1.2.1. Понятие об элементах гидрологического режима акваторий

На разных этапах проектирования разработки нефтяных и газовых месторождений требуются различные объемы гидрометеорологической информации. При разработке технико-экономических обоснований необ­ходимы гидрометеорологические данные в достаточно крупных градациях и отнесенные к сравнительно большим акваториям. На этапе проектиро­вания морских нефтепромысловых сооружений требуются более деталь­ные и в больших объемах данные по определению мест и схемы размеще­ния на площади месторождения гидротехнических нефтепромысловых сооружений и степени воздействия среды на эти сооружения. Сюда вхо­дят следующие исходные данные:

• максимальная высота волн и соответствующий ее период;

• максимальное значение скоростей ветра и течений;

- экстремальные изменения уровня воды с учетом приливов и штормовых нагонов;

• ледовые условия;

• режимные распределения высот и периодов волн, совместные распределения параметров волн и распределения волн по румбам, распре­деление скоростей и направлений ветра и течений;

• профили течений, спектры ветра и волн и групповые свойства волн;

• ход скорости ветра и параметров волн в типовых и наиболее же­стких штормах.

Основные исходные данные параметров приводятся с указанием периода их повторяемости (1 раз в году, в 5, 10, 20, 50, 100 лет). При строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений, буксировке технических плавучих средств и установке их на место в рабочее состоя­ние и демонтаже, кроме режимной, требуется и оперативная диагностиче­ская и прогнозная гидрометеорологическая информация: скорость и на­правление ветра, скорость и направление течений на поверхности, высоты волн требуемой обеспеченности, средние периоды волн и зыби, направле­ние распространения волн, ледовые условия, видимость, осадки, облач­ность, температура воздуха, обледенение.

Основными способами определения требуемых гидрометеороло­гических параметров могут быть следующие.

Для определения экстремальных значений:

• выбор экстремальных величин из имеющихся наблюдений (на­пример, температура, влажность и т.д.);

• расчет параметров по синоптическим данным, наблюдавшимся в са­мых суровых условиях (штормовой нагон, течения и т.п.);

• расчет параметров по гипотетическому «проектному» шторму с периодом 50 или 100 лет (высота волн);

21

• экстраполяция значении, рассчитанных по математической модели;

• экстраполяция замеренных или наблюденных значений путем их аппроксимации соответствующими функциями распределения вероятностей.

Для определения параметров, близких к норме, могут быть приме­нимы следующие данные:

• литературные источники (атласы, ежегодники, отчеты и др.);

• обобщение прибрежных и судовых наблюдений, наблюдений в заданных (фиксируемых) точках;

• рассчитанные значения для типовых условий, например, расчет течений для преобладающих ветровых условий:

-расчеты по срочным синоптическим картам (расчет волнения);

- спутниковые и другие данные, полученные неконтактными ме­тодами наблюдений.

Следует отметить, что все работы выполняют по соответствующим методикам, которые систематически совершенствуются за счет экспери­ментальных исследований, в том числе в ряде случаев и целенаправлен­ных, в результате которых могут быть созданы новые методы расчета

Существует комплекс технических средств для сбора информации, включающий научно-исследовательские суда (НИС), корабли погоды, плавмаяки, заякоренные и дрейфующие буи, дрейфующие станции «Се­верный полюс», морские береговые и устьевые гидрометеорологические станции, поисковые суда, гидрографические суда, воздушные и космиче­ские наблюдательные платформы, подводные аппараты, носители под­водных аппаратов, необитаемые спутники и космические лаборатории, самолеты, вертолеты, шары-зонды, стационарные морские платформы (нефтепромысловые и буровые), оборудованные комплексами приборов для замера гидрометеорологических данных, нагрузок на элементы конст­рукции и т.д.

Основные гидрологические и метеорологические характеристики шельфа, влияющие на выбор рационального типа бурового основания, следующие: глубина моря в районе бурения, степень его волнения, сила ветра, ледовый режим и видимость.

Уровень моря. Для морского гидротехнического строительства не­обходимо знать основные характеристики уровня, отражающие средний или преобладающий режим, а также распределение величин колебания уровня во времени. Наибольшее значение имеет определение суммарных уровенных колебаний в конкретных физико-географических условиях.

Под средним уровнем в данном пункте обычно понимается средне­арифметическое значение высот уровней в рассматриваемом пункте над при­нятым нулем поста, зафиксированных за определенный период времени. В зависимости от периода осреднения различают среднесуточные, среднеме­сячные, среднегодовые, средние за навигационный период и средние много­летние уровни. Исходные материалы для вычисления средних уровней -ежечасные или срочные наблюдения высот уровня над нулем поста, которые

22

оформляются в виде хронологических таблиц, помещаемых в ежемесячнике или хранящихся в фондах. По наблюдаемым значениям уровней вычисляют­ся среднесуточные уровни, среднемесячные - по среднесуточным, среднего­довые по среднемесячным, средние навигационные - из среднемесячных и среднесуточных за период отсутствия льда.

