ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2011, том 38, № 3, с. 283-296
ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ^^^^^^^^^^^^ ПРОЦЕССЫ
УДК 556.54(282.243.3:261.26)
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРИЛИВОВ И ШТОРМОВЫХ НАГОНОВ
В УСТЬЕ Р. ЭЛЬБЫ1 © 2011 г. М. В. Михайлова
Институт водных проблем Российской академии наук 119333 Москва, ул. Губкина, 3 Поступила в редакцию 10.02.2010 г.
Рассмотрены основные закономерности взаимодействия приливов и штормовых нагонов в устьях рек. На примере устьевой области р. Эльбы описаны процессы взаимодействия эвстатического повышения уровня моря, приливов, нагонов и стока реки и особенности формирования максимальных уровней воды. Показано, что во второй половине ХХ в. вследствие активизации циклонической деятельности над Северной Атлантикой участились случаи экстремальных штормовых нагонов в устье р. Эльбы. Дана оценка возможных изменений режима приливов и нагонов в устье р. Эльбы в XXI в., вызванных ускорением эвстатического повышения уровня моря. Проанализировано воздействие местных гидротехнических мероприятий (защитного обвалования, углубления и выправления русла) на максимальные уровни воды в г. Гамбурге.
Ключевые слова: река, море, устье, эстуарий, приливы, нагоны, наводнения, гидротехнические мероприятия.
Устьевая область р. Эльбы относится к дельтово-эстуарному мезоприливному типу. Эстуарий Эльбы площадью ~480 км2 — один из крупнейших в Европе. В последние десятилетия немецкими специалистами проведены крупномасштабные исследования устья Эльбы и происходящих здесь гидрологических процессов [11, 14, 16—22]. Интерес к изучению устья Эльбы был продиктован следующими причинами. Во-первых, в устье р. Эльбы находится Гамбург — крупный промышленный центр и главный морской порт ФРГ. Обеспечение бесперебойного функционирования порта и обоснование мер по улучшению судоходных условий в эстуарии Эльбы — важные технические и научные задачи. Во-вторых, Гамбург и его окрестности уже в течение многих веков подвергались воздействию сильных штормовых нагонов, многие из которых имели катастрофический характер и наносили большой ущерб хозяйству и населению города. В последнее время ситуация усугубилась тем, что штормовые нагоны стали происходить чаще. Возникла проблема прогноза этих опасных явлений, тем более в условиях повышающегося уровня моря.
Для российских специалистов в области изучения устьев рек результаты исследования устья Эльбы могут представлять интерес не только с познавательной точки зрения (в отечественной научной литературе сведений об этом объекте практически не
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ
(проект 10-05-00061).
публиковалось). Эти результаты — хороший пример, во-первых, анализа еще недостаточно изученных сложных процессов взаимодействия приливов, штормовых нагонов, речного стока и изменения среднего уровня моря в устьях рек, а во-вторых, — оценки влияния комплекса защитных и дноуглубительных гидротехнических мероприятий на устьевые процессы. Аналитический обзор результатов новых гидрологических исследований в устье Эльбы — задача статьи.
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИЛИВОВ, ШТОРМОВЫХ НАГОНОВ И РЕЧНОГО СТОКА В УСТЬЯХ РЕК
Уровни воды в устьях рек зависят от определяющих факторов более сложным образом, чем в реках или морях. В общем случае уровень воды в любом пункте устьевой области реки Н (в том числе и максимальный) определяется комплексом внешних и внутренних факторов. К внешним факторам относятся, прежде всего, расход воды реки, средний (фоновый) уровень моря, приливы и штормовые нагоны, распространяющиеся из моря. К внутренним факторам можно отнести морфометрические и морфологические характеристики русла, воздействие местных гидротехнических мероприятий и сооружений.
Часто зависимость уровня воды в устье реки Н от определяющих факторов представляют в виде соотношения
Н — Нм + Нпр + Ннг + Нст>
(1)
где Нм — средний уровень моря, Нпр — приливная составляющая уровня, Ннг — составляющая уровня, обусловленная штормовым нагоном, Нст — "стоковый" уровень, зависящий от расхода воды реки.
Уравнение (1), однако, может рассматриваться лишь как иллюстрация наличия функциональной связи между уровнем Н и его составляющими. В действительности, линейной зависимости вида (1) не существует, так как составляющие уровня, когда они "действуют" одновременно, связаны друг с другом нелинейно.
Объяснить соответствующие физические закономерности колебаний уровней воды в устьях рек можно на основе уравнений гидродинамики. Однако, как показано в [18], существующие гидродинамические модели не всегда полно и адекватно отражают сложные процессы, происходящие в устьях рек. Во-первых, реальные движения воды в устьях рек трехмерны, а применяемые в исследованиях уравнения в лучшем случае двумерны. Во-вторых, уравнениями гидродинамики не всегда можно описать сложные процессы одновременного распространения в противоположных направлениях обратных волн двух видов (приливов и штормовых нагонов) и прямой паводочной волны, а также влияния резонанса и отражения волн и т.д. В-третьих, во многих случаях не удается адекватно учесть влияние неустановившегося ветра, плотностных эффектов, обусловленных проникновением в устье реки морских осолоненных вод, переменного гидравлического сопротивления и других факторов.
