Гидрологические факторы

Колебания уровня воды. Эта важнейшая гидрологическая ха­рактеристика определяет не только высотные отметки территории порта и глубины на подходах и у причалов, но и форму крепления берега и конструкцию причальных сооружений.При действии ветра на поверхность воды на значи­тельном протяжении, в результате трения между воздухом и во­дой, возникает сначала движение поверхностных частиц, которое затем, передаваясь на глубину, образует ветровое течение. Это те­чение способствует повышению уровня у наветренного берега— нагону, и понижению у подветренного — сгону. Амплитуды нагонов и стонов воды на водохранилищах могут в отдельных случаях достигать 1 м и больше.Еще более значительное влияние ветровые нагоны и сгоны имеют у отмелых берегов морей, в длинных сужающихся заливах и устьях рек. Здесь амплитуды колебания уровня достигают иног­да 2—3 м. Так в устье Волги подъем воды при нагоне достигает 2 м, а понижение при сгоне — 1 м. В устье Дона — соответствен­но 2.5 и 2 м. В устье р. Невы неблагоприятное сочетание ветрово­го нагона с влиянием циклонов приводит к наводнениям, при которых уровень реки повышается более чем на 4 м. У берегов открытых морей происходят приливно-отливные ко­лебания уровня под действием астрономических факторов. В от­личие от нагонов и сгонов воды, которые по существу случайны, приливы и отливы строго периодичны.Приливы и отливы на Земле формируются главным образом под действием притяжения Луны и Солнца. Каждая час­тица водной оболочки Земли будет притягиваться Луной. Кроме того, на эту же частицу действуют центробежные си­лы от вращения Земли и Луны вокруг оси, проходящей через центр тяжести системы Земля—Луна. В результате сложения этих сил водная оболочка Земли должна деформиро­ваться. В каждой точке земной поверхности в период лунных суток, равных 24 ч 50 мин, дважды наступает прилив (полная вода) и дважды отлив ('малая вода).Так как приливообразующая сила прямо пропорцио­нальна массе и обратно пропор­циональна кубу расстояния, то нетрудно вычислить, что действие Солнца будет примерно в 2.4 ра­за слабее действия Луны. Когда Луна, Земля и Солнце находятся на одной пря­мой, приливообразующие силы Луны и Солнца складываются и высота прилива будет наиболь­шей (сизигия) – полнолуние и новолуние. При квадратурах, когда угол между направлениями с Земли на Луну и Солнце близок к прямому (первая и последняя четвер­ти Луны), приливообразующие силы Луны и Солнца противо­действуют и высота прилива будет наименьшей.Изложенная выше “астрономическая” схема приливных явле­ний в значительной степени корректируется “земными” причина­ми. На общую картину этих явлений накладывается прежде все­го влияние инерции водных масс, а различные глубины моря, рельеф дна и очертания берегов в еще большей степени искажа­ют правильный периодический характер приливов и отливов. Вре­мя запаздывания момента наступления полной воды по сравне­нию с моментом прохождения Луны через меридиан называется лунным промежутком. Средний лунный про­межуток называется прикладным часом порта. Амплитуды приливно-отливных колебаний уровня воды в от­крытых морях и океанах невелики — 1.5—2.0 м. Однако около морских берегов, в местах значительного влияния дна и берегов, и в особенности в глубине сужающихся заливов, происходит зна­чительное усиление приливно-отливных явлений. Так, например, в заливе Фунди в Северной Америке амплитуда приливов и отли­вов достигает 15 м, у Атлантического берега Франции она изменяет­ся от 2 до 12 м, у английских берегов—от 7 до 11 м. В отечест­венных морях эта амплитуда характеризуется следующими величинами: у Мурманского побережья—4.5 м, у горла Белого мо­ря—5.5 м, в Мезенском заливе—6—8 м, в Пенжинской губе Охотского моря - 11 м.Во внутренних морях приливно-отливные явления выражены весьма слабо: в Балтийском, Черном и Каспийском морях при­ливная амплитуда измеряется всего несколькими сантиметрами.

Соленость морской воды – характеризуется ее физико-химическим составом. Измеряется в промилях (количество соли в граммах, содержащийся в 1 кг воды). В морской воде содержится много солей, но основным компонентом является хлористый натрий – 80%, хлористый магний и сульфаты - по 10%. Соленость в различных бассейнах неодинакова и в значительной степени связана с притоком речных вод. Степень солености морской воды влияет на жизнедеятельность морских древоточцев, от чего зависит срок службы деревянных элементов портовых конструкций.

Солевой состав морской воды определяет степень ее агрессивности по отношению к бетонным и железобетонным подводным частям гидротехнических сооружений. Известны случаи, когда под действием морской воды бетонные и железобетонные элементы конструкций резко снижали свою прочность в течение нескольких лет. При соответствующем подборе состава бетона и соблюдении технических условий строительства эти элементы не теряли в аналогичных условиях прочности в течение нескольких десятков лет.

