4, почти вдоль всей западной бровки канала на участке прорана наблюдаются участки эрозии дна и аккумуляции наносов. Они имеют вид узких параллельных полос. Полоса аккумуляции расположена в районе подводного откоса и дна канала (обозначена светлой желтой линией), а полоса эрозии (темная синия линия) находится на бровке канала. Появление данных полос обусловлено размыванием западного откоса канала под действием волнения (участок эрозии) и постепенным сползанием влекомых наносов по откосу канала (участок аккумуляции наносов). Средняя толщина отложений составляет приблизительно 20 см за период времени 10 сут. Характерный поперечный размер области аккумуляции наносов вблизи западной бровки канала порядка 40 м.
координата:
Рис. 4. Изменение поля глубин, м, для периода времени 10 сут
4.3. Заносимость канала на ПК 120 при наличии оградительной дамбы. Далее были проведены расчёты заносимости лимитирующего участка канала на ПК 120 при наличии дамбы обвалования, в которой имеются прорези для рыбоходов (обязательное требование рыбоохранных органов). Плановое положение дамбы представлено на карте глубин (рис. 5).
Рис. 5. Схема защитной дамбы в районе западного прорана на ПК 120
Поступление волновой энергии в канал через прорези дамбы показано на рис. 6.
На рис. 7 представлены численные расчеты заносимости канала за период времени 10 сут.
Рис. 6. Распределение средней вы-
Рис. 7. Распределение изменений
соты волн с учетом защитной дамбы на поля глубин для периода времени 10 сут подходе к каналу и по трассе канала, м при наличии оградительной дамбы, м
Сравнение рис. 4 и 7 показывает, что наличие дамбы обвалования на лимитирующем участке канала на ПК 120 является существенным препятствием для транспорта наносов при действии западных ветров.
5. Предварительные рекомендации по уменьшению заносимости канала
Для уменьшения заносимости ВКМСК могут быть предложены различные технологии.
1. Наилучший вариант — устройство защитных дамб обвалования с использованием вынимаемых грунтов; при таком варианте защиты предлагается проводить укрепление верха дамбы высшими водными растениями типа рогоза и камыша (подобный вариант защиты морского побережья используется в Голландии).
2. Устройство локальных переуглублений на дне канала.
3. Устройство специальных «карманов-ловушек» в забровочной части канала.
4. Создание дамб обвалования с использованием геосинтетиков (геотуб), в которые запечатывается грунт при дноработах. Этот вариант наиболее экологичен, но и более затратен.
5. Использование геотехнологии типа «томболо» (специальным образом формируемые подводные защитные дамбы).
Экономическую эффективность того или иного варианта можно будет оценить на этапе разработки проекта производства работ по защите канала от за-носимости.
В качестве примера на рис. 8 приведены варианты 1—3 защиты канала.
Рис. 8. Схема инженерных мероприятий по защите морского канала от заноси-мости: 1 — проектируемая дамба обвалования, засаженная высшей водной растительностью (ВВР); 2 — переуглубление дна канала; 3 — ловушка на бровке канала; 4 — существующие отвалы грунта
На рис. 9 приведен поперечный разрез по линии АА (см. рис. 8).
Рис. 9. Поперечный разрез канала по линии А-А (см. рис. 8): 1 — дамба обвалования, засаженная ВВР; 2 — вариант переуглубления дна канала; 3 — ловушка наносов, организованная в забровочной части канала
Заключение. В результате выполненных численных расчетов были получены следующие результаты:
1. Впервые была разработана и успешно реализована адаптированная для условий Северо-Западного Каспия численная модель для расчета заносимости морского канала ВКМСК с учетом сложных морфометрических и гидродинамических факторов.
2. Данные расчетов заносимости в рамках численной модели близки к значениям объемов ремонтных дноуглубительных работ на участке канала ПК 137—150, что говорит о надежности выполненной адаптации модели для
ВЕСТНИК 6/2013
6/2013
сложных морфометрических и гидродинамических условий Северо-Западной акватории Каспия.
3. Проведенные модельные расчеты показывают, что при волнении и поступлении водных масс в главное русло ВКМСК через существующие прораны, происходит перенос наносов из забровочной части акватории в главное русло. При этом создание оградительной дамбы на месте прорана достаточно эффективно ослабляет ветро-волновое воздействие на лимитирующих участках канала и тем самым препятствуют транспорту наносов из забровочной части в корыто канала и его заносимости.
4. Результаты проведенных расчетов дают возможность: использовать адаптированную численную модель при прогнозировании
процессов заносимости канала для последующей оптимизации работ по дноуглублению канала;
разработать рекомендации, снижающие заносимость на лимитирующих участках канала.
Библиографический список
1. Отчет о НИР «Исследование гидрометеорологического режима и моделирование процессов заносимости морской части ВКМСК». Арх. № 3-05 I НИР. М. : ИК «Экология и природа», 2012. 117 с.
2. Blumberg A.F. and Mellor G.L. A description of a three-dimensional coastal ocean circulation model I Three-Dimensional Coastal Ocean Circulation Models, Vol. 4, edited by N.Heaps. American Geophysical Union, Washington, D.C., 1987. 208 p.
3. Booij N., Holthuijsen L.H. and Ris R.C. The "SWAN" wave model for shallow water, Proc. 25th Int. Conf. Coastal Engng., Orlando.
4. Zhou Liu. Sediment transport. Aalborg Universitet, 2001.
5. Delft3D-FLOW. User Manual Version: 3.15. Revision: 18392 (7 September 2011). Delft, Deltares. 2011.
6. Сайт сообщества разработчиков Delft3D. Режим доступа: http:IIoss.delft3d.nl. Дата обращения 08.07.2012.
