Изменения сезонной ветровой ситуации в районе Таганрогского подходного канала и их влияние на заносимость канала

УДК 551.351

ИЗМЕНЕНИЯ СЕЗОННОЙ ВЕТРОВОЙ СИТУАЦИИ В РАЙОНЕ

ТАГАНРОГСКОГО ПОДХОДНОГО КАНАЛА И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ЗАНОСИМОСТЬ КАНАЛА

© 2005 г. В.В. Латун

In abstract are considered changes of a wind situation in a gulf of Taganrog in 1996-2002.

Influence of changes on siltation is analysed.

Целью выполненных исследовательских работ является анализ сезонных параметров ветровой ситуации, её воздействие на гидро- и литодина-мические процессы и их влияние на заносимость Таганрогского подходного канала.

Таганрогский подходной канал (ТПК) в направлении от берега к оси залива последовательно пересекает ряд литодинамических зон, основные из которых - подводный склон (до глубин 3,0-3,5 м) и подводная равнина. Подводный береговой склон - отмелый с уклонами - 0,003-0,005. Глубина 1 м удалена на 200-300 м, 2-метровая изобата проходит в 600-650 м от уреза.

В верхней части подводного склона местами выработана ложбина с глубинами 0,3-1-1,2 м, удаленная от уреза на 20 м. С морской стороны она ограничена подводным валом. Крутизна склона ложбины (до 0,2) способствует накоплению здесь грубообломочного материала (гравия, гальки), выносимого с пляжа обратным потоком. Так, на восточной стороне косы Петрушиной ложбина располагается в 7-9 м от уреза. Уклоны дна здесь 0,08-0,09, далее простирается более пологий подводный склон -0,003-0,004 [1].

Ветровая ситуация по среднемноголетним данным

Наиболее действенными для формирования волнения, течений и лито-динамики Таганрогского залива, ось которого имеет восток-северо-восточную ориентировку, являются ветры восточной и западной четвертей. На северном побережье залива (ГМС Таганрог) ветры восточной четверти в течение года имеют наибольшую повторяемость - 40,98 %, в то время как западной - 26,99 %.

Сильные штормовые ветры от востока, северо-востока, запада и юго-запада составляют 70 - 80 % от общего числа штормовых ветров всех направлений.

Для береговых процессов наиболее действенными являются ветры от север-северо-востока до запада через юг. Сгонные северо-восточные, восток-северо-восточные и восточные ветры обеспеченностью 1 раз в году, в среднем за многолетний период достигают скорости 11-14 м/с, а нагонные юг-юго-западные, запад-юго-западные и юго-западные - 12-15,5 м/с

(табл. 1). Средние максимальные скорости, возможные 1 раз в 50 лет у восточного ветра - 19 м/с, запад-юго-западного - 20,7 м/с.

Таблица 1

Среднемноголетняя повторяемость направления ветра и штилей, %, по данным ГМС Таганрог

Месяц С СВ В ЮВ Ю ЮЗ З СЗ Штиль

I 8 18 32 4 3 8 17 10 10

II 6 18 36 5 4 8 15 8 8

III 8 20 32 3 3 9 15 10 10

IV 9 15 38 4 3 13 12 6 8

V 9 14 29 5 3 14 18 8 8

VI 13 15 24 6 4 11 17 10 11

VII 17 16 16 4 4 12 16 15 12

VIII 15 16 21 5 4 11 13 15 13

IX 16 18 27 4 3 7 12 13 14

X 9 19 34 5 2 5 14 12 13

XI 4 15 51 4 3 5 9 9 10

XII 7 16 39 6 3 7 14 8 11

Год 10 17 32 5 3 9 14 10 11

По данным ГМС Таганрог, ветрам основных направлений присущи и наибольшие скорости - более 10 м/с. Среднее многолетнее количество штормов в Таганроге 36, в отдельные годы может превышать 100 случаев в год [2].

Гидродинамика

Показатели ветрового режима, как правило, не совпадают с данными по направлениям и энергетике волнения, поскольку волноопределяющими на побережье являются только морские румбы. Ориентировка северного побережья Таганрогского залива обеспечивает развитие волн от восток-северо-востока через юг до запада. Как и в случае ветра, преобладающим направлением является восточная и западная группа румбов. В среднем, по данным ГМС Таганрог, на северном побережье залива преобладает волнение восточной четверти и в меньшей степени западной, соответственно, 49,84 и 33,77 %.

