Режим волн на подходе и на акватории порта

УДК 627.22
ББК 38.77
К19
Рецензенты:
доктор технических наук Д.В. Козлов, профессор кафедры гидравлики 
и гидротехнического строительства НИУ МГСУ;
доктор физико-математических наук А.А. Куркин, профессор кафедры 
прикладной математики Нижегородского государственного 
технического университета им. Р.Е. Алексеева
 
   Кантаржи, И. Г.
К19	 	
Режим волн на подходе и на акватории порта [Электронный ресурс] : [учебное пособие для 
обучающихся по направлениям подготовки 08.03.01, 08.04.01 Строительство, 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений] / И.Г. Кантаржи, А.С. Аншаков ; Министерство 
науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, кафедра гидравлики и гидротехнического строительства. — Электрон. дан. и прог. (10 Мб). — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ
, 
2020. — Режим доступа: http://lib.mgsu.ru/Scripts/irbis64r91/cgiirbis64.exe?C21COM=F&I21DBN=
IBIS&P21DBN=IBIS.  — Загл. с титул. экрана.
	
	
ISBN 978-5-7264-2151-3
В учебном пособии приведены сведения о технологии численного моделирования ветровых волн в задачах морской гидротехники. Рассмотрены примеры верификации численных моделей лабораторными и 
натурными данными, продемонстрированы особенности расчета волнового режима порта с использованием численных моделей для различных объектов. 
Для обучающихся по направлениям подготовки 08.03.01, 08.04.01 Строительство, 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений.
Учебное электронное издание
© Национальный исследовательский 
Московский государственный 
строительный университет, 2020

Редактор, корректор О.В. Устинкова
Компьютерная вёрстка  В.В. Дёмкина
Дизайн первого титульного экрана  Д.Л. Разумного 
Для создания электронного издания использовано:
Microsoft Word 2007, Adobe InDesign CS5, Adobe Acrobat
Подписано к использованию 14.02.2020 г. Объем данных 10 Мб.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования 
«Национальный исследовательский 
Московский государственный строительный университет».
129337, Москва, Ярославское ш., 26.
Издательство МИСИ – МГСУ
. 
Тел.: (495) 287-49-14, вн. 13-71, (499) 188-29-75, (499) 183-97-95.
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru

ОГЛАВЛЕНИЕ
Список сокращений..................................................................................................................................................  5
1. ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................................................................  6
2. ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВОЛН ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
    ПОРТОВЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ.................................................................................  7
2.1.	Методы оценки обеспеченности экстремально высоких значений 
океанографических характеристик в условиях изменения климата.
........................................................  7
2.2.	Спектральная модель ветрового волнения SWAN.....................................................................................  8
2.3.	Рефракционно-дифракционная модель приближения пологих склонов HWAVE.
..................................  9
2.4.	Полуспектральная модель HWAVE-S..........................................................................................................  9
2.5.	Рефракционно-дифракционная модель ARTEMIS.....................................................................................  9
2.6.	Программный комплекс MIKE 21.
...............................................................................................................10
3. ВЕРИФИКАЦИЯ ДАННЫХ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВОЛН 
НАТУРНЫМИ И ЛАБОРАТОРНЫМИ ДАННЫМИ....................................................................................11
3.1. Верификация ветроволновой модели по данным натурных наблюдений.
...............................................11
3.2. Верификация волновой модели ARTEMIS по данным физического моделирования.............................18
4. ПОРТЫ С НАВИГАЦИОННЫМИ КАНАЛАМИ.............................................................................................25
4.1. Сухогрузный район порта Тамань.
...............................................................................................................25
4.2. Порт Сабетта-Утренний................................................................................................................................28
5. ВОЛНОВОЙ РЕЖИМ НА ЭТАПАХ СТРОИТЕЛЬСТВА................................................................................34
6. СРАВНЕНИЕ КОМПОНОВОК ОГРАДИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ.
..........................................................40
7. ВОЛНОВОЙ РЕЖИМ И УСЛОВИЯ ШВАРТОВКИ СУДОВ У ПРИЧАЛОВ...............................................47
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................................................................................................54

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
	
ГТС	— гидротехнические сооружения
	
ИФР	— интегральные функции распределения 
	
МГМ	— метод годовых максимумов
	 МРИР	— метод распределений исходных рядов
	
ОГТ	— основание гравитационного типа
	
ПВП	— «пики-выше-порога»
	
