 |
Экстремальные сгонно-нагонные явления.
|
|
|
|
Для исследования экстремальных сгонно-нагонных явлений был выбран гидрологический пост Азов. Так как он наиболее подходящий пункт для исследования штормовых сгонно-нагонных в устьевой области реки Дон. С одной стороны находясь на отмелой зоне, где как известно наблюдается наибольшая высота нагонов, с другой стороны здесь на гидрологический режим оказывает влияния сток реки Дон. Гидрологический пост находится на рукаве Старый Дон в 15км от края дельты. Отметка «0» поста -5,00 метров Балтийской Системы (уровень Азовского моря). Отметками неблагоприятных явлений являются 610см при нагонах и 400см при сгонах. Отметки опасных явлений 700см для нагонов и 340см для сгонов.
Схема 5. Расположения уровнемерных постов в дельте р.Дон
Как видно из представленной схемы расположения гидрологических постов в дельте реки Дон, они охватывают все крупные рукава. На основном рукаве Большая Каланча, где проходит основной поток воды находится гидрологический пост Дугино. Из-за отсутствия населенных пунктов наблюдения на рукаве Мокрая Каланча не представляется возможным. На рукаве Большая Кутерьма, до определенного периода находился гидрологический пост Рогожкино, но в связи с общей политикой Росгидромета начала 90-ых годов двадцатого столетия он был закрыт. Данные по этому посту также использовались для исследования штормовых нагонов, которые были 1980 и 1981 годах описание. В 1,5км от края дельты на рукаве Переволока (протока Верхняя Перебойка) находится замыкающий гидрологический пост на реке Дон. Он находится на о-ве Перебойный.
Фото 7. Рукав Переволока (1,5 км до края дельты реки Дон)
В архиве Донской устьевой станции, в введенье которой относятся посты находящиеся в дельте реки Дон, в том числе и гидрологический пост Азов, хранятся данные учащенных наблюдений во время стихийных природных явлений и данные лент самописцев уровня воды. При этом наибольшую ценность представляют синхронные записи хода уровней СУВ по ряду пунктов находящихся в дельте реки Дон.
|
|
|
Полученные данные, в совокупности с данными срочных наблюдений на гидрологических постах в устьевой области, позволило получить натурную картину изменения мгновенного уклона водной поверхности и дальности проникновения штормовых нагонных и сгонных волн в верх по течению реки Дон в зависимости от величины стока воды. Срочные наблюдения на гидрологических постах Раздорская, Мелиховская, Старочеркасская, Багаевский, Аксай, Ростов-на-Дону, Колузаево, проводятся в 8 и 20 часов по Московскому времени. Величина стока в реке Дон с учетом времени добегания (3 дня) определялась по данным измерения расходов воды на гидрометрическом створе Раздорская, расположенном в 155 километрах от взморья. Как свидетельствуют данные наблюдения более чем за вековой период, нагонные волны высотой даже до 2 метров не оказывают влияние на гидрологический режим в районе расположения данного створа.
При исследовании штормовых сгонно-нагонных явлений также использовались данные морских уровнемерных наблюдений. Морские гидрологические посты располагаются на побережье Таганрогского залива. Данные о ходе уровня воды были получены по срочным наблюдениям в 00, 06, 12, 18 часов по СГВ на морских гидрологических постах Таганрог, Ейск и Должанская.
Высота нагона или сгона на взморье и в дельте реки Дон, тем больше, чем больше скорость и продолжительность ветра эффективного для данного места направления. Эффективным направлением называется направление ветра, при котором, если скорость ветра одинакова, наблюдается наибольшая высота нагона или сгона. На отмелом взморье, которым является северо-восточная часть Таганрогского залива, с простой конфигурацией берега при прочих равных условиях нагонное повышение уровня моря, как правило, больше при направлении ветра, перпендикулярном к берегу. В нашем случае Таганрогский залив вытянут с востока-севро-востка на запад-юго-запад. И самое главное такое расположения залива совпадает с преобладающими ветрами в этом районе. С точки зрения исследования нагонной или сгонной волны в дельте реки Дон, нам нужны натурные данные о направлении и скорости ветра над акваторией Таганрогского залива, т.к. ветер над дельтой Дона имеет второстепенное значение. Для подтверждения этого утверждения можно привести пример, который представлен на рис.1
|
|
|
Рис.1 Связь скорости подъема и спада уровня воды с максимальной и средней скоростью ветра в Дельте реки Дон во время штормового нагона 20-22.04.1981 года
Рисунок 1. Связь, хода уровня воды со скорость ветра в дельте реки Дон во время штормового нагона 20-23.04.1981 года.
