Труды
VI конференции
"Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей",
22-26 ноября 2004, Москва
О РАСЧЕТЕ ВЕТРОВЫХ НАГОНОВ (НА
ПРИМЕРЕ СЕВЕРНОГО КАСПИЯ)
©
2004 г. Г.Ф.
Красножон , М.К. Филимонова
Институт водных проблем Российской академии наук
119991 Москва ГСП-1, ул. Губкина, 3
Длительное воздействие сильных ветров на побережье
всегда вызывает повышение уровня, известное как ветровой нагон.
В инженерной практике существует множество расчетных
ситуаций. Их рассмотрение приводит к выводу, что необходимо разработать
простой метод расчета, удобный для использования на мелководьях
с переменными глубинами на Российской части западного побережья
Каспийского моря. Район Калмыкии является наиболее опасным, именно
здесь в ноябре 1952 г. наблюдался катастрофический нагон. Высота
нагона в отдельных местах достигала 3-4,5 м, что привело к затоплению
полосы берега шириной до 30-50 км.
Нами за основу для инженерных расчетов принято исходное уравнение
 |
(1) |
где Z
- ветровой подъем уровня (вертикальное смещение); X
- горизонтальное расстояние; H
- глубина бассейна;
- плотность воды;
- касательное напряжение ветра на поверхности воды;
- то же на дне водоема.
По наблюдениям установлено, что ,
а , поэтому
уравнение (1) можно переписать в виде
 |
(2) |
где ;
- скорость ветра на высоте 10 м над водой.
Из практики известно, что
пропорционально скорости ветра, но это нуждается в уточнении. Более
точные решения показывают, что числовой коэффициент растет с увеличением
скорости ветра.
Известно, что
 |
(3) |
для случая логарифмического распределения скорости ветра по высоте
Z , где
 |
, тогда |
 |
, где , |
 |
(4) |
Отсюда видно, что
зависит от скорости ветра. Нами для таблицы 2 Приложения 1 СНиП
2.06.04-82 была рекомендована связь, по которой
для скорости ветра 20, 30, 40 м/с соответственно равен 2.1; 3.0;
3.9.
После соответствующих преобразований можно получить
формулу (аналог формулы 148*; стр.31, п. 8 , гл. СНиП 2.06.04.-82*)
 |
(5) |
где
- угол между продольной осью водоема и направлением ветра;
Z - расчетная скорость ветра на высоте 10 м;
L- разгон вдоль расчетного направления ветра,
м.
Формула (5) справедлива для условий горизонтального дна постоянной
глубины. Решение этого квадратного уравнения дает выражение (при
):
 |
(6) |
Расчёты показывают, что наибольшее влияние на развитие
нагона оказывает прибрежная мелководная зона, а влияние глубокой
части профиля очень мало (обычно <10%). В нашем расчётном случае
первые 150 км разгона с 10
м дают очень малый вклад в формирование нагона.
Уравнение (6) может быть решено методом последовательного
приближения на ЭВМ в следующем виде:
 |
(7) |
Расчет проводится по участкам с условно горизонтальным
дном с примерно равными либо монотонно изменяющимися (постоянный
уклон) глубинами при .
Замененный член
учитывается тем, что величина d
назначается в каждой последующей секции (кроме 1-ой) как величина
общей глубины, равной глубине d
секции плюс нагон, развившийся в пределах предыдущих секций .
При этом отпадает необходимость решать квадратное уравнение (148*).
Решение может быть сравнено с точным решением (6). Пример расчёта
приведён на рис.1.

Рис 1. Пример расчётов нагона на
западном побережье Северного Каспия для условий W = 30 м/с и W=20
м/с с использованием понижающей функции (Белая линия – максимальное
распространение нагона).
Учет изменений рельефа по расчетным профилям глубин
производится на основе проверки баланса объемов воды.
Выбор расчетных профилей дна вдоль по разгону производится
в зависимости от сложности рельефа дна по участкам с . Обычно подбираются
один-два или несколько профилей. При подборе расчетных профилей
для заданного района следует учесть следующее:
- Максимальные нагоны на Калмыцком побережье Северного Каспия
наблюдаются обычно при ЮВ ветрах (случай А) со Среднего Каспия
или ВСВ ветрах (случай В) с Северного Каспия.
-
Для развития максимальных нагонов необходимо
наличие устойчивых по направлению в пределах указанных румбов
и скорости ветров в пределах не менее 4 сроков подряд. Максимальные
нагоны развиваются при продолжительности штормов более 5 суток.
-
Для ЮВ румбов расчетные профили в первом
приближении могут быть заменены на следующий осредненный, проходящий
через участок о.Тюлений - Белое озеро.
-
Проверка модели может быть осуществлена
по затоплениям в период сильных штормов. При расхождениях с
натурой должен быть подобран коэффициент , дающий наилучшие
результаты. В частности для лучше использовать =3.3 10-6 (т.е
больше на 10%).
Приведенные условия характерны для катастрофического
ветрового нагона 1952 г. повторяемостью 1 раз в 100-150 лет.
При проведении расчетов на модели следует учесть
разницу в шероховатостях на профилях морского дна и их продолжении
на суше. Обычно касательное напряжение
на дне составляет около (на
поверхности воды). Опыт расчетов показывает, что эта величина должна
быть значительно больше, чтобы дать реальный результат и правильно
завершить расчет. Так как в расчетной схеме, где
отражается только на числе ,
то необходимо уменьшить его на береговых участках от уреза воды
до 2*10-6 и меньше, одновременно увеличив его на 10% для любых случаев
при расчете нагона в морской части профиля.
В связи с тем, что дно в расчётном районе на небольших
глубинах (менее 3 м) зарастает водной растительностью, а с глубин
2 м – тростником (который распространяется и выше уреза воды на
берегу на увлажнённых местах), рекомендуется при достижении глубин
2 - 4 м начать плавно уменьшать коэффициенты
от расчётных до близких к нулю, значительно уменьшив шаг по оси
X.
После подбора коэффициентов
для глубин d
< 4 м и на затопленной полосе суши и проверки
данных расчёта по наблюдениям была подобрана специальная функция:
где bio
- глубина, на которой происходит существенное изменение касательного
напряжения на дне, например, появления растительности или увеличение
шероховатости дна.

На рисунке показана линия затопления побережья
Калмыкии при нагоне при скорости ветра 30 м/с, продолжительность
несколько суток, полученную при расчётах.
Данные расчётов по такой модели показывают хорошее
совпадение с результатами наблюдений по затоплению береговой полосы
в периоды экстремальных нагонов. Расчёты выполняются программой
и полностью автоматизированы.
Литература
- Гидродинамика
береговой зоны и экстуариев. Гидрометеоиздат. Л. 1970, 394 с.
-
Строительные нормы и правила. Нагрузки и воздействия на гидротехнические
сооружения (волновые, ледовые и от судов). СНиП 2.06.04.82*.
1985, Стройиздат, 35с.
|