Волнение. В соответствии с нормативным документом принята сле­дующая терминология.

Гравитационные волны ветровые - вызванные ветром волны, в формировании которых основную роль играет сила тяжести. Элементы волны (основные) - высота, длина и период. Нерегулярные волны - вол­ны, элементы которых изменяются случайным образом. Регулярные вол­ны - волны, элементы которых не изменяются.

Поступательные (бегущие) волны - волны, видимая форма кото­рых перемещается в пространстве.

Стоячие волны - волны, видимая форма которых в пространстве не перемещается.

Система волн - последовательные волны, имеющие одно проис­хождение.

Профиль волны (главный) - линия пересечения взволнованной по­верхности с вертикальной плоскостью в направлении луча волн (рис. 1.3).

Средняя волновая линия (3) - линия, пересекающая запись волно­вых колебаний так, что суммарные площади выше и ниже этой линии одинаковые; для регулярной волны — горизонтальная линия, проведенная на уровне полусуммы отметок ее вершины и подошвы.

Рис. 1.3. Профиль волны

Гребень волны - часть волны, расположенная выше средней вол­новой линии (2).

Вершина волны - наивысшая точка гребня волны (1).

Ложбина волны - часть волны, расположенная ниже средней вол­новой линии (5.)

Подошва волны - наинизшая точка ложбины волны (4).

Длина волны - горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле (λ).

23

Высота волны - превышение вершины волны над соседней подош­вой на волновом профиле (h).

Период волны - интервал времени между прохождением двух смежных вершин волн через фиксированную вертикаль.

Фронт волны - линия на плане взволнованной поверхности гребня данной волны.

Луч волны - линия, перпендикулярная к фронту волны.

Скорость волны - скорость перемещения гребня волны в направ­лении ее распространения.

Расчетный шторм - шторм, наблюдающийся 1 раз в течение задан­ного ряда лет (25, 50 и 100 лет), со скоростью, направлением, разгоном и продолжительностью действия ветра, при которых в расчетной точке формируются волны с максимальными за этот ряд ее элементами.

Расчетная скорость ветра (при определении элементов волн) - ско­рость ветра при высоте 10 м над уровнем воды.

Расчетный уровень воды - уровень, назначаемый с учетом сезон­ных и годовых колебаний, ветрового нагона воды, приливов, отливов.

Разгон волн - протяженность охваченной ветром акватории, изме­ренная по направлению ветра до расчетной точки.

Акватории, в пределах которых дно не влияет на развитие волн, называются глубоководными.

Акватории, в пределах которых дно влияет на развитие волн, име­нуются мелководными.

Глубоководные акватории - с глубинами Н > 0,65 ·λ₀, где λ₀- сред­няя длина волн, которая могла бы наблюдаться на бесконечной глубине. При этом условии дно бассейна не влияет на средние высоты и длины волн.

Мелководные акватории - с глубинами Н ≤ 0,65 ·λ₀ и уклонами i ≤

≤ 0,001 (практически горизонтальное дно) или же с произвольными укло­нами дна, если глубина воды в направлении распространения волн увели­чивается.

Прибрежная полоса воды мелководных и глубоководных аквато­рий делится на четыре зоны. Первая зона - глубоководная (если акватория глубоководная) или мелководная (если акватория мелководная). Вторая зона - зона трансформации волн, распространяющихся от первой зоны в сторону уменьшающихся глубин (трансформация волн структуры и ста­тистических характеристик волн с уменьшением глубины). Третья зона -(зона прибоя) с глубиной Н_обр ≤ Н, где Н_обр = 0,65 Н_кр. В этой зоне проис­ходит обрушение наиболее крупных, а затем, по мере уменьшения глубин, - все более мелких волн. Четвертая зона - зона наката с глубинами Н <0,65 Н_кр; в этой зоне образуется накат - возвратно-поступательный по­ток воды, набегающей на береговой откос.

Если статистические характеристики волнения не изменяются во времени, что бывает, когда скорость направления ветра постоянна во вре­мени и продолжительность действия ветра велика, то волнение называется

24

установившимся, в противном случае - развивающимся или затухающим, когда средние высоты волн увеличиваются или уменьшаются.

Причины возникновения волн разнообразны. Наиболее распро­странены ветровые волны, которые после прекращения ветра переходят в так называемые волны зыби.

Приливные волны возникают под действием сил взаимодействия масс воды, луны и солнца. Барические волны образуются в результате ко­лебания атмосферного давления. Сейсмические волны связаны с тектони­ческими явлениями. Волны корабельные возникают при движении судна. Крупные океанские ветровые волны движутся с большой скоростью (15-20 м/с и более). Для изучения волн необходимы знания в области гидро­статики и гидродинамики.

