Морская гидротехника

1. СочинскийГосударственныйУниверситет ТуризмаиКурортногоДелаКафедра Городского строительства Морская гидротехника

2. Автоматизированная система прогнозирования береговых процессов К.Н.Макаров

3. 1. Общие структура и состав системы Основой целенаправленного антропогенного воздействия на природную среду и, в частности, на морские берега является мониторинг природных процессов. При этом под мониторингом понимается последовательность: наблюдение за природным процессом - прогноз развития процесса - управление природным процессом - наблюдение и т.д. Важнейшей частью такого комплексного мониторинга является, таким образом, прогноз развития береговых процессов во времени и пространстве.

4. Процесс принятия решений в вопросах берегозащитных мероприятий, также как и в большинстве других направлений деятельности человека, связанных с вмешательством в природную среду, представляет собой ситуацию, в которой последствия любых действий в точности не известны. Это происходит потому, что последствия действий зависят помимо чисто гидролитодинамических факторов и метода управления, еще от ряда событий, которые мы не можем контролировать или достаточно точно предвидеть, а их исходы неизбежно отразятся на результатах действий по управлению береговыми процессами.

5. Как правило, в таких задачах не существует алгоритма выбора оптимального решения и мы имеем дело с неформализованными задачами, решение которых может лишь приближаться к оптимальному с некоторой долей вероятности, зависящей от многовариантности проработки. В этой связи, применение автоматизированных систем, позволяющих в сжатые сроки проработать большое количество вариантов, в значительной степени повышает вероятность принятия решения, близкого к оптимальному.

6. Разработанная автоматизированная система для побережий морей, крупных озер и водохранилищ является объектно-ориентированной на инженерные мероприятия в береговой зоне. Система состоит из трех частей: база данных (БД), прогностическая система (ПС), интеллектуальный интерфейс. Схематично порядок работы системы можно представить в следующей последовательности (рис. 1). Имеется природный объект, в данном случае - побережье. За объектом ведутся наблюдения, данные которых, через интеллектуальный интерфейс передаются в базу данных. После накопления (сбора) необходимых данных опять же через интерфейс, они передаются для обработки в прогностическую часть системы. В результате производится прогноз развития берегового процесса во времени и в пространстве в естественных (существующих) условиях.

7. Рис. 1. Схема функционирования системы

8. В случае, если требуется изменение естественного хода процесса, Лицо принимающее решения (ЛПР) формирует ряд возможных вариантов воздействия на объект. Последствия воздействия анализируются прогностической системой. В результате выдаются варианты последствий воздействия. ЛПР принимает управленческое решение о варианте воздействия. Решение выполняется. За результатом воздействия ведутся наблюдения, результаты которых вновь поступают в БД и к ЛПР. ЛПР принимает решение о прекращении, изменении или продолжении воздействия. Во всех случаях решение анализируется прогностической частью системы, корректируется, выполняется и т.д.

9. Таким образом, система является инструментом принятия оптимальных решений по управлению береговыми процессами на побережьях крупных регионов: Краснодарский край, Дагестан, Крым, Ленинградская и Калининградская области и т.п., а также при разработке Генеральных схем берегозащитных и противооползневых мероприятий.

10. База данных и система управления ею – СУБД – это информационная часть системы. Она должна обеспечить ввод, хранение, преобразование и представление в требуемых форматах соответствующей информации. Прогностическая часть системы должна обеспечивать прогноз развития береговых процессов в естественном состоянии и под влиянием различного рода антропогенных воздействий, как специально производимых для управления береговым процессом (берегозащитные и регулирующие мероприятия), так и осуществляемых для других целей (портовое строительство, водозаборы, водовыпуски, нефте- и газопроводы и т.п.). На основе прогноза будут приниматься оптимальные решения по управлению береговыми процессами. Функционирование сстемы основано на компонентах методического, информационного, технического, организационного и программного обеспечения (рис. 2).

