Ветровое волнение в Амурском лимане

УДК 627.08

ВЕТРОВОЕ ВОЛНЕНИЕ В АМУРСКОМ ЛИМАНЕ

© 2015 П.А. Соколова, Т.Г. Пономарева

Дальневосточный Федеральный университет, г.Владивосток

Поступила в редакцию 11.05.2015

В работе рассмотрен один из возможных способов решения проблемы улучшения судоходных условий Амурской водной системы; рассмотрены особенности формирования ветровых колебаний волн в Амурском лимане, дан расчет высоты волн вдоль судоходного фарватера лимана при различных ветровых условиях с учетом приливов.

Ключевые слова: Амурский лиман, поля ветра, высота волн, приливы, профиль дна

Актуальность темы связана с проблемой судоходства в мелководном Амурском лимане. Мел-ководность судоходного Южного фарватера, соединяющего Татарский пролив с р. Амур, препятствует прохождению судов в реку в период отлива. Войдя в лиман, суда вынуждены простаивать 5-6 часов в ожидании прилива из Японского моря. Широко применяемые в настоящее время дноуглубительные работы не дают ожидаемых результатов из-за быстрой заносимости прорезей, поэтому поиск наиболее оптимальных решений весьма актуален. Примером такого решения мог бы служить проект канала, соединяющего р. Амур с Татарским проливом через озера Большое и Малое Кизи, по которому предполагалось осуществить проводку судов, минуя мелководный Амурский лиман. Но проект этот пока неосуществим. С другой стороны, проводка судов через судоходный фарватер допустима при определенных ветровых и приливных условиях. Для этого необходимы знания условий формирования ветро-волнового режима в Амурском лимане.

Проблема улучшения условий судоходства в устье Амура еще не решена. Предлагаются несколько различных мер по углублению и выправлению фарватеров в устье реки. И.А. Соловьев [9] предлагает на мелководье вблизи западных берегов лимана прорыть искусственные судоходные каналы и защитить их дамбами. Видимо, и эта мера не приведет к желаемым результатам, так как дамбы будут разрушаться волнением и льдом. Радикально проблема судоходства через устье Амура может быть решена, по-видимому, путем сооружения судоходного шлюзованного канала Амур -оз.Кизи - Татарский пролив. По предложениям Гидропроекта объем канала составит 2,5 млн.м3, шлюза -62500 м3, количество шлюзований

Соколова Полина Алексеевна, аспирантка Пономарева Тамара Гавриловна, кандидат географических наук, доцент кафедры океанологии и гидрометеорологии Школы естественных наук. E-mail: ptamara24@gmail. com

предполагается до 20 раз в сутки. Месячный объем воды, забираемый в теплый период года на шлюзование, составляет 0,0375 км3, т.е. менее 1% месячного стока в самый мелководный период.

Более значительные изменения гидрологич-ского режима предполагаются в прибрежной зоне Татарского пролива (в зоне смешения речных и морских вод) за счет притока речных вод. По предварительным расчетам теплоотдача реки в Татарский пролив составляет 3,37-1015Дж, что приведет к повышению температуры воды в этой зоне на 22,5 °С и уменьшению солености вод до 20%о. Эти предполагаемые изменения, учитывая небольшую зону смешения вод, не скажутся на режиме всего Татарского пролива в целом. Учитывая, что зимой канал работать не будет, изменение гидрологических условий зимой ожидать не следует. Строительство канала может перенести существенную экономическую выгоду и разрешить многие затруднения транспортной проблемы.

