ТЕМА: Немного про изыскания на морских побережьях

Хотелось бы немного поделиться соображениями по поводу изысканий на побережьях. Не скажу, что я много что-то знаю, теоретических исходных знаний так вообще практически нет. И у самой вопросов куча, но может быть, некоторые замечания могут оказаться полезными. Извиняюсь за длинный текст. И надо сказать, что это мысли, которые не являются истиной в последней инстанции, а просто информацией для размышления. Просто иногда всплывают вопросы и ситуации, которые вроде как можно решить, если знать достаточно простые вещи именно по морям

Уровни воды
1. Наблюдения. Согласно учебнику «Морская гидрометрия» на морях с приливами при «ручном» наблюдении наблюдения производятся ежечасно, а у моментов малых и полных вод (+/- 30 мин) – каждые 10 минут. Вполне очевидно, что проще применять автоматические устройства. (п.с. морями без приливов условно считаются моря с величиной приливных колебаний менее 50 см) Конечно, прибор не ставят в режим разной дискретности измерений. Но пока что дискретность даже в 15 минут всех устраивала. Двухсрочные наблюдения могут давать большую погрешность в вычислении среднесуточных, плюс могут не ловить максимумы/минимумы. Также иногда следует учитывать приливы и на реках, впадающих в моря, т.к. влияние приливов может распространяться на достаточно большие расстояния. Из опыта, по результатам совместных непрерывных и двухсрочных наблюдений, на небольшой реке при расстоянии от устья около 70 км и приливах порядка 50 cм в устьевой части, разница в среднесуточных получалась не более 3 см, при этом при спокойном режиме (без половодья/больших паводков) приливные колебания выражены достаточно четко, порядка 10 см; половодье, естественно, их забивает в ноль. Желательно использовать уровнемеры, которые делают хоть какое-то осреднение по времени (т.е., например, включается прибор раз в 15 минут, набирает данные в течение 1 минуты и их осредняет). Некоторые просто берут мгновенный отсчет или включаются на несколько секунд – тогда нужно сооружать что-то успокоительное или потом данные фильтровать, т.к. волнение ловится и создает шумы. Еще у меня вопрос об использовании гидростатических уровнемеров в устьевых зонах, т.к. в них нет введения поправки за изменение плотности за счет изменения солености, но насколько это влияет, я не оценивала. В принципе в какой-то книжке видела их как рекомендованные.
Общее просто для информации. Обычно приливы в открытом море меньше, чем в прибрежной части, где начинается влияние мелководных составляющих. Может быть так, что на расстоянии в сотни километров среднесуточные уровни будут не сильно отличаться (в одной системе высот). А иногда и срочные уровни близки. А бывает и так, что из-за перекоса водной поверхности на расстоянии в сотни километров даже среднемноголетние уровни будут отличаться на десятки сантиметров (например, противоположные берега Татарского пролива).
2. Данные Росгидромета по прибрежным морским постам. Обычно, при обработке лент самописцев происходит сглаживание хода уровней. Т.о. убирают воздействие волнения и (!) сейшевых колебаний – при их наличии. В данном случае имеются в виду собственные колебания в месте установки (например, в бухте). Т.о. надо понимать, что вы хотите от уровней – описания самой бухты или описания открытого моря. Если вас интересует сама бухта и в ней наблюдаются собственные сейшевые колебания – их надо учитывать в дополнение к имеющимся в ежегодниках (или в рядах, купленных у Росгидромета) данным об уровнях. Сгонно-нагонные явления в уровнях учтены, их не убирают. Если вам нужен открытый район, то данные о сейшах бухты наблюдений по идее, не нужны.