11. Рис. 2. Функционирование системы основано на компонентах методического, информационного, технического, организационного и программного обеспечения

12. Методическое обеспечение состоит из трех основных частей: 1. Теория, методы прогнозирования и управления морскими береговыми процессами, изложенные в монографиях, учебниках, трудах различных научно-исследовательских и проектных организаций и т.п.; 2. Действующие нормативные документы (ГОСТ, СНиП, СП, СН, ТУ и т.п.); 3. Алгоритмы, реализующие конкретные задачи в удобном для программирования виде. В связи с непрерывным совершенствованием методов прогнозирования и управления природными процессами, методическое обеспечение системы будет непрерывно изменяться и совершенствоваться по мере развития научно-технического прогресса.

13. Информационное обеспечение • состоит из двух основных частей: • Документы, содержащие описание стандартных процедур прогнозирования и управления береговыми процессами; • 2. Результаты работы изыскательских и научно-исследовательских организаций на побережье, обеспечивающих сбор исходной информации о берегах и береговых процессах. В перспективе должна быть разработана и адаптирована на побережье автоматизированная система сбора информации.

14. Компонентами технического обеспечения являются устройства вычислительной и организационной техники (ЭВМ, принтеры, плоттеры, сканеры, дигитайзеры и т.п.), а также их сочетания.

15. Компонентами организационного обеспечения являются методические и руководящие материалы, положения, инструкции, штатные расписания, квалификационные требования и другие документы, обеспечивающие взаимодействие научно-исследовательских и эксплуатационных предприятий при создании, эксплуатации и развитии системы.

16. Программное обеспечение системы состоит из двух основных частей: • Общесистемное программное обеспечение, предназначенное для функционирования технических средств. Этот вид программного обеспечения создается для многих приложений, и никак не учитывает специфику конкретных объектно-ориентированных систем, и потому потребовал лишь определенной адаптации в рамках рассматриваемой автоматизированной системы; • 2. Прикладное (специальное) программное обеспечение представляет собой совокупность Программных комплексов (ПК) для решения определенных прогностических задач, а также программ подготовки (переподготовки) или согласования данных.

17. Следует особо подчеркнуть, что в рассматриваемой системе ученый или инженер является основным звеном, на плечи которого ложатся определяющие функции процесса прогнозирования и принятия принципиальных управленческих решений: выбор исходных параметров для изучаемого объекта; анализ, контроль и подготовка исходной информации; принятие решений о составе и последовательности работ; выбор методов решения тех или иных задач; формулирование принципиальных вариантов управленческих решений, которые подлежат последующей детальной проработке; оценка результатов прогнозирования и принятие решений о завершении или продолжении рабочего процесса. Все это требует от пользователя достаточно глубоких теоретических познаний.

18. автоматизированная база данных Целью создания базы данных является информационное обеспечение принятия управленческих решений, связанных с береговой зоной, на основе прогнозирования развития береговых процессов в естественном состоянии и под влиянием различного рода антропогенных воздействий, как специально производимых для управления береговым процессом (берегозащитные и регулирующие мероприятия), так и осуществляемых для других целей (портовое строительство, водозаборы, водовыпуски, нефте- и газопроводы и т.п.). Кроме того, предполагается, что помимо чисто берегозащитных проблем, база данных обеспечит экологический мониторинг береговой зоны, как неотъемлемой части комплексного управления прибрежной зоной.

19. База данных системы должна обеспечивать решение следующих задач: 1. Унификация структуры информации всех видов мониторинга, осуществляемого в береговой зоне рассматриваемого региона. 2. Ведение справочников, включая нормативно-правовую базу. 3. Ввод и редактирование данных по стандартной форме, обеспечивающей возможность использования различными заинтересованными организациями, вовлеченными в процесс принятия инженерно-технических и управленческих решений в береговой зоне. 4. Выполнение стандартных запросов к базе данных, обеспечивающих получение необходимой справочной и аналитической информации. 5. Анализ информации мониторинга в табличной форме. 6. Анализ информации мониторинга в графической форме. 7. Анализ информации мониторинга в виде ГИС. 8. Информационная поддержка принятия управленческих решений. 9. Предоставление информации для работы прогностической системы в виде соответствующим образом форматированных данных и отображение результатов расчета прогностической системы в необходимой форме.