В табл. 1.3 приведена шкала степени волнения.

Таблица 1.3 Шкала степени волнения

Баллы	Высота волны Ь, м	Словесная характеристика волнения
0		Волнение отсутствует
1	0-0,25	Слабое
2	0,25-0,75	Умеренное
3	0,75-1,25
4	1,25-2,0	Значительное
5	2,0-3,5
6	3,5-6,0	Сильное
7	6,0-8,5
8	8,5-11,0	Очень сильное
9	11,0 и более	Исключительное

Течения. При морском гидротехническом строительстве возникает ряд специфических вопросов, касающихся исследований течений. Если для мореплавания основной интерес представляют данные о течении на определенный день и час, то для проектирования гидротехнических со­оружений в первую очередь требуется знание режима течений, т.е. какие течения и как часто они наблюдаются (скорость, направление). Расчетные методы приведены в Руководстве по расчету элементов гидрологического режима в прибрежной зоне морей и в устье рек при инженерных изыска­ниях.

Температура воды. При проектировании гидротехнических со­оружений необходимо знать температуру воды, пределы ее изменений, а также вероятность появления температуры той или иной величины. Тем­пературу рассчитывают по статистическим данным за определенный пе­риод с применением методов математической статистики.

Приливы. Приливы классифицируются следующим образом: лун­ные (астрономические), ветровые нагоны и приливы, вызываемые разно­стью давлений. Сумму всех этих приливов называют штормовым наго-

25

ном. При проектировании стационарных платформ высоты штормового нагона воды являются точкой отсчета, на которую накладываются штор­мовые волны.

Течения также имеют важное значение при проектировании плат­формы. Воздействие гидродинамических сил, вызываемых течениями, учитывают при расчете платформ, а также при проектировании причалов. Учитывают также и другую информацию о воздействии окружающей среды (осадки, туман, ветровые охлаждения, температура окружающей среды и др.

Глубина шельфа. Максимальная глубина шельфа большинства морских акваторий составляет 100-200 м, но на некоторых акваториях она достигает 300 м и более. До настоящего времени основным объек­том геологического исследования шельфов являются участки в при­брежных районах с глубиной акваторий до 50 м и редко до 100 м. Это объясняется меньшей стоимостью разведки и разработки месторожде­ний на меньших глубинах и достаточно большой площадью шельфа с глубинами до 50 м.

Подтверждением мелководности больших площадей шельфов яв­ляются соответствующие данные по морям, омывающим берега России: глубина Азовского моря не превышает 15 м; средняя глубина северной части Каспийского моря (площадь 34 360 квадратные мили) составляет 6 м, наибольшая - 22 м; преобладающие глубины Чукотского моря 40-50 м, 9% площади с глубинами до 25 м, 56% - с глубинами до 50 м, 78% - с глубинами 25-100 м; 45% площади моря Лаптевых с глубинами 10-50 м, 64% - с глубинами до 100 м; в западной и центральной частях Восточно-Сибирского моря преобладают глубины 10-20 м, в восточной - 30-40 м, средняя глубина моря 54 м; преобладающие глубины Карского моря 30-100 м, глубины прибрежной отмели до 50 м; преобладающие глубины Балтийского моря 40-100 м, в заливах менее 40 м; средняя глубина Белого моря 67 м, в заливах - до 50 м; преобладающие глубины Баренцева моря 100-300 м, в Юго-Восточной части 50-100м; глубины Печорской губы (длина около 100 км, ширина 40-120 км) не превышают 6 м.

Более глубокие Японское, Чёрное, Охотское моря и Татарский пролив тоже имеют большие площади отмелей, бухт, заливов и участков с глубинами до 100 м. Так, глубины северо-западных частей Чёрного моря и Татарского пролива меньше 100 м, Охотского моря - меньше 200 м.

Анализ вероятности появления ветровых волн различной интен­сивности на шельфах морей, омывающих берега России, показывает, что для бурения на море желательно и достаточно располагать буровыми ус­тановками, позволяющими эксплуатировать их при высоте морских волн до 3 м. Стремление к проведению работ при большем волнении экономи­чески нецелесообразно, так как техническое обеспечение бурения при волнении моря более 5 баллов очень сложно, а вероятность встречи тако­го волнения на шельфе мала (рис. 1.4).

26

Рис. 1.4. Вероятность Р воз­никновения волн различной высоты h

Средняя повторяемость волн высотой более 3 м на морях Каспий­ском, Черном, Балтийском, Белом, Лаптевых и Восточно-Сибирском в любое время года не превышает 10 %, а в весенние и летние месяцы со­ставляет 3-5 %. На Азовском море волн высотой более 3 м почти не быва­ет (табл. 1.4).

Таблица 1.4 Повторяемость ветров и волнения по морям,