3. Расчеты. В СП 33-101-2003 явно сказано, что его действие не распространяется на участки рек в зоне влияния приливно-отливных явлений и на селеопасных реках. При этом ничего не сказано про запрет использования на морских не устьевых побережьях. Т.о. допустимо (?) использовать на не устьевом побережье привычные методы стат. обработки. В принципе, при запросе в УГМС они рассчитывают обеспеченные уровни именно стандартными методами. Но здесь есть большое НО. Имеются два нормативных документа – Руководство по расчету в прибрежной зоне морей и СП 11.114-2004 Изыскания на континентальном шельфе. В обеих документах говорится о том, что все ряды наблюдений должны быть приведены к определенной эпохе, т.е. должны быть введены поправки за вертикальные смещения земной коры. Методика ввода этих поправок приводится в Руководстве. По поводу расчета экстремальных характеристик в Руководстве на стр. 41 п. 2.6 прямо говорит, что «при построении эмпирических кривых обеспеченности в качестве исходных данных используют отклонения экстремальных годовых высот уровней от среднегодовых значений …. Использование величин … позволяет в значительной мере исключить влияние однонаправленных тенденций (тренда) в многолетних колебаниях уровня на величины экстремума». По этому же поводу СП 11.114-2004 говорит «в качестве исходных данных следует использовать отклонения максимальных годовых высот уровней от среднемесячного значения уровня в том месяце, в котором наблюдался данный годовой максимум». Во-первых, возникают вопросы по поводу приведения к различным средним величинам. Во вторых возникает вопрос – а что мы даем проектировщику? Ему совершенно все равно, насколько 1% максимум будет выше среднемесячного или среднегодового уровня неизвестно какого года, ему нужна отметка в БС. Хотя на стр.51-52 Руководства дано, что экстремальные значений затем прибавляются к среднему многолетнему уровню и таким образом, выдаются в отметках (почему тогда уж к среднему многолетнему, а не среднегодовому определенной обеспеченности, например, той же 1%). В СП 11.114-2004 не нашла даже этого. Также говорится о применении исключительно трех распределений для стат. обработки. Стандартное Пирсона 3 типа и Крицкого-Менкеля не упоминается.
У меня был один пример сравнения расчетных уровней, полученных по разным методам – различие максимальных уровней в 1% обеспеченности давало разницу в 8 см (по методу Руководства получались большие значения); различие минимальных уровней в 99% обеспеченности – разницу в 3 см (по Руководству получались меньшие значения). При этом обработка по Руководству велась только в плане использования других распределений, но не в плане всего остального.
Достаточно интересно и вменяемо, на мой взгляд, про уровни в отношении приливов написано в книжке Альтшулера Практические вопросы анализа и расчета морских приливов.
Вообще, в морях достаточно удачно то, что приливную составляющую уровня можно предвычислить практически на сколько угодно лет вперед, при известных характеристиках приливов. Сами характеристики вычисляются из месячной серии ежечасных наблюдений. А желательно - из годовой. Хотя есть приблизительные методы оценки по более коротким сериям.

