Моделирование движения наносов в районе береговых гидротехнических сооружений

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и
задачи исследования, показаны научная новизна и достоверность результатов, теоретическая и практическая значимость работы, а также представлены положения, выносимые на защиту и сформулирована цель диссертационного исследования.
В первой главе представлены общие характеристики природных условий побережья Сирии. Освоение и развитие береговой зоны Сирии, как с точки зрения транспорта, так и добычи полезных ископаемых, и туризма и рекреации является ключевым направлением развития экономики страны. Представлены также, основные гидротехнические объекты береговой зоны Сирии (порт Тартус, Латакия и др.) – рис.1. Имеются планы расширения и реконструкции существующих портов и рекреационных комплексов.
а. б.
Рис.1. Основные портовые гидротехнические сооружения Сирии
а. порт Латакия, б. порт Тартус
Во второй главе обсуждаются принципы гибридного моделирования в морской гидротехнике, СВОТ анализ физического и численного моделирований. Техника композитного моделирования позволяет улучшить результаты физического и численного моделирования, благодаря использованию преимуществ каждого из них. Движение к установлению преимуществ модели связано с развитием баз данных, которые должны использоваться для оценки модели. Проведение одного и того же эксперимента в двух разных масштабах может использоваться для оценки слабостей и преимуществ модели.
Приведены примеры применения гибридного моделирования в работах НИУ МГСУ. Рассмотрено моделирование волновых процессов для проектирования портового терминала в заливе Восток Японского моря – рис.2, которое проведено на основе метода «вложение моделей».
Рис.2. Расположение проектируемого Терминала в заливе Восток
При этом, глобальная или региональная численная модель предоставляет граничные условия для более локальной, более детализованной модели, относящейся к меньшей области. Расчеты полей ветровых волн терминала Восток проводились на трех вложенных
прямоугольных сетках – Рис.3.
а. б. в.
Рис.3. Область моделирования, батиметрия расчетных сеток (залив Восток)
а. Расчётная сетка No1, б. Расчётная сетка No2, в. Расчётная сетка No3

Крупномасштабной вложенной моделью, четвертой в цепочке вложенных моделей, является численная модель акватории порта. Для оценки остаточного ветрового волнения в акватории порта, параметры ветровых волн на подходе к сооружениям порта, рассчитанные спектральной моделью SWAN, используются для инициализации рефракционно- дифракционной модели на основе УПС. Для численного моделирования волнового режима в порту выбрана рефракционно-дифракционная модель ARTEMIS, основанная на эллиптической версии уравнения “пологих склонов”, которая может применяться для широкого диапазона отношений длин волн к глубине, и позволяет эффективно формировать граничные условия для портовых сооружений различной отражательной способности. Распределение волновых полей в акватории порта для ЮЗ шторма, промоделированных ARTEMIS, показано на рис.4.
Рис.4. Высоты волн в акватории порта, рассчитанные для падающих волн 1%-й обеспеченности ЮЗ шторма 28.08.2012
Другой, достаточно популярный прием композитного моделирования – метод «моделирования модели» для исследования воздействия волн южного направления на восточную часть проектируемого волнолома того же объекта – Терминал в бухте Восток. Модели выполнялись в выбранном масштабе моделирования (1:100; 1:50) – Рис.5. Результаты численных расчетов для условий физического моделирования представлены на рис.6.
Рис.5. Общая картина волнения от воздействия шторма Южного направления на модели порта в бассейне лаборатории гидротехники НИУ МГСУ
Рис.6. Высоты волн, рассчитанные моделью ARTEMIS, для условий физического эксперимента на модели порта.
Дифрагированные волновые поля, полученные численным моделированием, качественно согласуется с результатами физического моделирования для всех серий экспериментов по исследованию воздействия волн на волнолом порта. Метод композитного моделирования – моделирование модели, позволяет оценить степень влияния искажения масштабов, использованных при физическом моделировании и с другой стороны, физическое моделирование предоставляет информацию для верификации результатов численного моделирования волнового режима.
В главе 3 рассматривается композитное моделирование литодинамических процессов в береговой зоне моря, использование натурной информации при моделировании взаимодействия наносов с гидротехническими сооружениями и применение индекса риска эрозии для пляжей, примыкающим к сооружениям. Для моделирования перемещения наносов масштабирование размера частиц наносов является ключевой проблемой. Эта задача может быть исследована с помощью физического моделирования динамики профиля пляжа, которая существенно определяется параметрами обрушения волн. Если масштаб моделирования определен, то масштаб размера взвешенных наносов можно определить по Van Rijn:
= 0.56, (1) 50
где nD50 – масштаб размера зерен наносов, nh – масштаб глубины воды.