Чрезвычайно важна оценка совместного воздействия волнения и колебаний уровня. Ростовским госуниверситетом был выполнен расчет энергии и мощности волнений при различных отметках уровня. Максимальные величины волновой энергии приурочены к интервалу среднего многолетнего уровня 20, от 70 %. С повышением или понижением уровня на каждые 20 см энергия волнения изменяется на порядок и более. Район г. Таганрога характеризуется большой продолжительностью стояния

уровня на высоких отметках и повышенной энергией на этих уровнях -330,98 усл. эн. ед.

Сравнение изменений объема абразии и суммарной годовой энергии на высоких уровнях показало, что связь между ними более тесная, чем для суммарной годовой энергии во всем спектре уровней, т.е. скорость волнового разрушения обрывов и объем поступления материала являются производной энергии волнения на экстремальных нагонах высотой более 0,60,8 м. Их повторяемость в Таганроге составляет 0,7 % [3].

Решающим из гидродинамических факторов заносимости канала являются течения. В береговой зоне Таганрогского залива распространены течения разного генезиса - сгонно-нагонные, стоковые, компенсационные (градиентные). За период с 1965 по 1974 г. гидрометеослужбой выполнено свыше 70 тыс. наблюдений за течениями с помощью вертушек БПВ-2. В ряде случаев работы осуществлялись синхронно в нескольких точках. Имеющиеся данные касаются поверхностных течений, хотя большую ценность имеют сведения о характере придонных течений, осуществляющих перенос донного материала, размыв дна на контакте с гидрологическими сооружениями и т. п. По заключениям многих исследований в вершине залива и особенно в приустьевой части формируется однослойная модель ветрового течения, и что чаще всего направление течений во всей толще вод совпадает с направлением ветра. Такое положение, по-видимому, может действительно иметь место, но только не в периоды сильных штормов. Если действуют сильные ветры от В и СВ, то сначала во всей толще воды в восточном районе формируется однонаправленное течение (Бронфман, 1961).

Ростовским госуниверситетом было выполнено компьютерное моделирование системы течений по методике А.И. Фельзенбаума (1980). В результате получены схемы направлений течений, формирующихся при ветрах различных направлений и скоростей (рис. 1, 2). Расчёт направлений выполнен для поверхности, горизонтов 1,0, 2,0, 3,0 и 4,0 м. На их основе построены интегральные схемы, отражающие направление суммарного смещения водной массы в каждой точке. Их сравнение, полученное для ветров скоростью 10 и 20 м/с, показывает значительное сходство, в связи с чем нами в дальнейших исследованиях и экстраполяциях использовались схемы интегральных течений для ветров скоростью 10 м/с. На рис. 1 и 2 приведены течения, формирующиеся при ветрах восточных и западных румбов для акватории Таганрогского подходного канала. Они достаточно эффективны при исследовании течений в открытой акватории северо-восточного и юго-западного направлений. Как видно из приведённых схем, течения, формирующиеся в акватории ТПК, имеют направления, противоположные направлению ветра. Эта особенность отражает влияние конфигурации береговой линии и рельефа дна на циркуляцию вод залива.

Рис. 1. Интегральные схемы направлений течений, развивающихся в районе Таганрогского подходного канала при ветрах западных румбов

Рис. 2. Интегральные схемы направлений течений, развивающихся в районе Таганрогского подходного канала при ветрах восточных румбов

Отметим, что система течений хорошо согласуется с данными натурных наблюдений именно на открытой части акватории залива. В прибрежной полосе, где формируется наиболее сложная система вдольбере-говых и поперечных течений, данные моделирования менее эффективны и требуют корректировки с учётом планового рисунка береговой линии, морфологии поперечного профиля подводного склона и т.д.

Литодинамика

Литодинамические процессы в береговой полосе Таганрогского взморья в значительной мере определяются ориентировкой береговой линии. В связи с этим они ощутимо различаются даже на близрасположенных отрезках берега, таких, например, как восточный и западный берега Та-

ганрогского мыса. На восточном берегу, ориентированном в направлении север-юг, гидродинамический режим относительно спокойный.