Еще что может требоваться по уровням - это вычисление НТУ и ВТУ, особенно часто интересует первая величина - наинизший теоретический уровень. Вычисляется через гармонические постоянные и является наинизшим возможным по астрономическим причинам уровнем. Это величина, к которой приводятся глубины на навигационных картах. Величину НТУ можно запросить в местном УГМС, обычно у них есть расчеты для морских постов.

Волнение
1. Наблюдения. Учитывать, что, если вы ставите гидростатический волнограф, надо сразу думать, как данные наблюдений на глубине переводить в данные на поверхности. Некоторые волнографы имеют специальное встроенное ПО, некоторые тоже имеют, только непонятно как устанавливать какие коэффициенты . И если уровень желательно измерять в защищенной акватории, то волнограф, наоборот, следует ставить в более открытой (хотя, как всегда, могут быть нюансы). Наблюдения нужны, в том числе и для того, чтобы сравнить данные расчетов с данными наблюдений и оценить точность первых. А если попадется сильный шторм - так вообще хорошо.
2. Данные Росгидромета. Уточнять, где именно наблюдения производятся и какими методами. Будет понятна точность данных и принадлежность (примерная) волнения к зоне – глубоководная, мелководная. Часто волнение измеряется совсем не там, где стоит водомерный пост. Учитывать, что если сооружение (ваше, для которого надо рассчитывать) находится у берега, волны наблюденные на посту будут отличаться от волн непосредственно у сооружения, иногда в разы. Если сооружение имеет вертикальный профиль, накат (хотя, скорее, наброс) волны на сооружение может быть выше измеренного волнения на посту значительно: например, 7-9 метров вместо 3-5 в глубокой зоне.
3. Расчет. Введение: волны распространяются системами. От шторма, возможного раз в N лет (или просто от шторма определенной обеспеченности) образуется своя система волн. В каждой системе имеются волны различной обеспеченности. Хотя вроде есть условно «простое» СП 38.13330.2012 и множество пособий с аналогичными алгоритмами, всё равно возникает множество вопросов, особенно при длинах разгона ветра, более 100 км. Как их решать, я не знаю. Ко всему прочему, алгоритмы СП не учитывают, например, параметры дна (за исключением уклона). Даже расчеты по этим методам требуют обычно значительного времени, особенно при расчетах сочетания различных параметров. Прибавить то, что на каждом шаге образуется определенная погрешность… Почему-то нигде нет ПО для этих расчетов (хотя, я может, плохо искала или оно у всех для внутреннего пользования). Если есть возможность, лучше делать математическое моделирование. Из того, что я видела – это MIKE и SWAN. Первую можно приобрести, она коммерческая и дорогая, но условно простая в обращении. Вторая – бесплатная, но в первоначальном виде вы получаете страницу кода и досовскую строку, в которую надо знать, что и как вбивать. Я этими умениями не обладаю. К ней вроде есть нормальные модули ввода данных, расчета, визуализации. Но надо знать где их искать, как использовать. Два года назад муж пытался разобраться в этом, сказал, что видимо, доступ к этим надстройкам для нас был закрыт. Хотя может сейчас всё изменилось
В принципе, моделирование всегда лучше заказывать у организаций, специализирующихся на конкретном регионе. Потому что одно дело, когда им приходится с нуля подбирать и настраивать параметры модели и другое - когда фактически им нужно просто подставить требуемые цифры и выбрать требуемые точки акватории.
Также пока мне неясно, как привязать наблюдения на постах Росгидромета к определенной обеспеченности волны в системе. Вроде считается, что при судовых наблюдениях получают высоту т.наз.значимых волн - это примерно 13% обеспеченности в системе. На стационарных постах можно теоретически вычислить обеспеченность измеряемой волны, т.к. известен средний период волн во время каждого измерения и, согласно Наставлениям, длительность измерений - 5 минут и выборка волн - 5 самых высоких, из которых делается осреднение и выбирается максимум. Но в итоге то, что получается по результатам наблюдений имеет разную обеспеченность в системе каждого шторма, а какой обеспеченности каждый шторм вообще неясно. Также, как неясно как вообще реальный шторм можно увязать по обеспеченности с условным. И как при моделировании, когда обычно используют поля реанализа, вообще определяют шторма и их обеспеченность из непрерывных данных.

Течения
1. Измерения. В качестве вступления надо просто осознать, что море – это не озеро и не река. Там нет постоянно однонаправленных течений, поэтому опустив прибор на 1-2 минуты вы, конечно, что-то измеряете, но представления о том, что на самом деле происходит, это практически не даёт. Есть постоянные течения – их скорости ОБЫЧНО малы, но могут быть значимыми. Есть приливно-отливные течения – их скорости обычно велики, и они разнонаправлены в зависимости от фазы прилива. Есть ветровые течения – скорости и направления могут быть очень разными, и они непостоянные. Есть стоковые течения. И еще куча других, которые в сумме дают то, что измеряет прибор. Считаю, что про измерения течений хорошие требования в СП 11.114, но маловыполнимые, к сожалению, часто. Но измерить цикл, охватывающий полностью прилив, просто необходимо. Если ставится буйковая станция, то, наверное, ничего особо сложного нет. Обычно заказчика особенно сильно интересуют придонные скорости течений.
2. Обработка. В результате наблюдений (рекогносцировочно, без расчетов обеспеченных величин и т.д.) надо получить розу течений по градациям скоростей на различных горизонтах. Т.е. это коренным образом отличается от рек. Скорости могут быть очень ощутимыми. Пример: в проливе Екатерины (между островами Итуруп и Кунашир) скорость суммарного поверхностного течения может достигать 2,5 м/с.