В НИУ МГСУ, были проведены эксперименты по исследованию распространения регулярных волн на береговом откосе – Рис.7. Всего было проведено три серии опытов, отличающиеся параметрами моделируемого шторма и положением модели.
Рис.7. Физическая модель берегового склона в волновом бассейне НИУ МГСУ Результаты численных опытов вполне удовлетворительно согласуются с измеренными высотами волн. Волны укручиваются при приближении к обрушению, как и на физической модели. Проведена статистическая обработка трех серий измерений и расчетов, построена регрессионная зависимость измеренных и рассчитанных высот волн. Результаты показаны на рис. 8. Коэффициент корреляции измеренных и рассчитанных высот волн, R=0.985, что свидетельствует об очень хорошем согласии результатов физического и численного
моделирования.
После верификации численной модели можно перейти, собственно, к исследованию
влияния масштаба моделирования на характеристики обрушения волн на откосе, которое проводилось на модели в одномерной постановке – Рис.9. А численный эксперимент выполнялся в одномерной постановке с помощью численной волновой модели, основанной на численном решении модифицированных уравнений Буссинеска во времени. Результаты численного моделирования показаны в таблице 1.
Рассчитаннеы и измеренные высоты волн в трех экспериментах
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0.05 0.1
R2 = 0.9694
0.15 0.2 0.25
Модель
Рис.8. Высоты волн на откосе, полученные физическим и численным моделированием
Измерение
По результатам выполненных численных опытов определялись ошибки, вызванные масштабными эффектами, отдельно для глубины в створе обрушения и высоты волн в створе обрушения. Ошибки для глубины обрушения определялись по формуле:
∆ , = − 1 % , (2) 1
где Hn – глубина обрушения при масштабе моделирования, равном n; H1 – глубина обрушения при натурном масштабе моделирования. Аналогично, определялась ошибка масштабирования по высоте волн в створе обрушения.
Рис.9. Схематичное представление модельной задачи обрушения волн на откосе Ошибки для разных масштабов моделирования представлены в двух последних строчках таблицы. По глубине обрушения волн ошибка масштабирования показывает прямую зависимость от масштаба моделирования: чем мельче масштаб, тем меньше глубина обрушения волны. Для модели с масштабом 1:50 ошибка по глубине обрушения достигает значения в 24%. Резкий скачок от 15% до 23% наблюдается между моделями 1:30 и 1:40, что позволяет предположить, что использование масштаба меньше 1:30 может приводить к значительным
ошибкам при определении глубины обрушения волн на пологом откосе.
Таблица1. Результаты численного моделирования для выполнения исследования влияния
масштабного эффекта на трансформацию волн на береговом откосе
Масштаб модели 1:1
1:5 1:10 1:15 1:20 1:30 1:40 1:50 782 785 787 790 794 799 809 810
Створ обрушения, No
ячейки
Глубина обрушения, м 5,876 Высота волны при
обрушении, м
Ошибка по глубине
обрушения, %
Ошибка по высоте волн
при обрушении, %
5,726 5,626 5,476 5,275 5,025 4,524 4,474
4,546 4,559 4,615 4,603 4,598 4,581 4,3 6,8 10,2 -14,5 -23,0 -23,9 0,66 0,37 0,85 0,59 0,48 0,10
4,576 4,537 0,0 2,6 0,00 0,86

Наоборот, изменение высоты волны при обрушения имеет нелинейный характер. В модели масштабом 1:5 высота волны уменьшается по сравнению с натурной моделью, после чего начинает расти вплоть до модели 1:20. В моделях 1:30 – 1:50 высота волны при обрушении наоборот снижается. Ошибка по высоте волны не достигает больших значений и колеблется в пределах 1%. Можно предположить, что высота волны при обрушении может достоверно определяться на моделях в маленьких масштабах.
Для иллюстрации возможного использования данных дистанционного зондирования для моделирования движения наносов рассматриваются условия Геленджикской бухты, расположенной в Российской северо-западной части Черного моря, по данным, систематизированным на сайте www.azur.ru, и спутниковым снимкам изменения береговой линии, представленным Google Earth, за 10 летний в период с 08.2003 по 12.2013 – Рис.10.
Рис.10. Обзорные спутниковые снимки Геленджикской бухты Google Earth 08.2003 (первый), 12.2013 ( второй) в сравнении с суммарным полем изменения донных песчаных
отложений в бухте за 5 экстремальных волновых штормов 30 летнего периода.