На представленном рисунке можно увидеть, как максимальные порывы ветра в Дельте реки Дон совпадают с началом отрицательной тенденции скорости, а это ведет к непосредственному падению уровня воды на гидрологическом посту Азов во время действия штормового нагона. Однако как свидетельствуют исследования при значительных сгонах уровни на водопосту Ростов стоят несколько ниже, чем на водопосту Елизаветинская. Это свидетельствует о том, что ветер на некоторых участках реки все же оказывает непосредственное воздействие на уровень в русловой сети. Для определения ветрового режима над акваторией Таганрогского залива использовались данные метеорологических наблюдений на морских гидрологических постах Таганрог, Ейск и Должанская, таким образом, мы охватывая всю площадь Таганрогского залива. Конечно, непосредственно над водной поверхностью в центральной части залива скорость ветра как показывает практика значительно сильнее, но в данном случае за неимением таких данных, при исследованиях мы будем пренебрегать этим.
Определения эффективного направления, определялась следующим образом. Мы имеем 16 румбов направления ветра [8]:
|
|
|
таблица 2
| Направление ветра | С | ССВ | СВ | ВСВ | В | ВЮВ | ЮВ |
| Румб, ° |
| Направление ветра | ЮЮВ | Ю | ЮЮЗ | ЮЗ | ЗЮЗ | З | ЗСЗ | СЗ | ССЗ |
| Румб, ° |
Далее мы определяемся с основной осью для наиболее эффективного ветра. В данном конкретном случае эта ось совпадает с направлением восток-северо-восток на запад-юго-запад. Отсюда следует, что именно ветра этих направлений будут самыми эффективными. В нашем же случае это и самые преобладающие ветра. Для определения эффективности всех остальных направлений мы введем коэффициент К. Значение коэффициента К, учитывающее отклонение измеренного направления ветра от эффективного. Для 16 румбов он рассчитывался, как проекция эффективного направления на cos измеренного направления ветра. В общем виде это выражение выглядит следующим образом K= cosα [8].
Рассмотрим расчет для каждого конкретного направления ветра в следующей таблице3.
Таблица 3
| Направление ветра | С | ССВ | СВ | ВСВ | В | ВЮВ | ЮВ |
| К | 0,34 | 0,64 | 0,91 | 1,00 | 0,94 | 0,77 | 0,42 |
| Направление ветра | ЮЮВ | Ю | ЮЮЗ | ЮЗ | ЗЮЗ | З | ЗСЗ | СЗ | ССЗ |
| К | 0,00 | 0,34 | 0,64 | 0,91 | 1,00 | 0,94 | 0,77 | 0,42 | 0,00 |
И так мы можем сделать вывод. Для сгонного ветра наиболее эффективными являются ветры следующих направлений: северо-восток, восток-северо-восток и восток. Относительно этих направлений эффективность влияние ветров от северо-востока к северу уменьшается в геометрической прогрессии и при северо-северо-западном направлении она равняется нулю. Такая же картина возникает если следовать от востока к юго-востоку, а при юго-юго-восточном ветре эффективность влияния ветра на водную поверхность сводится так же к нулю.
Что касается нагонных ветров, то можно увидеть следующую закономерность. Наиболее эффективными являются ветра следующих направлений: запад, запад-юго-запад и юго-запад. Относительно этих направлений эффективность влияние ветров от запада к северо-западу уменьшается в геометрической прогрессии от 0,94 до 0,42. И так же если следовать от юго-западного направления к югу, т.е от 0,91 и 0,34 соответственно.
|
|
|
Для описания конкретных штормовых сгонно-нагонных явлений, использовались данные натурных наблюдений на морских гидрологических постах. А для расчета эффективного влияния ветра, использовались те же натурные данные, но уже с учетом коэффициента К. Кроме того эти данные по трем постам усреднялись, для получения полного эффективного ветрового поля над акваторией Таганрогского залива.