В настоящее время, как указывалось выше, проводка судов, через главный судоходный фарватер (южный) допустима при определенных ветровых условиях. Амурский лиман представляет собой мелководный бассейн (средняя глубина около 5 м), соединяющий Японское и Охотское моря (рис. 1). Большая часть лимана заполнена отмелями и банками, среди которых проходят узкие судоходные фарватеры с глубинами от 5 до 20 м. [5]. Близкое соседство с Тихим океаном определяет муссонный характер климата, что оказывает большое влияние на рельефообразующие процессы и режим лимана в целом. В летний период над бассейном создаются благоприятные условия циклогенеза. Преобладающими являются ветры южных направлений. Наиболее часто повторяются слабые ветры (до 5 м/с) и умеренные (6-10 м/с). Максимальные скорости ветра не превышают 25 м/с. Летом в муссон-ную циркуляцию могут вносить коррективы тайфуны [1, 4]. Ветровые колебания волн в Амурском лимане формируются на фоне приливных явлений, вызванных приливными волнами Охотского и Японского морей. Величина прилива слабо

уменьшается с севера на юг вдоль материкового ского). Величина приливов, накладываясь на вет-побережья, достигая минимума в районе устьевого ровые волны, вызывает некоторое повышение поствора (м. Пронге), а далее к югу возрастает, дости- следних. гая максимума на южной границе (пролив Невель-

Рис. 1. Устьевая область реки Амур. Слева - схема устьевой области реки Амур. Справа - спутниковый снимок из приложения «Google Планета Земля»

При изучении ветро-волнового режима использован способ, заключающийся в пересчете полей ветра (скорость и направление) в поле волн (высота, длина и продолжительность) [2]. Над небольшой мелководной акваторией, какой является Амурский лиман, где скорость и направление ветра можно считать постоянным, а волнение установившимся [3], параметры волн определяются скоростью и направлением ветра, разгоном волн по направлению волн и зависят от конфигурации береговой линии. В этом случае для их расчета достаточно иметь сведения о повторяемости скоростей ветра по направлению [8] (табл. 1). На основе этой таблицы рассчитана обеспеченность скоростей ветра. В результате статистической обработки полученных данных на билогарифмической клетчатке вероятности построены кривые распределения скоростей ветра для каждого месяца, которые использованы для расчета параметров волн в расчетных пунктах.

Для каждого из трех расчетных пунктов Амурского лимана вдоль судоходного Южного фарватера (м. Лазарев, м. Джаоре и м. Пронге) (рис. 1) определены (по лоцманской карте М 1:100000) средние глубины, приведенные к теоретическому нулю глубин, и наибольшие величины приливов, рассчитанные над теоретическим нулем глубин (табл. 2). При расчете волнения с учетом приливов глубина увеличена на величину прилива в пункте.

Исходными данными для расчета волн служит относительный разгон (Х/У2т)*103 и

относительная глубина в точке (Н/ где - У2т скорость ветра в точке. Для определения длины разгона волн построены профили дна вдоль основных направлений ветра по 8 румбам от подветренного берега до расчетной точки. В качестве примера на рис. 2 представлен профиль дна вдоль юго-восточного направления ветра от подветренного берега до м. Лазарев. Для каждого участка профиля определена глубина и длина разгона волны в конце участка. Задавая скорость ветра в точке, можно определить среднюю высоту волны (Ь) в конце первого участка, которая принимается в качестве исходной для расчета высоты в конце второго участка и т.д. Средние высоты волн (Ь), их период (т) и длина (к) в расчетных точках определены согласно рекомендациям ГОИНа [6,] и представлены в табл. 1 (графы 9-17). Для подсчета обеспеченности средних высот волн используются соответствующие им значения повторяемости скорости ветра (если высота волн повторяется несколько раз, то все значения повторяемости скорости ветра, соответствующие этим величинам, суммируются). Так как обеспеченности высот волн должны быть такими же, как и у формирующей их скорости ветра, то на тех же билогарифмических клетчатках вероятностей, на которых построены кривые распределений скоростей ветра, построены кривые распределения средней высоты волны (рис. 3), которые используются для определения этих характеристик различной режимной обеспеченности