Проведенный анализ показал, что использованная математическая модель верно
предсказывает динамику размыва и намыва наносов в Геленджикской бухте. А анализ
спутниковых снимков является инструментом получения данных о динамике наносов в районе
береговых сооружений. В качестве индекса размыва берега предлагается использовать
соотношение (3), где: фактический объем пляжа а – оптимальный объем. Уровень ∗
опасности размыва определяется по таблице 2 (И.О. Леонтьев). Однако, для пляжа, примыкающего к поперечному сооружению, необходимо также оценить риски необратимой эрозии, связанные с плановой перестройкой пляжа. Характер эволюции пляжа в окрестности поперечного сооружения схематически показан на рис.11, который показывает поведение
берегавбезразмерныхкоординатах: x=X /l , y=y/l ,где X =(X −X0)-смещение CggCCC
береговой линии, а lg – длина преграды относительно начального положения берега.
= − ∗. (3) ∗

Таб.2. Градации индекса размыва и соответствующие уровни опасности
Индекс размыва > 0.1 −0.1 ≤ ≤ 0.1 −0.5 ≤ < −0.1 < −0.5 Уровень опасности Балл нулевой 0 низкий 1 средний 2 высокий 3 Остановка потока наносов перед преградой вызывает накопление материала и выдвижение берега, а позади преграды, из-за дефицита наносов, имеет место размыв и отступление берега. Такие изменения происходят в ходе отдельного шторма, хотя величина выдвижения и отступания берега зависит от масштаба времени. С точки зрения устойчивости пляжа важна величина максимального отступания пляжа за преградой, позади преграды в зоне размыва. Для получения соответствующих оценок можно использовать простейшее аналитическое решение, которое было впервые получено Пелнар-Консидером. -1.0 -0.5 0.0 0.5 0 0.25 0.50 0.75 t=0.75 0.50 0.25 0 1.0 -15 -10 -5 0 5 10 15 y Рис.11. Эволюция контура берега под влиянием поперечной преграды (теория Pelnard- Considere) Трудно задать точное условие, соответствующее необратимому размыву пляжа в зоне за преградой. В частности, можно воспользоваться условием отступания пляжа на 0,75 начальной ширины XC0 = const . Соответствующее время получится по формуле 4, где: коэффициент диффузии K, 0 - угол, подхода волн. 0.14 ( 0)2 = (4) 2 0 Если пляж в зоне низового размыва уменьшится по ширине до четверти исходной ширины, это может означать развитие проблем с подмывом корневой части сооружения. волны x В главе 4 приведён анализ исторического развития и планы расширения основных гидротехнических сооружений береговой зоны Сирии (порт Латакия, порт Тартус и проект берегозащитных сооружений в городе Тартус – Рис.12). Рис.12. План берегозащитных сооружений в городе Тартус Для оценки литодинамических процессов выполнен прогноз волнового режима у побережья Сирии. Расчетные характеристики по ветру получены в результате статистической обработки срочных наблюдений на метеостанциях береговой зоны Сирии за период с 1957 г до 2020 г. в расчётных точках – Рис.13. Рис.13. Расположение расчетных точек на модели Для моделирования волнового режима была использована Спектральная модель SWAN. Характеристики волн в расчетных точках были получены для штормов западного и юго- западного румбов повторяемостью 1 раз в год и представлены в таблице 3. Изополя значительных высот волн для периода действия юго-западного и западного шторма показаны на рисунках 14,15. Таб.3. Полученные характеристики волн в расчетных точках для штормов западного и юго-западного румбов повторяемостью 1 раз в год Юго-западный ветер Значимая высота волны, h13%, м Период пика спектра, , с Значимая высота волны, h13%, м Период пика спектра, , с No точки Западный ветер 8,12 15,7 7,87 16,0 7,26 16,2 7,25 15,6 6,75 15,9 6,96 15,9 6,78 15,8 6,42 16,0 7,03 16,0 1 6,99 14,9 2 6,73 15,2 3 6,41 15,3 4 6,25 14,7 5 5,78 15,0 6 5,91 15,0 7 5,89 15,0 8 5,55 15,2 9 6,16 15,2 Рис.14. Изополя значительных высот волн во время шторма ЮЗ румба Рис.15. Изополя значительных высот волн во время шторма З румба На основе результатов моделирования волнового режима Сирийского побережья, выполнен расчёт индекса размыва по формуле для 3 профилей пляжа (I, II, III) – Рис.16. Пример результатов для первого изучаемого профиля показан на Рис.17. Рис.16. Расположение расчетных профилей пляжей Рис.17. Индекс размыва для первого изучаемого профиля По результатам расчёта индекса размыва для условий береговой зоны Сирии, можно сказать, что тенденция берега Сирии к размыву относительно слабая при западных и юго- западных штормах и имеет низкий и средний уровень опасности размыва по всей длине берега. Для определения тенденций берега к размыву у определённых береговых гидротехнических сооружений, были проанализированы доступные спутниковые снимки, полученные с Google Earth для участков, показанных