Волны восточных румбов от юг-юго-востока до северо-востока имеют длину разгона менее 40 км, их высота на максимальной глубине 2,5 м не превышает 0,46 м (при скорости ветра 15 м/с). В прибрежной зоне на критической глубине 0,6-1,0 м высоты волн уменьшаются до 0,2-0,35 м, параметры критической 1% волны 0,7-0,8 м, при длине - 8,55 м.

При западных ветрах, формирующих нагон, на этом участке берега волнение под прикрытием мыса не развивается. Переработка расположенного здесь искусственного пляжа осуществляется вдольбереговыми и компенсационными течениями. Наибольшие параметры имеют волны юг-юго-восточного направлений. Критические расчетные однопроцентные волны этих румбов на глубинах более 1 м могут иметь высоту 0,7-0,8 м, длину 8,5 м при силе ветра 15 м/с.

Направление волноэнергетической равнодействующей для этого участка от восток-юго-востока объясняется значительной повторяемостью волнений восточной четверти - до 40 % в год. Результирующий эффект волнового воздействия 73 усл. эн. ед.

Западный берег Таганрогского мыса имеет субширотное простирание и подвергается воздействию в основном южных румбов. Западные косо-подходящие волнения проявляются на самой оконечности мыса, вне ветровой тени косы Петрушиной. С преобладанием волнений по нормали к берегу связаны незначительные вдольбереговые миграции в прикорневой и центральной частях этого участка, что подтверждается геоморфологическими данными. В пределах 12 бун, расположенных в восточной и центральной частях участка, наблюдается равномерное заполнение входящего угла как с запада, так и с востока. На 4 бунах, находящихся на оконечности мыса, отчётливо выражено поступление наносов с запада, здесь площади накопления в 2-3 раза больше, чем с восточной стороны [4].

Волны южных направлений испытывают меньшую рефракцию при движении к берегу, чем направленные под углом восточные. Поэтому высоты юг-юго-западных волн уменьшаются незначительно - от 0,69 до 0,67 м, а южных от 0,66 до 0,6 м.

При скорости ветра 20 м/с параметры восточных волнений снижаются с 0,53-0,51 м на глубокой воде до 0,43-0,42 на критической глубине. Максимально возможной высоты - 1,22 м достигают волны от юг-юго-запада. Это критические однопроцентные волны, развивающиеся при штормовых ветрах скоростью 20 м/с. Зона обрушения всех действующих волн при штормовых условиях располагается в интервале глубин 0,7-1,4 м. При меньших скоростях ветра (до 5 м/с) она смещается к берегу на глубину 0,3-0,5 м.

Волновая равнодействующая ориентирована по нормали к берегу, с юга имеет небольшую величину - 35 усл. эн. ед., вследствие редкой повторяемости основных действующих румбов.

Таким образом, в гидродинамическом режиме береговой зоны определяющая роль принадлежит ветрам и волнениям западной четверти, вызывающим нагоны. Их параметры (максимальная высота И = 1,5-2,5 м) и энергия вдвое превосходят максимальные характеристики ветров и волнений восточного направления (И = 0,7-1,2 м).

В зависимости от ориентировки берега направление волноэнергетиче-ских равнодействующих меняется. В восточной части побережья оно изменяется от восток-юго-востока до юг-юго-востока, определяя преобладание в этом районе поперечного перемещения материала. Западнее Таганрога равнодействующие направлены под углом 40-50° к берегу от юго-запада, обусловливая вдольбереговую транспортировку обломочного материала, к востоку.

Особенностями литодинамики береговой зоны характеризуемого района, несмотря на значительное поступление терригенного материала за счет абразии берегов и дна, являются дефицит седиментационного вещества, высокая активность процессов размыва и локальные участки аккумуляции. Такая ситуация усугубляется тонкозернистостью терригенного материала, выносимого на акваторию. Для количественной оценки вдоль-берегового потока наносов в береговой зоне Таганрогского залива Ростовским госуниверситетом был использован расчетный метод института Гидромеханики АН УССР [5]. Полученные объемы перемещающегося материала соответствуют емкости потока наносов, т. е. волновому стоку, а не мощности, зависящей от количества поступающего обломочного материала (табл. 2).