Как было сказано главными причинами непериодических колебаний уровня в Таганрогском заливе и в дельте реки Дон являются сильные ветры и аномалии атмосферного давления. Сгонно-нагонные колебания, с точки зрения действующих сил, определяется тангенциональным напряжением воздушного потока, движущегося над водной поверхностью силой трения между водой и дном. Под влиянием ветра водные массы приходят в движения, происходит их перемещения в водоеме, образуется наклон водной поверхности, т.е. денивеляция. В Таганрогском заливе в зависимости от направления ветра, водные массы движутся по ветру к дельте реки Дон, или от дельты. При этом в мелководном водоеме со слабым уклонном каким является Таганрогский залив такие процессы при сильных и продолжительных ветрах совпадающих с осью имеют сильно выраженный характер. При движении в сторону дельты высота нагонной волны может меняется от 1,5 метров в районе водопоста Должанская до 2,5-3,5 метров на водопостах Таганрог и Азов. А при сгонной волне наибольшее понижение уровня воды наблюдается в Таганроге, а меньшее на Далжанской. В дельте реки Дон сгонная волна нивелируется действием стока реки Дон. Чем меньше сток реки Дон тем более сгонная волна проявляет себя и в дельте.
Главным препятствием для проникновения нагонной волны в дельту, является донской бар. Поэтому, часть воды которая движется в сторону дельты растекается вдоль бара, другая же отталкивается от бара и направляет свое течение в обратную сторону, такое течение носит название сейшевое. За счет повышения уровня на взморье основная часть нагонной волны попадает в дельту. При попадании первая часть нагонной волны растекается сверху речной воды, что приводит к резкому повышению уровня уже непосредственно в дельте. Из-за небольших размеров площади зеркала рукавов, и слабого перепада высот рельефа, вода начинает выходить на пойму, заполняя собой балки, овраги, ерики и т.д. Кроме растекания морской воды в пойме, в момент подъема уровня воды в рукавах отмечается, подъем грунтовых вод, и даже выход их на поверхность, особенно это касается многочисленных островов находящих непосредственно у края дельты, что позволяет при сильном западном ветре превращать часть дельты в дно залива.
|
|
|
При исследовании островов находящихся на краю дельты, нельзя не отметить тот факт, что слой плодородных почв в этих местах невелик в пределах 0,5-1м, а в некоторых местах еще меньше.
Под этим небольшим слоем почвы располагается большой слой песка, что свидетельствует о том, что в недалеком прошлом эти места были дном залива. При подходе второй и основной части нагонной волны, морская вода попадая в дельту начинает препятствовать стоку речной воды, таким образом создавая так называемый переменный подпор. В свою очередь морской воде для проникновения вверх по течению рукавов препятствует уклон и самое главное сток речной воды.
В зависимости от силы действия нагонного ветра на взморье, процесс движения морской воды, в дельте может выглядеть следующим образом. При скорости нагонного ветра 3-5 м/с, являясь обратным течением, нагонная волна поднимаясь в верх по многочисленным рукавам и протокам на определенных участках из-за слабого уклона дна, может переходить в соседние водотоки и направляться в низ по течению, переходя уже в прямое. При более сильных скоростях нагонного ветра, и сильном обратном течении, такие процессы встречаются очень редко.
При движении нагонной волны вверх по течению с ней происходит так называемая трансформация. Это значит чем дальше нагонная волна заходит в реку тем сильней она испытывает влияние речного стока. На некотором отмелом участке дельты наступает пик нагонной волны, часто это фиксируется именно на ГП Азов.
Дальность проникновения нагонной волны в дельте и в речной части устьевой области реки Дон, зависит от величины стока. В процессе проникновения нагонной волны в дельту, интенсивность подъема и спада уровня со скоростью 1-5 см/час, в разных рукавах примерно равна, а при увеличении этой скорости, за счет местных условий и совпадением направления действующего ветра с направлением рукава в дельте, это закономерность нарушается. Для подтверждения ранее высказанного можно привести пример, представленной на рисунке 2.