на рисунке 18 (у первого изучаемого профиля, в районе порта Латакия) и на рисунке 19 (у третьего профиля, в районе порта Тартус и комплекса берегозащитных сооружений). Рис.18. Изучаемый район у первого профиля Рис.19. Изучаемые районы у третьего профиля Для каждого изучаемого места проводился анализ спутниковых снимков, в качестве примера рис.20 показывает второй исследуемый район, который находится, у порта Тартус, где построен рекреационный комплекс. Спутниковые снимки для этого участка побережья, доступные на сайте google earth с 2004г. по 2020г. При анализе этих снимков можно увидеть, что в южной части участка пляж формируется. Одновременно, низовой размыв происходит на северном участке берега. Можно предположить, что такая картина переформирования пляжа вызвана вдольбереговыми течениями западных штормов, создающими перенос наносов в южном направлении. а. б. Рис.20. Береговая зона в северной части Сирийского побережья у порта Тартус: а – 2009 г., б – 2019 г. Результаты анализа всех снимков изучаемых мест дает первичную информацию об эрозии/аккумуляции пляжа и возможных проблемах с этими участками берега. Конкретно, на тех участках, для которых выполнялся мониторинг, не наблюдается сильная эрозия берега. А на некоторых участках, наоборот, наблюдается аккумуляция пляжа. Наблюдаемые процессы определяются как построенными берегоукрепительными сооружениями, так и направленностью потоков наносов. Выводы, следующие из результатов мониторинга, согласуются с результатами расчетов индексов рисков размыва для этого же участка берега. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные итоги выполненного исследования состоят в следующем: 1. Анализ современного состояния портовых объектов в береговой зоне Сирии (порты Латакия и Тартус, берегозащитные сооружения) показывает, что в последние десятилетия эти комплексы практически не развивались. Это связано с политико- экономической ситуацией, существующей в Сирии последние годы. Вместе с тем, морской транспорт, туризм и рекреация являются для Сирии ключевыми отраслями экономики и поэтому их развитие является чрезвычайно актуальными. Существовали проекты развития, создаваемые в разные годы, и не реализованные по тем же причинам. Проанализировано актуальное состояние портовых гидротехнических сооружений портах Тартус и Латакия. Рассмотрены предложенные ранее варианты реконструкции этих портов. Дана оценка литодинамических процессов в районе портов и их влияние на возможное развитие портов. Эти результаты могут быть использованы в дальнейших проектах для береговой зоны Сирии. 2. Современным методом определения рациональной компоновки и конструкции проектируемых гидротехнических сооружений является метод композитного моделирования. Достоинством метода композитного моделирования применительно к задачам береговой гидротехники является сбалансированное совмещение преимуществ методов физического и численного моделирования с определенным нивелированием их недостатков. СВОТ анализ численного и физического моделирования показывает сильные, слабые стороны, возможности развития и угрозы отдельно методов физического и численного моделирования. Техника композитного моделирования позволяет улучшить результаты физического и численного моделирования, благодаря использованию преимуществ каждого из них. 3. Наиболее разработанными методами композитного моделирования являются метод вложения моделей и метод моделирования модели. При использовании метода вложения моделей, глобальная или региональная численная модель предоставляет граничные условия для более локальной, более детализованной модели, относящейся к меньшей области. Вложение моделей используется для переноса результатов численного моделирования с глобального на локальный уровень или для запуска более детальной модели, используя менее детальную, более крупномасштабную модель. Вложение моделей позволяет «запустить» детальную физическую модель, покрывающую малую область, с помощью численной модели большей области. Метод вложения моделей на примере моделирования волнового режима порта в заливе Восток показал, что глобальная модель позволяет получить характеристики волнового режима, важные для проектирования защиты портовой акватории. 4. Прием композитного моделирования – «моделирование модели» представляет собой численное моделирование условий физической крупномасштабной модели. При этом появляется возможность, с одной стороны, оценить возможность искажения масштабов физической модели, а, с другой, - верифицировать численное моделирование данными лабораторных измерений. Метод продемонстрирован на примере исследования порта в заливе Восток. Выделена новая задача сравнения численного поля волн и лабораторных измерений в отдельных точках. Предложено для такого сравнения осреднение численного поля волн в круговой окрестности точки измерения с радиусом, равным половине длины волн. Такой подход позволяет нивелировать эффект частично стоячих волн, образующихся в волновом бассейне. 