Таблица 2

Расчет вдольберегового транспорта наносов в береговой зоне Таганрогского взморья

Участки Вдольбереговой транспорт насосов, тыс. м3/г

З В З + В З - В В : З З З + В

К востоку от Таганрогского мыса 0,44 0,36 0,80 0,08 1 : 1,22 0,55

К западу от Таганрогского мыса 0,66 0,15 0,81 0,51 1 : 4,40 0,81

Как видно из табл. 2, для участка берега, пересекаемого Таганрогским подходным каналом, основными наносодвижущими являются волнения в секторе от запад-юго-запада до юг-юго-запада, их энергия в несколько раз превышает энергетические показатели восточных наносодвижущих румбов. Это определяет развитие генерального потока в береговой зоне в направлении с запада на восток. Размах миграции противоположно направленных потоков (В:3) на расчетных участках варьирует в широких пределах от 1:1,33 до 1:110.

Как уже отмечалось, наиболее действенными для формирования волнения, течений, а следовательно, и литодинамических процессов на аква-

тории Таганрогского подходного канала являются ветры восточной и западной четвертей. По среднемноголетним данным ГМС Таганрог ветры восточной четверти в течение года имеют наибольшую повторяемость -40,98 %, тогда как западной - 26,99 %. Сильные штормовые ветры от востока, северо-востока, запада и юго-запада составляют 70-80 % от общего числа штормовых ветров всех направлений.

Изменения ветровой ситуации и литодинамические последствия

Анализ данных по ветровой ситуации за период 1976-2002 гг. показывает, что повторяемость ветров весьма значительно отличается от средне-многолетних (табл. 3).

Таблица 3

Соотношение преобладающих в течение месяца ветров восточных и западных румбов за периоды 1976-1986 и 1996-2002 гг.

Год Направление ветра

Месяц

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1976 - - В В З З З В В В В В

1977 В В В В В В В В В З З З

1978 В В В В В З З В З З З В

1979 В В В В В В З В З В В В

1980 В В В В В З З З В В З З

1981 З В З З В В В В В В З В

1982 В В В З В З З В З З В В

1983 З З З З З З З В В З В З

1984 В В В В З З З В В В В В

1985 В В В З В З З В З З В В

1986 З В В В З З З В З З В З

1996 В В В В З З З В З В З В

1997 З З З З В З В В З З В З

1998 З З З З В З З З В В В З

1999 З З В В З В В В В В В З

2000 З З З З З З З В В В В З

2001 З З З В З З В З В В З З

2002 З З З З З В В В З З - -

Например, месячные данные по преобладающим ветрам в 10-летнем ряду наблюдений (1976-1986 гг.) показывают, что в большинстве случаев (7 лет) господствующими в весенние месяцы являлись ветры восточных румбов. Однако в 1983 г. они преобладали не только в весенние месяцы, но и в течение большей части года (за исключением августа и сентября). В предыдущем 1982 и следующих 1984 и 1985 г. ветры от юго-запада пре-

обладали в течение одного - двух месяцев, как правило, в мае-июне. Иначе говоря, в период с 1982 по 1985 г. наблюдалось постепенное увеличение, а затем уменьшение доли ветров западных румбов до нормы в весенне-летний сезон с максимумом в 1983 г., когда они были господствующими практически в течение всего года. Эта особенность ветровой динамики позволяет предположить, что наблюдаемое в течение весны 2001 г. возрастание повторяемости ветров западной четверти может продолжаться как в текущем году, так и в ближайшие годы.

Анализируя данные по этому ряду необходимо отметить, что в период увеличения повторяемости ветров западной четверти наблюдается также и возрастание их силы. В 1983-1986 гг. для ветров этого направления отмечались максимальные годовые скорости (от 17 до 25 м/с).

Ветры юго-западного направления (наиболее наносодвижущие) в течение первого периода всё же преобладали в летние месяцы, тогда как в 1996-2002 гг. их максимум сместился на зимний и весенний сезоны. Можно констатировать также общее увеличение доли этих ветров от 7080-х гг. к настоящему времени.