СГК	— стабильный газовый конденсат
	
СПГ	— сжиженный природный газ 
	
УПС	— уравнение пологих склонов 
	
ФРВ	— функции распределения вероятностей
	
ЦСКМС	— Центр строительства крупнотоннажных морских сооружений
	
GEV	— generalised extreme value
	
GPD	— обобщенное распределение Парето
	
POT	— peak-over-threshold 
5

1. ВВЕДЕНИЕ
Создание прибрежных гидротехнических сооружений (ГТС), в том числе морских портов, в 
современных условиях основывается на совместном использовании методов физического и математического моделирования. Причем для объектов значительной важности для повышения достоверности результатов математического моделирования оно проводится на основе нескольких 
альтернативных программных комплексов. 
В процессе проектирования ГТС, которые в период эксплуатации будут подвергаться воздействию ветровых волн, возникает ряд вопросов, не решаемых в полной мере чисто теоретическим путем. Это связано, в первую очередь, с многообразием исходных данных, подлежащих соответствующему учету на разных стадиях проекта. В действующих нормативных документах могут также 
отсутствовать необходимые рекомендации для того или иного расчетного случая конкретного проекта, ранее не встречавшегося в проектной практике. Очень часто приходится учитывать взаимовлияние различных факторов на работу проектируемых объектов. Следует особо отметить, что все 
ГТС в своем роде уникальны.
В мировой практике исследования волновых воздействий на ГТС проводятся теоретическим и 
экспериментальным путями. Эксперимент является основным критерием оценки результатов теоретических исследований. Наиболее распространены исследования на физических моделях, поскольку они позволяют достоверно, без существенных экономических затрат изучать поведение будущих 
ГТС, в том числе в экстремальных ситуациях. Таким образом, лабораторные исследования позволяют решать ряд задач научного сопровождения при проектировании реальных ГТС. 
Создание прибрежных ГТС, в том числе новых морских портов, в современных условиях основывается на совместном использовании методов физического и математического моделирования. 
Причем для объектов значительной важности для повышения достоверности результатов математического моделирования его результаты уточняются с помощью лабораторных исследований. 
Целью данного пособия является представление информации о технологии численного моделирования ветровых волн в задачах морской гидротехники. Рассмотрены примеры верификации численных моделей лабораторными и натурными данными. Также продемонстрированы особенности 
расчета волнового режима порта с использованием численных моделей для различных объектов. 
Все применяемые модели не противоречат методам расчета волн, ветра и течений на открытых и 
огражденных акваториях, изложенных в нормативных документах [1, 2], а развивают эти методы в 
соответствии с современным уровнем развития волновой теории, портовой гидравлики и гидротехники. Такой подход обеспечивает выполнение исследований на современном научном уровне, что 
позволяет получить безопасные проектные решения.

2. ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВОЛН 
ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОРТОВЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
По сложившейся в настоящее время технологии современного математического моделирования 
в задачах морской гидротехники и гидравлики (проектирования портов и берегозащитных сооружений), в задачах такого рода выделяются следующие основные этапы:
1. Расчет климатических характеристик ветрового волнения в заданных точках на подходе к исследуемому объекту (порт, участок побережья) на основе спектральных моделей ветрового волнения 
по полям ветра над морем за многолетний (25–50 лет) период при использовании полей метеоэлементов из реанализа метеополей NCEP/NCAR или ERA-40, их возможном даунскейлинге, применении 
численных моделей прогноза погоды.
2. Расчет волнового режима прибрежной зоны или огражденной морской акватории на основе 
уравнений пологих уклонов — mild slope equations (в эллиптическом, параболическом или гиперболическом приближении), нелинейных уравнений длинноволновой теории мелкой воды и/или уравнений нелинейно-дисперсионной модели типа Буссинеска.
3. Расчет прибрежных течений, генерируемых при совместном влиянии ветра, волн и морских 
приливов, с учетом возможного обратного влияния течений на трансформацию волн.
4. Расчет транспорта наносов в прибрежной зоне и переформирований дна и берегов.
2.1. Методы оценки обеспеченности экстремально высоких значений 
океанографических характеристик в условиях изменения климата
В современной мировой практике используются три метода статистического анализа экстремальных значений океанографических (гидрометеорологических) параметров на основе подходов, 
развитых в теории статистики экстремальных значений. Рассмотрим эти подходы на примере статистики экстремальных ветровых волн с учетом того, что такие же подходы применимы для статистики экстремальных значений скоростей течений и других гидрометеорологических характеристик.
Метод распределений исходных рядов (МРИР)
В рамках МРИР эмпирические функции распределения вероятностей (ФРВ) и кривые обеспеченности — интегральные функции распределения (ИФР) строятся на основании всего ряда наблюденных или промоделированных за расчетный период значимых высот волн. Графики ИФР или построенные на их основе аппроксимационные формулы обычно используются для экстраполяции 
высот волн до экстремальных значений за пределы диапазона наблюдений, для того чтобы определить высоты волн повторяемостью раз в 100 лет или более редкой. Слабые стороны МРИР проявляются в том, что метод требует обработки больших наборов данных (наблюденные/моделируемые 
значения за каждый день или за несколько часов), и при этом такие ряды содержат и статистически зависимые значения, принадлежащие к одному и тому же шторму. Логнормальное распределение и распределения Вейбулла широко применяются для расчета высот волн малой обеспеченности 
по МРИР. 
Метод «Пики выше порогового значения»/обобщённое распределение Парето 
В методе «Пики выше порогового значения» (peak-over-threshold — POT) из каждого шторма выбирается только максимальное (пиковое) значение высоты волн. Шторм определяется как непрерывная последовательность значений высот волн, превышающих определенное высокое значение 
(пороговое значение высоты волн). В соответствии с теорией статистики экстремальных значений 
распределения пиковых значений из такой выборки следуют обобщенному распределению Парето (GPD). Экстраполяция «хвостов» GPD используется для оценки высот волн редкой повторяемости. В работе [3] указывается, что POT/GPD-подход имеет два следующих важных преимущества 
по сравнению с МРИР: 
а) если волновой климат содержит более одного распределения, в связи с существованием нескольких различных физических режимов формирования поля волн, при построении статистики 
только по высоким значениям выше пороговых, высоты волн малой повторяемости, определенные 
методом РОТ, точнее будут соответствовать именно статистике самых высоких значений, не затененных статистикой высот волн умеренной высоты; 
7