Поэтому, как отмечено в [18], во многих случаях наиболее эффективен полуэмпирический метод анализа процессов в устьях рек, учитывающий положения гидродинамики, но базирующийся на обработке данных наблюдений, что дает возможность автоматически учесть влияние на устьевые процессы не только внешних, но и внутренних (местных) факторов.
Ниже приведены основные закономерности взаимодействия приливов, штормовых нагонов и речного стока, исследованные, в основном, в устьях рек Европы и, в частности, в прибрежной зоне Гель-голандской бух. и эстуарии Эльбы [18—20].
Взаимодействие приливов и речного стока проявляется в существовании сложных зависимостей уровня Н в любом пункте устья от расхода воды реки О и приливного уровня Нпр в прибрежной зоне моря. Выделяются три основные зоны: речная, где Н зависит только от О и не зависит от Нпр (Н и О связаны между собой кривой расходов О — /(Н)); морская, где наоборот — Н зависит только от Нпр и не зависит от О (здесь кривые Н — ф(О, Нпр) горизонталь-
ны и Н — функция Нпр); переходная, где Н зависит одновременно и от О, и от Нпр. В пределах этой зоны можно выделить несколько подзон с разной степенью зависимости Н от Нпр и О. Увеличение Нпр приводит к выполаживанию кривых Н — ф(О, Нпр), увеличение О — к более крутым кривым Н— ф(О, Нпр). Заметим, что аналогичные закономерности свойственны и зависимости вида
Н — ¥(0, Нм),
(2)
связывающей уровень в любой точке устья реки с расходом воды О и средним уровнем моря Нм. Зависимости вида (2), как показано в [2, 3], могут быть легко получены путем построения кривых свободной поверхности на устьевом участке реки методами речной гидравлики.
В [18] сделан важный вывод о том, что в крупных эстуариях типа эстуария Эльбы влияние расхода воды на отметки уровня обычно невелико. Здесь в формировании уровенного режима главную роль играют Нм, Нпр и Ннг.
Приливная волна распространяется вверх по эстуарию и устьевому участку реки навстречу "стоковому" уклону /ст, зависящему от расхода воды О. Уровни воды при этом на некотором участке русла повышаются, причем тем больше, чем больше О и 1ст. С другой стороны, увеличение О и /ст способствует более быстрому распластыванию приливной волны и уменьшению дальности распространения приливов в реку.
Увеличение О влечет за собой увеличение не только "стоковых" уровней, но и глубины. А это, в свою очередь, увеличивает скорость распространения приливной волны. Это объясняется тем, что скорость распространения любых длинных волн с, в том числе и приливных, пропорциональна корню квадратному из глубины русла к
(3)
Обусловленные воздействием ветра на водную поверхность штормовые нагоны повышают уровни воды и увеличивают глубину в устье реки. Это, в свою очередь, влечет за собой ускорение движения приливных волн. Приливные волны при этом могут перемещаться вверх по эстуарию и устьевому участку реки быстрее нагонных, что ведет на некотором участке русла к уменьшению величины нагонного повышения уровня [19, 20].
Увеличение глубины русла во время штормового нагона приводит к уменьшению донного трения (оно обратно пропорционально глубине), что способствует ускорению перемещения вверх по эстуарию и устьевому участку реки как нагонных, так и приливных волн.
Поскольку продолжительность штормовых нагонов обычно больше периода прилива, то наложение штормового нагона на серию последовательных
с
Рис. 1. Карта-схема Гельголандской бух. и устья Эльбы. Острова: 1 — Северо-Фризские, 2 — Восточно-Фризские, 3 — Тришен, 4 — Шархёрн; г/п: 5 — Хузум, 6 — Боркум, 7 — Гельголанд, 8 — Куксхафен.
приливных циклов проявляется в периодическом повышении и понижении уровня. Максимальные уровни при этом почти совпадают с полной водой (ПВ) в приливную фазу, минимальные — с малой водой (МВ) в отливную.
Нелинейное взаимодействие приливов и штормовых нагонов во многих случаях проявляется в том, что относительная величина нагона АНнг, если ее определять, вычитая из фактического уровня высоту предвычисленного астрономического прилива (т.е. прилива, который наблюдался бы в данном месте при отсутствии штормового нагона), оказывается больше при МВ и меньше при ПВ. Другими словами, в момент МВ "сложение" приливной и нагонной составляющих уровня воды близко к линейному, а в момент ПВ прирост нагонного уровня над приливным, как показано в [18], в среднем на ~10% меньше, чем при МВ.
Повышение среднего уровня моря Нм вследствие глобального потепления климата должно привести к росту уровня и глубины и, как следствие, к ускорению перемещения как приливных, так и нагонных волн. Одновременно увеличение глубины должно несколько ослабить воздействие ветра на водную поверхность, поскольку уклон, обусловленный действием ветра 1Ж, обычно пропорциона-
лен квадрату скорости ветра Ж и обратно пропорционален глубине места к.
Поскольку подъемы уровня при штормовых нагона
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.