Таблица 1. Повторяемость скорости ветра и средние параметры волн по направлениям

Характеристики ветра Повторяемость скоростей ветра, Р % Средние характеристики волны, h м

Направление ветра Гравитация поля ветра Значение ветра в т. Ут, м/с VI VII VIII IX X м. Лазарев м. Пронге м. Джаоре

ч А ^ от р Высота Ь, м Длина, м иродолжи-тель Высота Ь, м Длина, м ижл ь дло ьтел от р Высота Ь, м Длина, м

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

СЗ 0-5 2,2 2,5 2,8 3,7 6,5

6-10 6 2,1 1,4 1,1 5,3 10 2, 6 0,3 10,4 2,0 0, 2 6, 5 2,0 0, 2 6, 5

11-15 11 0,33 - 0,33 0,9 3,2 3,1 0,5 15,7 2,8 0,4 12,0 2,8 0,4 12,0

16-20 16 - - - 0,33 0,57 3,8 0,8 23,6 3,5 0,7 19,7 3,2 0,6 16,1

21-25 21 0 0 0 0 0 4,2 1,0 28,7 3,9 0,9 24,7 3,6 0,8 21,6

С 0-5 5,8 7,0 7,1 6 5,4

6-10 6 4,4 4,0 2,9 7,6 11 2,0 0,2 6, 5 2,0 0, 2 6, 5 2,0 0, 2 6, 5

11-15 11 1,8 0,66 0,41 2,1 4,1 3,1 0,5 15,7 2,8 0,4 12,0 3,1 0,5 15,7

16-20 16 0,41 0,16 0,08 0,16 0,57 3,5 0,7 19,7 3,2 0,6 16,1 3,5 0,7 19,7

21-25 21 - - - 0,08 0,25 4,2 1 28,7 3,6 0,8 22,0 4,2 1 28,7

СВ 0-5 2,8 3,3 3,9 3,7 2,5

6-10 6 3,5 3,3 2,1 3,6 3,4 2,0 0,2 6, 5 2,0 0, 2 6, 5 2,0 0, 2 6, 5

11-15 11 0,98 0,82 0,41 0,9 0,66 3,1 0,5 15,7 2,8 0,4 12,0 3,1 0,5 15,7

16-20 16 0,08 - - 0,33 0,16 3,8 0,8 23,3 3,2 0,6 16,1 3,5 0,7 18,7

21-25 21 - - - 0,08 - 4,2 1 28,7 3,6 0,8 21,6 4,2 1 27,8

В 0-5 6 2,7 3,9 4,2 1,2 0,74 2,0 0,2 6,5 2,0 0,2 6,5 2,6 0,3 10,4

11-15 11 - 0,33 0,33 0,66 0,57 3,5 0,6 19,2 2,8 0,4 12,0 2,8 0,4 12,0

16-20 16 0,08 - - 0,16 0,08 3,5 0,7 19,7 2,9 0,5 23,8 3,5 0,7 19,7

21-25 21 - - - 0,08 - 4,2 1 28,7 3,2 0,7 17,6 3,9 0,9 24,7

ЮВ 0-5 4 5,0 9,4 7,5 5,4 1,5 2,2 0,2 7,7 2,2 0,2 7,7 2,2 0,2 7,7

6-10 8 1,5 3,5 4,2 3,6 0,57 2,9 0,4 13,4 2,4 0,3 9,0 2,9 0,4 13,4

11-15 15 0,66 0,25 0,16 0,33 0,41 3,8 0,7 22,3

16-20 20 0,25 - 0,08 - - 4,4 1,1 30,8 3,7 0, 8 22,0 4,2 1,0 28,4

21-25 25 0,16 - - - - 4,9 1,4 40,0 4,0 1,0 25,6 4,5 1,2 32,5

Ю 0-5 4 11 14 16 11 2,9 2,2 0,2 7,7 1,4 0,1 3,4 2,2 0,2 7,7

6-10 8 11 10 12 8,2 3 2,9 0,4 13,4 2,4 0,3 9,3 2,4 0,3 9,3

11-15 14 3,8 1,7 1,5 1,6 0,49 3,4 0,6 17,6 2,9 0,5 14,1 2,9 0,5 14,1

16-20 20 0,41 0,16 - 0,16 0,08 3,8 0,9 24,8 3,7 0,8 22 3,4 0,7 18,4