Волнение. На поверхности любого водоема могут возникать и перемещаться волны. Причины возникновения волн различны” но главными можно считать землетрясения, силу притяжения Луны и Солнца и ветер. Землетрясения, эпицентр которых нахо­дится на дне океана, вызывают сейсмические волны, называемые цунами. Волны эти, почти незаметные для кораблей в открытом море, по мере приближения к берегу постепенно увеличиваются по высоте, и в результате на берег обрушиваются уже волны, высота которых может достигать десятков метров.Последствия воздействия таких волн катастрофичны. В 1896 г. действию цу­нами подверглась северо-восточная часть Японии. В вершинах заливов волны достигали высоты более 30 м, а на других уча­стках побережья, общей протяженностью около 320 км, высота волны была от 4 до 25 м. Печальные события 26 декабря 2004, когда подводное землетрясение в Индийском океане также вызвало цунами, задевшее многие страны Юго-Восточной Азии, 11 марта 2011 года в у берегов Японии произошло землетрясение магнитудой не менее 8,9. Эпицентр был расположен в 130 километрах от побережья префектуры Мияги. Вскоре на берега Японии обрушилось мощное цунами, высота волн которого в некоторых местах составила десять метров. Обширное затопление привело к отключению света в миллионах домов, остановке ряда АЭС и другим происшествиям. По предварительной оценке, число жертв и пострадавших составило около 23 тысяч человек. Волны цунами меньшей разрушительной силы возникают в различных точках земного шара ежегодно. Ввиду того, что от момента землетрясения до подхода цунами к берегу проходят часы, за по­следние годы в ряде стран, подверженных цунами, удалось на­ладить службу предупреждения. Поэтому, хотя эти волны по-прежнему производят опустошительные действия на берегах, но число человеческих жертв сводится к минимуму. Ввиду случай­ной природы цунами ясно, что учет этих волн в инженерных рас­четах сооружений затруднителен и связан с большими затратами при строительстве.Волны приливные в большинстве случаев проявляются лишь в виде медленного подъема и спада уровней.

Наибольший интерес для портостроения представляют волны, возникающие под действием ветра. Ветровые волны, сформированные ветром и продолжающие находиться под его воздействием, называются вынужденными.

Волны, вышедшие из района действия ветра или распространяющиеся после его прекращения называются свободными или волнами зыби.

Элементы волны:

- гребень (вершина);

- впадина (подошва);

- длина волны:

- высота волны;

- период волны;

- скорость распространения волны;

Размеры и характер ветровых волн зависят как от скорости ветра и его продолжительности, так и от протяженности водной поверхности, на которой ветер действует на воду. Поэтому на реках, если исключить устьевые участки крупнейших рек (Оби, Енисея, Лены и др.), волны не вызывают каких-либо затруднений для перегрузочных работ у причалов, а силовое воздействие волн на сооружения так мало, что его не учитывают. На крупных водохранилищах высота волн достигает 4 м, а у открытых берегов морей и океанов — 10 м и более. При отсутствии естественной защиты на водохранилищах и морях акватории портов приходится ограждать специальными сооружениями — молами и волноломами, которые подвергаются мощному силовому воздействию волн. Для правильной компонов­ки оградительных сооружений и выбора их конструкции необхо­димо знать как основные параметры волн, так и повторяемость волн по различным направлениям.

Наиболее правильную форму колебательного движения имеют волны зыби. При глубине моря, превышающей половину длины волны, в месте, где происходит волнение, каждая точка в толще воды описывает орбиту, которую можно принять за круговую с радиусом, убывающим по глубине. Таким образом частицы волны не находятся в состоянии поступательного движения. При распространении волн в сторону берега под влиянием уменьшающихся глубин происходит непрерывное изменение характеристик волнения - высоты волны, длины, скорости распространения. При приближении к берегу с уменьшением глубин волна зыби превращается в волну перемещения – прибойную волну. Прибойная волна имеет пенистый гребень или отдельные заплески гребней волн.

В некоторых портах (п.Корсаков –о.Сахалин) наблюдается периодический подъем и спад воды («тягун»). Происходит это в результате образования длинных волн (500-800 м) небольшой высоты порядка 15 см, которые возникают из-за резкого изменения давления воздуха. Вкатываясь в портовую акваторию, эти волны вызывают колебание пришвартованного судна, что затрудняет производство грузовых работ.

Расчеты по определению исходных параметров волн дают их средние значения: высоты Н, дли­ны L и периода Т. Для проекти­рования различных портовых объектов нужно знать высоты волн определенной обеспеченно­сти. Под обеспеченностью любо­го параметра волны в системе волн понимается выраженное в процентах количество волн, у ко­торых числовое значение пара­метра больше или равно, чем у остальных волн в ряду из 100 волн, проходящих непосредствен­но одна за другой через рас­сматриваемую точку акватории.Большое значение для портостроения имеет дифракция волн — искривление лучей и изменение высоты бегущих волн, огиба­ющих препятствия, или проходящих через узкость. При прони­кании волн на акваторию порта волны распластыва­ются, а так как их гребни постепенно удлиняются, то высота волн довольно быстро уменьшается. На этом принципе основана за­щита акваторий портов от волнения при помощи оградительных сооружений.