Ветры этих направлений формируют систему вдольбереговых течений встречных направлений, которые обусловливают вдольбереговую транспортировку взвешенного и влекомого материала. Наиболее мощный вдольбереговой поток формируется при ветрах западных румбов. При этом на фоне нагонного повышения уровня на отдельных участках берега происходит абразионное разрушение глинистого клифа, а на всём его протяжении наблюдается размыв подводного склона. Материал размыва транспортируется в восточном направлении. Его аккумуляция по мере снижения гидродинамической активности происходит на подводном склоне в верхней его части, а также во входящих углах береговой линии [6].

Аккумуляция материала в прорези канала обусловлена увеличением в его пределах живого сечения потока, в связи с чем возрастает турбулентность потока, происходит резкое понижение его скорости. Это обусловливает осаждение влекомых и взвешенных частиц и воды.

Вдольбереговой поток донных отложений в сторону канала при восточных ветрах имеет гораздо меньшую мощность, прежде всего потому, что формирующиеся при этом волнения, а, следовательно, и течения развиваются на фоне сгонного понижения уровня. Кроме того, движущиеся наносы перехватываются расположенной к востоку от канала углубляемой акваторией вдоль причалов пассажирского порта.

Резюмируя сказанное, можно констатировать следующие основные особенности гидро-литодинамических процессов, определяющих заноси-мость подходного судоходного канала к Таганрогскому порту.

1. Отдельные отрезки канала пересекают различные литодинамические зоны подводного склона и ложа Таганрогского залива, в связи с чем их заносимость обусловлена различными факторами.

2. Отрезок канала от 0 до 3,0 км (фоновые глубины до 3,0 м), пересекающий верхнюю часть подводного склона, подвержен заносимости под влиянием вдольберегового потока наносов. Преобладающее направление перемещение наносов - с запада на восток - осуществляется вдоль-береговыми течениями, формирующимися под влиянием ветров западной четверти (СЗ, З и ЮЗ).

3. В обычных (по среднемноголетним наблюдениям) условиях повторяемость ветров западных румбов в сумме составляет около 26 %, их максимум приходится на летние месяцы, хотя в отдельные периоды он смещается на весну. В течение последнего десятилетия доля этих ветров значительно возросла. Причем их максимум (по повторяемости и по силе ветра) переместился в этот период на зимний и весенний сезоны. В связи с этим следует ожидать увеличение заносимости Таганогского подходного канала. Кроме того, наиболее интенсивная заносимость в этих условиях происходит в зимний и весенний сезон, что следует учитывать при календарном планировании ремонтного дноуглубления.

Таким образом, комплекс проведенных исследований показал значительное многообразие метеорологических, гидро- и литодинамических процессов в районе исследований. Полученные данные могут быть использованы при планировании хозяйственных мероприятий (в том числе ремонтного дноуглубления), развития судоходства, строительства, а также рыбного промысла.

Литература

1. Хрусталёв Ю.П., Щербаков Ф.А. Позднечетвертичные отложения Азовского моря и условия их накопления. Ростов/Д, 1974.

2. Хрусталев Ю.П., Яцун С.В., Ищенко А.А. // Эколого-географический вестн. Юга России. 2002. № 2. С. 38-40.

3. Мамыкина В.А., Хрусталёв Ю.П. Береговая зона Азовского моря. Ростов н/Д, 1970.

4. Хрусталёв Ю.П. и др. // Эколого-географический вестн. Юга России. 2000. № 1. С 11-21.

5. Гончаров А.А., Ляшенко А.Ф., Шлыгин И.А. Исследование и моделирование процессов рассеяния различных веществ при захоронении отходов в моря и океаны: Обзорная информация. Обнинск, 1981. Вып. 1. С. 18-24.

6. Беспалова Л.А., Ивлиева О.В., Ищенко А.А. Природно-антропогенные ландшафты Таганрогского залива // Геоэкологические исследования и охрана недр: Науч.-техн. информ. сб. М., 1998. Вып. 4. С. 47-56.

Ростовский государственный университет 30 марта 2005 г.