ЮЗ 0-5 5 6,1 5,6 9 4,1 4,6 1,4 0,1 3 1,4 0,1 3

6-10 10 8,6 7,1 8,9 6,5 8,7 1, 1 0, 1 2, 1 2,4 0,3 8,9 2,4 0,3 8,9

11-15 15 2,2 1,5 1,6 0,82 0,49 1,5 0,2 3,8 2,9 0,5 14 2,9 0,5 14

16-20 20 0,08 - 0,33 0,08 - 2,2 0,4 8,4 3,4 0,7 18,4 3,4 0,7 18,4

21-25 25 - - 0,08 - - 2,7 0,6 12,5 3,2 0,8 17,5 3,2 0,8 17,5

З 0-5 6 1,6 2,5 2,3 4,2 7,6 1,3 0,1 2,8 1,3 0,1 2,8 1,3 0,1 2,8

6-10 11 1,2 1,2 2,1 5,5 10 1,8 0,2 5,2 1,8 0,2 5,2 1,8 0,2 5,2

11-15 16 0,33 0,08 0,1 1,3 1,2 2,4 0,4 10,2 2 0,3 6,4 2,4 0,4 10,2

16-20 21 - - - - 0,25 2,5 0,5 10,6 2,5 0,5 10,6 2,9 0,6 14,1

Шт иль 12 14 9,3 7,6 9,4

Таблица 2. Основные характеристики в расчетных точках

Характеристики Пункты

м.Пронге м.Джаоре м.Лазарев

средняя глубина в точке, приведенная к теоретическому нулю глубин, Н м. 10 5 10

наибольшая величина прилива над теоретическим нулем глубин, А м. 1,0 1,4 1,8

Полученные в результате статистической обработки характеристики волн и ветра можно экстраполировать для получения экстремальных значений этих характеристик на период до 50 лет. При этом наибольшее значение скоростей ветра и высот волн, возможные один раз в п лет, отвечают обеспеченности, определяемой по формуле

п N

п

где N - число дней в интервале, для которого построены кривые распределения (для месячных кривых N = 30 дней); п - заданное число лет (п = 1; 5; 10; 20; 50).

обеспеченности, т.е. Ьб=Ь Кь. Аналогично получают длину волны (к) и ее продолжительность (т) кр=к К(к) и тб=т К(т). Параметры волн в расчетных пунктах при обеспеченности 3% приведены в табл. 3. Расчетные данные табл. 1 (графы 10, 13, 16) показывают, что средняя высота волн изменяется от 0,1 м при западных ветрах скоростью до 5 м/с до 1,4 м при юго-восточных ветрах скоростью 21-25 м/с. Ее наибольшие значения формируются у м. Лазарев. Уменьшение этих величин у м. Джаоре до 1,2 м. и у м. Пронге до 1,0 м происходит в результате значительного придонного трения на мелководье. Расчетные характеристики высоты волны, при обеспеченности 3%, полученные с помощью функции распределения Реллея и достигают 2,7 м у м. Лазарев, уменьшаясь до 2,0 м у м. Пронге (табл. 3).