20. Прогностическая система • С использованием прогностической части системы решаются задачи: • оценка состояния побережья в целом и его отдельных частей с точки зрения динамического равновесия; • прогноз развития береговых процессов во времени и пространстве в существующих условиях; • прогноз динамики берегов при проведении инженерных мероприятий всех типов (как по управлению береговыми процессами, так и всех остальных); • определение оптимальных вариантов управления береговыми процессами; • - оценка воздействия иных мероприятий на динамику берегов и разработка рекомендаций по их оптимизации с этой точки зрения.

21. Для решения указанных задач система должна позволять выполнять следующие расчеты: - расчет поля дрейфовых течений; - если ветер с моря, то - расчет генерации волн ветром на глубокой воде или промежуточной глубине; - расчет трансформации, рефракции, обрушения ветровых волн или волн зыби и полей мгновенных максимальных и осредненных по времени и глубине волновых течений как в мелководной, так и в прибойной зонах; - расчет суммарных (ветровых, волновых и градиентных) мгновенных и осредненных течений; - расчет вдольберегового транспорта наносов; - расчет профилей относительного динамического равновесия; - расчет деформаций дна и берегов, причем с учетом возможной отмостки и влияния наиболее распространенных на Калининградском побережье гидротехнических сооружений (бун, продольных стен, срезки береговых откосов, подачи материала на пляжи по пульпопроводам). В прогностических программах используются как нормативные расчетные методы, так и математические модели пионерного характера. Схема прогностической части представлена на рис. 3.

22. Рис. 3. Схема прогностической системы

23. Для калибровки математических моделей прогностической системы и их адаптации к конкретному побережью необходимо организовать комплекс специальных натурных наблюдений. Непосредственная калибровка моделей и окончательная адаптация системы к конкретным участкам побережий осуществляется ее разработчиками, после чего она сдается в эксплуатацию пользователям, а разработчики осуществляют лишь сопровождение системы в течение специально оговариваемого договорными условиями срока службы.

24. Опытный образец системы Опытный образец системы разработан для участка берега в центральной части г. Сочи. В базу данных введена цифровая модель местности (ЦММ), содержащая следующую информацию: 1. Рельеф надводного и подводного берегового склона, включающий полосу берега шириной порядка 150 м и подводный склон до глубины порядка 50 м. 2. Литологические характеристики в виде среднего диаметра наносов в каждой точке расчетной сетки, а также толщины слоя этих наносов, который определяет величину возможного размыва дна. 3. Гидротехнические сооружения – буны, волноломы, волнозащитные стены, искусственные пляжи, портовые молы (в том числе проектируемые). 4. Источники загрязнений и стока наносов – впадающие водотоки (реки Бзугу и Сочи), водовыпуски Навагинских очистных сооружений. Кроме того, в качестве источников загрязнения прибрежной зоны рассматриваются действующие пляжи.

25. Система была использована для математического моделирования гидротехнических сооружений реконструируемой Приморской набережной в г. Сочи В базу данных была помещена следующая информация: 1. Роза ветров от волноопасных направлений – рис. 4. 2. Данные наблюдений за уровнем моря – рис. 5. 3. Цифровая модель Черного моря – рис. 6. 4. Исходная цифровая модель проектного участка – рис. 7. 5. Модель реконструкции порта Сочи – рис. 8. 6. Цифровые модели проектных вариантов гидротехнических сооружений.

26. Рис. 4. Роза ветров от волноопасных для проектного участка берега направлений в 32 квадрате Черного моря