Прочее
1. Специфические опасные явления. Просто знать, что для некоторых портов есть такое явление как тягун (обычно упоминается в связи с Черноморским бассейном, но в северных тоже бывает), ситуация, когда внутренние колебания порта входят в резонанс с внешними и создают достаточно сильные течения, которые могут приводить к повреждению судов. Для Сахалина, Курил, Камчатки (может и не только для них) – цунами.
2. Ледовая экзарация. Пропахивание ледяными полями грунта дна. Имеются в том числе и на Балтике. Особенно сильно в Карском море – Обская, Байдарацкая губы. Обычно хорошо видны следы пропахивания по данным съемок – эхолот, гидролокатор бокового обзора.
3. Литодинамика. Проще говоря – размывы, намывы, перенос наносов и т.д. Изменение береговой линии – только по сопоставлению карт или косвенным признакам. Перенос наносов в виде вдольберегового перемещения – по результатам наблюдений, которых обычно нет. Если в процессе изысканий в зону охвата не попала ни одна гряда, это не значит, что их в принципе нет, просто мы их не видим. В Черном море есть такая вещь как подводные каньоны, причем они еще и могут перемещаться. Очень интересная вещь.

Это только гидрологические характеристики минимальные. Есть куча всего, чего я не знаю. Есть то, что знаю, но просто всего сюда не запихнуть. Есть еще метеорология, которую тоже надо ставить в отчет в больших количествах. Если изыскания не только под само сооружение но и под процесс его строительства, то понятно, что в штормовые условия никто не будет под водой ничего класть и в воде ничего делать – нужны скорости ветра, направления, гололед, температуры, часто требуют видимость и кучу всего еще для обозначения желательного периода работ. И для волнения скорости ветра нужны очень подробно.

 
Литература:
СП 11.114-2004
СП 38.13330.2012
СП 277.1325800.2016 Сооружения морские берегозащитные. Особенно интересно то, что там есть упоминание связи сроков давности наблюдений с длиной ряда наблюдений по уровням.
СП 292.1325800.2016 Здания и сооружения в цунамиопасных районах. Правила проектирования
Атлас цунами rus.ferhri.ru/esimo/Atlas/index.htm
РД 52.10.324.92 работы в устьевых областях рек
В.П. Коровин Океанологические наблюдения в прибрежной зоне моря
Руководство по гидрологическим работам в океанах и морях. Издание третье. 2016 г. ГОИН
Руководство по расчету гидрометеорологического режима в прибрежной зоне морей в устьях рек при инженерных изысканиях
Альтшулер В.М. Практические вопросы анализа и расчета морских приливов
Клюйков. Инженерная океанология. Практические расчеты
ipk.meteorf.ru/index.php?option=com_cont...cle&id=285&Itemid=75
ежегодники за 2013 г. nodc.meteo.ru/EMDM/ относиться с осторожностью. во всяком случае по волнению я нашла в одном случае разницу с данными росгидромета - небо и земля. Высотные отметки все неправильные (если вообще есть), глубины при измерении волнения - тоже иногда врут, также как и даты ледовых явлений

еще есть проекты РД
oceanography.ru/index.php/component/jdownloads/finish/43/1621 - запутывает еще больше чем раньше...
oceanography.ru/index.php/component/jdownloads/finish/43/1624 в принципе для наблюдений на постоянной сети, но мало ли

По измерениям течений специализируется Владимир Горбацкий (ЦНИИ Крылова)
По литодинамическим процессам Дарья Рябчук (ВСЕГЕИ)
По волнению по моему практически все научные организации работают. И не очень научные тоже.
ну, это из того, что я знаю

Вот бы вебинар на эту тему. Про изыскания в открытом море тоже интересно.
Читая задание по изысканиям на морях, у меня волосы вставали дыбом

образование бы по этой теме
два раза пыталась записаться в РГГМУ на переквалификацию по океанологии, оба раза не было набора групп. В этом году даже не пыталась, может и зря