Рис. 2. Профиль дна вдоль юго-восточного направления ветра от подветренного берега до расчетного створа

Иногда практику гидрометеорологического обеспечения различных морских работ интересуют высоты волн заданной обеспеченности, чаще всего при обеспеченности Р=3% в квазистационарном ряду волн. Такие высоты получают с помощью функции распределения Рэлея (Кп), числовые значения которой представляют известные коэффициенты [7] при различных соотношениях высоты волны к глубине в расчетной точке. Умножением этого коэффициента на рассчитанную среднюю высоту волны получают волны заданной

Рис. 3. Кривые распределения скорости ветра

в точке (УГ) и средней высоты волны (Ъ) в расчетных пунктах (сентябрь). 1 - м.Лазарев, 2 - м.Джаоре, 3 - м.Пронге

Таблица 3. Параметры волн 3%-ой обеспеченности в расчетных пунктах Амурского лимана

м. Лазарев м. Джаоре м. Пронге

высота волны Ь, м период т длина к, м высота волны Ь, м период т длина к, м высота волны Ь, м период т длина к, м

1 2 3 4 5 6 7 8 9

2,7 7,5 75 2,3 6,9 54,0 2,0 6,2 52

2,2 6,8 58 1,9 6,5 50,0 1,8 6,0 50

2,0 6,5 58 1,7 6,0 44,0 1,6 5,5 4

1,8 5,9 50 1,6 5,5 39,0 1,4 5,1 38

1,6 5,7 48 1,4 5,2 34,0 1,2 4,9 34

1,4 5,5 42 1,2 4,9 32,0 1,0 4,5 29

1,2 5,1 36 1,0 4,6 28,0 0,8 4,2 25

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1,0 4,6 31 0,8 4,3 24,0 0,6 3,7 19

0,8 4,0 23 0,6 3,7 20,0 0,4 3,1 12

0,6 3,4 16 0,4 3,1 14,0 0,2 2,2 6

0,4 3,1 13 0,2 2,2 6,0

0,2 1,8 4

Выводы: проведенные исследования полей ветра и волн позволили получить исчерпывающие характеристики волнения в Амурском лимане по судоходному Южному фарватеру и могут быть использованы в практике пропуска судов через Амурский лиман.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1.

6.

7.

Гидрология морских устьев рек Дальнего Востока. -Труды ДВНИИГМИ. 1989. Вып. 38, 182 с. 8.

2. Давидан, И.Н. Ветровое волнение в мировом океане / И.Н. Давидан, Л.И. Лопатухин, В.А. Рожков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 255 с. 9.

3. Методические указания. Расчет режима морского ветрового волнения. Вып. 42. - М.: 1979. 96 с.

Михайлов, В.Н. Гидрология устьев рек. - М.: издательство МГУ, 1998. 176 с.

Ресурсы поверхностных вод СССР. Том 18. Дальний Восток. Вып. 2. Нижний Амур. - М.: Гидрометеоиздат, 1970.

Руководство по расчету элементов гидрологического режима в прибрежной зоне морей и в устье рек при инженерных изысканиях. - М.: Гидрометеоиздат, 1973. 535 с.

Руководство по расчету параметров ветрового волнения. - Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 140 с. Справочник по климату СССР. Вып.25: Хабаровский край и Амурская область. Части 1 - 6. - СПб: Гид-рометеоиздат, 1992.

Соловьев, И.А. Амуро-лиманский русловой процесс и водные пути. - Владивосток: ТИГ ДВО РАН; ПФРГО-ОИАК, 1995. 269 с.

WIND WAVES IN AMURSKIY LIMAN

© 2015 P.A. Sokolova, T.G. Ponomareva

Far Eastern Federal University, Vladivostok

In the paper we consider one of the possible ways of improving navigation conditions in Amur water system; we also focuses on the features of formation the wind-wave oscillations in Amurskiy liman, methods and examples of calculating the wave heights along the navigable channel of liman under the different wind conditions and tides.

Key words: Amurskiy liman, wind fields, wave height, tides, bottom profile

Polina Sokolova, Post-graduate Student Tamara Ponomareva, Candidate of Geography, Associate Professor at the Department of Oceanology and Hydrometeorology at the School of Natural Sciences. E-mail: ptamara24@gmail.com