27. Рис. 5. Данные наблюдений за уровнем Черного моря на МГС Сочи

28. Рис. 6. Отображение цифровой модели Черного моря

29. Рис. 7. Отображение цифровой модели проектного участка

30. Рис. 8. Отображение цифровой модели реконструкции порта Сочи

31. Ниже представлены некоторые результаты расчетов Результаты расчета элементов волн на глубокой воде в штормах повторяемостью 1 разза 50 лет (2% врежиме) --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- I I I I I I I I I I I I I Aзимут I Разгон I Глубина I СкоростьI СкоростьI Продолж.I Средняя I Средний I Средняя I Высота I Высота I I градус I км Iнаразго-I ветра I течения I ветра I высота I период I длина I волн 1% I волн 5% I I I I не, м I м/с I м/с I час I волн, м I волн, с I волн, м I обесп,м I обесп,м I I I I I I I I I I I I I --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- I 135.00 I 180.00 I 500.00 I 21.79 I .74 I 12.00 I 2.70 I 7.12 I 79.00 I 6.52 I 5.15 I --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- I 157.50 I 250.00 I 500.00 I 22.18 I .75 I 12.00 I 3.05 I 7.65 I 91.31 I 7.04 I 5.52 I --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- I 180.00 I 300.00 I 500.00 I 21.68 I .74 I 36.00 I 3.52 I 8.42 I 110.56 I 8.87 I 6.72 I --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- I 202.50 I 320.00 I 500.00 I 22.77 I .77 I 36.00 I 3.85 I 8.79 I 120.54 I 9.69 I 7.35 I --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- I 225.00 I 360.00 I 500.00 I 24.09 I .82 I 36.00 I 4.31 I 9.31 I 135.21 I 10.87 I 8.24 I --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- I 247.50 I 450.00 I 500.00 I 20.67 I .70 I 36.00 I 3.64 I 8.70 I 118.00 I 9.17 I 6.95 I --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- I 270.00 I 570.00 I 500.00 I 18.29 I .62 I 45.00 I 3.17 I 8.22 I 105.48 I 7.98 I 6.05 I --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- I 292.50 I 150.00 I 500.00 I 20.49 I .70 I 36.00 I 2.65 I 7.15 I 79.79 I 6.68 I 5.06 I --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- I 315.00 I 150.00 I 500.00 I 22.19 I .75 I 36.00 I 2.95 I 7.50 I 87.82 I 7.45 I 5.64 I ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------

32. Рис. 9. Результаты расчета трансформации и рефракции волн в западной части исследуемой полосы берега в штормах повторяемостью 1 раз за 50 лет

33. Рис. 10. Результаты расчета трансформации и рефракции волн в центральной части исследуемой полосы берега в штормах повторяемостью 1 раз за 50 лет

34. Рис. 11. Результаты расчета трансформации и рефракции волн в восточной части исследуемой полосы берега в штормах повторяемостью 1 раз за 50 лет

35. Рис. 12. Поле средних высот волн в шторме от Ю направления повторяемостью 1 раз за 50 лет без учета нового оградительного мола порта Сочи

36. Рис. 13. Поле средних высот волн в шторме от Ю направления повторяемостью 1 раз за 50 лет с учетом нового оградительного мола порта Сочи

37. Рис. 14. Поле средних высот волн в шторме от ЮЗ направления повторяемостью 1 раз за 50 лет без учета нового оградительного мола порта Сочи

38. Рис. 15. Поле средних высот волн в шторме от ЮЗ направления повторяемостью 1 раз за 50 лет с учетом нового оградительного мола порта Сочи

39. Рис. 16. Коэффициенты дифракции волн от проектируемого нового мола порта Сочи в штормах от ЮЮЗ, ЮЗ, ЗЮЗ и Западного направлений

40. Рис. 17. График емкости среднемноголетнего вдольберегового потока наносов со средней крупностью 30 мм на проектном участке без учета проектируемого нового мола порта Сочи

41. Рис. 18 График емкости вдольберегового потока наносов со средней крупностью 30 мм на проектном участке в расчетном шторме от ЮЗ направления

42. Рис. 19. Результаты расчета массы предельного равновесия фигурных блоков в волноломах

43. Рис. 20. Результаты расчета динамики пляжей при симметричном расположении волноломов

44. Рис. 21. Результаты расчета динамики пляжей при рекомендуемом расположении волноломов

45. Рис. 22. Генплан рекомендуемого расположения гидротехнических сооружений на проектном участке берега по варианту № 1 – сочетание бун и волноломов

46. Рис. 23. Результаты расчета динамики пляжей при варианте № 2 – традиционная система бун

47. Рис. 24. Результаты расчета динамики пляжей при варианте № 3 – система мысов и бухт. Рекомендован вариант с дополнительными промежуточными волноломами

48. Рекомендованные варианты сооружений