Рисунок 2. Связь скорости подъема уровня воды на рукавах Старый Дон и Большая Каланча во время штормового нагона 20-23.04.1981г
Дальность проникновения ветровых колебаний в реку зависит от некоторых дополнительных факторов, к которым следует отнести высоту стояния уровня в реке, а отсюда и различные уклоны водной поверхности, а также от степени совпадения направления действующего ветра с преобладающим направлением рукавов дельты. Правда, Н. А. Родионов в своей монографии отмечает, что при вступлении сгонно-нагонных волн в реку, вследствие малых размеров площади зеркала рукавов дельты и большой извилистости их русла, непосредственное воздействие ветра на них практически прекращаются и сгонно-нагонные волны становятся свободными.
В ходе исследования штормовых сгонно-нагонных явлений можно было заметить, что обеспеченность высоких уровней в дельте несколько превышает минимальные уровни равных отметок, но противоположных по знаку. Этому способствуют два обстоятельства. Нагоны, как правило, бывают в теплое время года, при свободном русле, а сгонные ветры приурочены к холодному периоду времени года, препятствующему непосредственному воздействию ветра на водную поверхность залива, что приводит к уменьшению глубины спада уровня.
Часто при измерении расхода воды в реке Дон в районе г. Ростова-на-Дону после действия нагонной волны можно заметить такой парадокс. Измеренный расход в рукаве Дон в районе г. Ростова-на-Дону в 1,5-2 раза может превышать расход воды, измеренный на гидрометрическом створе Раздорской, хотя для этого, на первый взгляд нет ни каких причин. Но все это объясняется следующим образом. При продвижении вверх по течению реки, в какой-то момент силы у нагонной волны иссекают, останавливаются и под действием уклона и стока реки Дон, начинает двигаться в обратном направлении. В результате суммы «нагонной» и речной воды мы можем зафиксировать расход воды в нижнем течении реки Дон в 1,5-2 раза превышающий расход, измеренный на гидростворе ст-цы Раздорской.
Важную роль в препятствовании развития сгонно-нагонных явлений, как в дельте, так и в заливе играет ледостав. В дельте реки Дон ледяной покров сам по себе способствует повышению уровня в результате возникновения добавочных сопротивлений в русле. Что касается действия сильного сгонного ветра в момент, когда ледяной покров неравномерно образуется в дельте реки Дон и в Таганрогском заливе. Для рассмотрения процесса можно привести пример. Декабрь 2007 года выдался теплым, с частыми положительными температурами воздуха. Температура воды в дельте реки Дон и Таганрогском заливе до конца третей декады держалась в пределах 1-3°С. В конце третей декады декабря на синоптическую обстановку этого района стал оказывать влияния сибирский антициклон. Вместе с его приходом, отмечается резкое понижение воздуха во всем Северо-Кавказкам регионе. Вместе с резким понижением температуры воздуха, как и полагается, для сибирского антициклона отмечаются ветра восточных направлений, с максимальными порывами ветра до 16 м/с, такая синоптическая ситуация отмечается и в первой половине января 2008 года. Естественно, что резкое понижение температуры воздуха, привело, к концу первой декады января, появлению устойчивого ледостава в дельте реки Дон.
В период появления ледовых образований, отмечается понижение уровня ниже отметки неблагоприятного явления. В момент, когда уровень воды в районе ГП Азов достиг отметки 390-385см, на реке и на взморье образовался устойчивый ледостав. Вместе с этим прекратилось эффективное влияние ветра на водную поверхность, и уровень воды стал постепенно повышаться, т.е приходить в нормальное положение. Кроме появления устойчивого ледостава, к постепенному повышению уровня воды, привело действия стока реки Дон. Что касается Таганрогского залива, то на способность поверхностного слоя воды перейти в твердое состояние (лед) оказывало влияние соленость морской воды. В зависимости от солености воды, температура воды при которой, происходит замерзания варьировалась от -0,2 в Таганроге до -0,7 в Далжанской. Поэтому замерзание водной поверхности произошло значительно позже. И благодаря устойчивому восточному ветру, уровень к 10 января в Должанской упал до отметки 350см, в Ейске 297см, а в Таганроге отметки 212см, тем самым преодолев отметку опасного явления. Таким образом можно сделать вывод, что в данной ситуации, в результате быстрого замерзания пресной воды в реке Дон и действия стока воды, предотвратило от сильного сгона, в отличии от Таганрогского залива.