7. СНиП 2.06.04—85*. Ветровые и волновые нагрузки. М. : Госстрой, 1986. 40 с.
Поступила в редакцию в мае 2013 г.
Об авторах: Кривицкий Сергей Владимирович — кандидат географических наук, профессор, старший научный сотрудник, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Архипов Борис Витальевич — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, заведующий сектором, ФГБУН «Вычислительный центр им. А.А. Дородницына Российской академии наук» (ВЦ РАН), 119333, г. Москва, ул. Вавилова, д. 40, [email protected];
Солбаков Вячеслав Викторович — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, ФГБУН «Вычислительный центр им. А.А. Дородницына Российской академии наук» (ВЦ РАН), 119333, г. Москва, ул. Вавилова, д. 40, [email protected];
Соловьёв Михаил Борисович — кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, ФГБУН «Вычислительный центр им. А.А. Дородницына Российской академии наук (ВЦ РАН)», 119333, г. Москва, ул. Вавилова, д. 40, [email protected].
Для цитирования: Заносимость отдельных участков Волго-Каспийского морского судоходного канала / С.В. Кривицкий, Б.В. Архипов, В.В. Солбаков, М.Б. Соловьёв // Вестник МГСУ 2013. № 6. С. 177—188.
S.V. Krivitskiy, B.V. Arkhipov, V.V. Solbakov, M.B. Solov'ev
SEDIMENT TRANSPORT IN SPECIFIC AREAS OF VOLGA-CASPIAN SHIPPING CANAL
Volga-Caspian shipping canal is the main waterway linking the port of Astrakhan with ports of the Caspian sea. Currently, the Caspian Sea fall and sediment transport make ship owners suffer from substantial financial losses. Critically small canal depth in combination with poor weather and hydrodynamic conditions complicate piloting and make vessels stop for a few days. One of the main conditions of operation of this sea transport route is the navigation safety in the context of the further fall of the Caspian sea.
The main objective of this study is to evaluate the sediment transport in some areas of the canal. Numerical modeling of the sediment transport was performed for some of its areas to assess its sedimentation.
At first, the numerical model of the climatic conditions of the Caspian sea was developed to evaluate sediment transport processes based on specific morphometric and hydrodynamic factors. Model calculations demonstrate that currents bring sediments into the canal. Also, the numerical simulation proves that a seawall may effectively reduce wind and wave actions. According to the results of the numerical simulation, recommendations are generated to reduce the sedimentation.
The numerical model can be employed to project the sediment transport pattern and subsequent optimization of dredging works. Bioengineering technologies that may protect the sea canal from the sediment transport are considered.
Key words: canal dredging, dumping, wind and wave prediction model, sea currents, sediment transport, numerical calculations, protection of the sea canal, environmental methods, bioengineering technologies.
References
1. Otchet o NIR «Issledovanie gidrometeorologicheskogo rezhima i modelirovanie protsessovzanosimostimorskoy chasti VKMSK» [Research into Hydrometeorological Regime and Simulation of Sediment Transport in the Marine Section of Volga-Caspian Shipping Canal]. Arch. No. 3-05/NIR. Moscow, Ekopriroda Ltd Publ., 2012, 117 p.
2. Blumberg A.F., Mellor G.L., Heaps N., editor. A Description of a Three-dimensional Coastal Ocean Circulation Model. Three-Dimensional Coastal Ocean Circulation Models. American Geophysical Union. Washington, D.C., 1987, vol. 4, 208 p.
3. Booij N., Holthuijsen L.H., Ris R.C. The "SWAN" Wave Model for Shallow Water. Proc. 25th Int. Conf. Coastal Engng, Orlando, 1996.
4. Zhou Liu. Sediment Transport. Aalborg Universitet, 2001.
5. Delft3D-FLOW. User Manual Version: 3.15. Revision: 18392 (7 September 2011). Delft, Deltares, 2011.
6. Delft3D developers community website. Available at http://oss.delft3d.nl. Date of access: 08.07.2012.
7. SNiP2.06.04—85*. Vetrovyeivolnovyenagruzki[Construction Rules and Regulations 2.06.04—85*. Wind and Wave Loads]. Moscow, Gosstroy Publ., 1986, 40 p.
ВЕСТНИК 6/2013
6/2013
About the authors: Krivitskiy Sergey Vladimirovich — Candidate of Geographical Sciences, Senior Researcher, Professor, Department of Engineering Geology and Geo-ecology, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation, [email protected];
Arkhipov Boris Vital'evich — Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Senior Researcher, Head of Department, Dorodnitsyn Computing Center of Russian Academy of Sciences (СС RAS), 40 Vavilova st., Moscow, 119333, Russia Federation; arhip@ ccas.ru;
Solbakov Vyacheslav Viktorovich — Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Senior Researcher, Dorodnitsyn Computing Center of Russian Academy of Sciences (СС RAS), 40 Vavilova st., Moscow, 119333, Russia Federation; [email protected];
Solov'ev Mikhail Borisovich — Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Researcher, Dorodnitsyn Computing Center of Russian Academy of Sciences (СС RAS), 40 Vavilova st., Moscow, 119333, Russia Federation; [email protected].
For citation: Krivitskiy S.V., Arkhipov B.V., Solbakov V.V., Solov'ev M.B. Zanosimost' otdel'nykh uchastkov Volgo-Baltiyskogo morskogo sudokhodnogo kanala [Sediment Transport in Specific Areas of Volga-Caspian Shipping Canal]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 6, pp. 177—188.