5. Для задач взаимодействия сооружений с наносами физическое моделирование не позволяет получить количественные характеристики в связи с немоделируемостью наносов. Поэтому для этих задач важной составляющей композитного моделирования являются натурные измерения динамики берегов и пляжей, которые могут быть использованы для верификации результатов численного моделирования. Для этого можно использовать совместное описание пляжей по спутниковым снимкам изменения береговой линии, представляемым Google Earth за многолетний период. Такой подход позволяет оценить соответствие полученных при расчетах полей динамики песчаных отложений реальным литодинамическим процессам. 6. Для оценки влияния масштаба физического моделирования движений наносов в окрестности сооружений можно использовать численное моделирование распространения и обрушения волн на береговом откосе. Основной предложенной идеей является то, что положение створа обрушения и высота волн при обрушении являются важными характеристиками динамики наносов в береговой зоне. Для численного моделирования используется модель Буссинеска, верифицированная данными лабораторных опытов. Опыты проведены для восьми масштабов, от 1:1 до 1:50. По глубине в створе обрушения волн ошибка масштабирования показывает прямую зависимость от масштаба моделирования: чем мельче масштаб, тем меньше глубина обрушения волны. Для модели 1:50 ошибка по глубине обрушения достигает значения в 24%. Резкий скачок от 15% до 23% наблюдается между моделями 1:30 и 1:40, что позволяет предположить, что использование масштаба моделирования меньше 1:30 может приводить к значительным ошибкам при определении глубины обрушения волн на откосе. Наоборот, изменение высоты волны при обрушения имеет нелинейный характер. В модели 1:5 высота волны уменьшается по сравнению с натурной моделью, после чего начинает расти вплоть до модели 1:20. В моделях 1:30 – 1:50 высота волны при обрушении наоборот снижается. Ошибка по высоте волны не достигает больших значений и колеблется в пределах 1%. Можно предположить, что высота волны при обрушении может достоверно определяться на моделях в мелких масштабах. 7. Для определения расчетного волнового режима для береговой зоны Сирии расчетные характеристики ветра получены в результате статистической обработки срочных наблюдений на метеостанциях Тартус и Латакия за период с 1957 г до 2020 г. По расчетным характеристикам ветра построены режимные функции распределения скоростей ветра по волноопасным направлениям. Расчеты полей ветровых волн проводились программой SWAN на треугольной сетке конечных элементов. У побережья Сирии максимальный размер ячейки составляет примерно 100 м2. Общее количество элементов в сетке – 16949, узлов – 9210. 8. По результатам расчёта индекса размыва для условий береговой зоны Сирии, можно сказать, что тенденция берега Сирии к размыву относительно слабая при западных и юго-западных штормах и имеет низкий и средний уровень опасности размыва по всей длине берега. Этот результат позволяет ожидать относительную устойчивость существующих береговых комплексов. Однако, существуют и опасности, требующие мониторить состояние соответствующих участков берега. Естественно, при строительстве новых береговых объектов необходимо оценивать новые опасности береговой эрозии. 9. Мониторинг спутниковых снимков Сирийского побережья на различных участках берега дает первичную информацию об эрозии/аккумуляции пляжа и возможных проблемах с этими участками берега. Конкретно, на тех участках, для которых выполнялся мониторинг, не наблюдается сильная эрозия берега. А на некоторых участках, наоборот, наблюдается аккумуляция пляжа. Наблюдаемые процессы определяются как построенными берегоукрепительными сооружениями, так и направленностью потоков наносов. Выводы, следующие из результатов мониторинга, согласуются с результатами расчетов индексов рисков размыва для этого же участка берега. Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы заключаются в следующем: - проведении экспериментальных исследований взаимодействия волн с береговыми гидротехническими сооружениями; - продолжении исследования влияния конструктивных особенностей оградительных сооружений для условий песчаных пляжей, например задач местных размывов, разжижения грунта и др.; - численное моделирования движения наносов по длине берега при строительстве новых гидротехнических сооружений.