Средние нагонные повышения уровня свыше 1,4-1,6 метров, вызванные сильными ветрами, распространяются далеко за пределы дельты, затухая в верхней границе устьевой области Дона – у Багаевской (151км). Исключительные нагоны от 2,0м и более вызывают значительный подъем воды даже у Раздорской [3].
Для суждения о дальности проникновения нагонной волны и ее постепенной трансформации, для каждого нагона были построены мгновенные уклоны водной поверхности. Мгновенный уклон определялся по данным срочных наблюдений на постах находящихся в верх по течению от дельты реки Дон. В процессе расчетов «0» поста всех гидрологических постов находящихся в речной части устьевой области были приведены к одной отметке -5,00 метров БС (уровень Азовского моря).
Фото 8. Рукав Старый Дон (штормовой нагон, уровень воды 608 см над «0» поста Азов).
При исследовании нагонов принято выделять три периода начало и устойчивый подъем, пик нагона и спад уровня. Для сгонов все наоборот, начало и устойчивый спад, пик сгона и устойчивый подъем уровня.
Начало нагона определялось исходя из условий смены в одном сгонного ветра или установившегося штиля на нагонный ветер и начала устойчивого повышения уровня воды. В связи со специфическими особенностями действия сгонно-нагоных колебаний уровня воды в устьевой области реки Дон, сильный сгон может переходить в такой же силы нагон.
Пик нагонов определялся на момент достижения максимальной скорости ветра во время штормового нагона или максимального повышения уровня. Это повышение уровня (высота нагона) вычислялось как разность максимального и начального уровней воды во время нагонного ветра.
Конец нагона определялся при условии резкого уменьшения скорости нагонного ветра, особенно его порывов, или смена на сгонный, и устойчивое понижение уровня воды.
Начало сгона определялось исходя из условий смены в одном нагонного ветра или установившегося штиля на сгонный и начала устойчивого падения уровня воды.
Фото 9. Побережье Таганрогского залива (штормовой сгон, уровень моря 370 см).
Пик сгонов, отличается от пика нагонов. Пик сгонов не столь выражен, как у нагонов. Если у нагонов максимальный уровень держится примерно 1-2 часа, то при сгоне он может стоять значительно дольше, бывали случаи когда минимальные уровни держались в течении суток. Тем не менее, минимальные уровень определялся на момент достижения максимальной скорости восточного и северо-восточного ветра во время штормового сгона или минимальное понижение уровня. Это понижение уровня (высота сгона) также вычислялось как разность максимального и начального уровней воды во время нагонного ветра.
Конец сгона определялся при условии резкого уменьшения скорости сгонного ветра, или смена на нагонный, и устойчивое повышения уровня воды.
Судя по записям самописца уровня воды на гидрологическом посту Азов, не периодические колебания уровня наблюдаются практически ежедневно, хотя их размах не столь велик в пределах 0,5-1,0м. Вместе с этим ежемесячно фиксируются колебания до 1,0-1,5 метров. Ежегодно фиксируются штормовые сгонно-нагонные явления, которые превышают отметку неблагоприятного явления. Но реже всего фиксируются штормовые сгонно-нагонные явления, пики которых в ходе своего развития достигают отметки опасного явления или превышают его.
В период гидрометеорологических наблюдений с 1900 по 2007 года в дельте реки Дон отмечалось 11 штормовых нагонов и 7 сгонов, которые в ходе своего развития и пика превышали отметки 700 и 340 сантиметров над «0» пост ГП Азов, т.е. отметку опасного явления. Для исследования выбирались 5 экстремальных нагонов и 3 сгона, которые наблюдались в последнее 30 лет.
И так у нас есть пять штормовых нагонов и 3 штормовых сгона, которые позволяют описать и показать всю картину воздействия ветрового поля на водную поверхность Таганрогского залива и данные наблюдений за уровнем воды в дельте реки Дон.
Для исследования выделены штормовые нагоны, которые наблюдались в 1980, 1981, 1992, 1997 и 2005 годах и сгоны 2001, 2002, 2007 годах.
ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ НАГОНЫ
Штормовой нагон 1980года
|
|
|
