Учет динамики океана при планировании и выборе маршрута перехода судна тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.19, кандидат технических наук Новиков, Виктор Евгеньевич

• Новиков, Виктор Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Новиков, Виктор Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ТЕЧЕНИЙ МИРОВОГО ОКЕАНА. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО МАРШРУТА ПЕРЕХОДА. Краткий исторический обзор. Характеристика течений Мирового океана. Причины возникновения течений в океане. Основные уравнения гидродинамики. Методы выбора оптимального пути судна, используемые на современном этапе. Прогнозирование районов Мирового океана, где возможно изменение элементов течения под влиянием рельефа дна и конфигурации побережья. Классификация течений. Расчет элементов суммарного течения в судовождении. Постоянные течения. Приливо-отливные течения. Ветровые (дрейфовые) течения. Алгоритм задачи выбора оптимального маршрута перехода судна. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАССЧЕТА ЭЛЕМЕНТОВ ТЕЧЕНИЯ В ХАРАКТЕРНЫХ ТОЧКАХ МИРОВОГО ОКЕАНА. ВЛИЯНИЕ РЕЛЬЕФА ДНА И КОНФИГУРАЦИИ ПОБЕРЕЖЬЯ НА ИХ ИЗМЕНЕНИЕ. Вывод формулы для расчета элементов суммарного течения в характерной точке. Основные силы, вызывающие течения и сопутствущие им. Преобразование основных уравнений гидродинамики для их применения при расчете океанской циркуляции. Вывод формулы для расчета скорости течения. Способы нахождения функции, описывающей характер изменения рельефа дна. Вычисление площади сечения потока. С помощью ломаной линии. Построение касательной к графику функции, описывающей характер изменения рельефа дна. Приближенное вычисление интегралов. Программное обеспечение метода расчета элементов течения с помощью электронных таблиц Microsoft Excel. Алгоритм решения задачи определения элементов суммарного течения по маршруту перехода. Оценка точности определения элементов суммарного течения. Прогноз элементов течения на заданный момент времени с оцен

2. кой точности. Сравнительный анализ точности результатов расчетов и их соответствие экспериментальным данным. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРАБОТАННОЙ МОДЕЛИ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЭЛЕМЕНТОВ СУММАРНОГО ТЕЧЕНИЯ НА ПЕРЕХОДЕ СУДНА. Предвычисление элементов суммарного течения и выбор оптимального маршрута перехода из портов Санкт-Петербург и Калининград до острова Борнхольм через Балтийское море. Общие сведения о течениях и рекомендации судоводителям при переходе судна через Балтийское море Переход судна по Финскому заливу. Маршрут перехода через Балтийское море от выхода из Финского залива до острова Борнхольм, оставляя остров Готланд к востоку (маршрут№ 1). Маршрут перехода через Балтийское море от выхода из Финского залива до острова Борнхольм, оставляя остров Готланд к западу (маршрут№2). Маршрут следования от острова Борнхольм до входа в Финский залив, оставляя остров Борнхольм к северу. Маршрут следования от порта Калининград до острова Борнхольм через пролив Хамрарне. Маршрут следования от острова Борнхольм (порт Рене) до порта Калиниград, оставляя остров Борнхольм к северу. Маршрут следования между портом Калиниград и входом в Финский залив. Плавания судна вдоль Лофотенских островов. Гидрометеорологическая характеристика района. Особенности перехода судна вдоль Лофотенских островов. Проход судном пролива Пентленд-Фёрт. Гидрометеорологическая характеристика района вокруг Оркнейских островов и в проливе Пентленд-Фёрт. Особенности плавания судна в проливе Пентленд-Фёрт. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ. Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение -

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Учет динамики океана при планировании и выборе маршрута перехода судна»

Актуальность темы. С давних времен, когда человек впервые вышел в море, он обратил внимание на то, что его судно (плавсредство) зачастую становится игрушкой ветра и течения. Поставить себе на службу оба этих фактора и стало одной из важнейших задач навигации давно минувших лет. Поэтому современные навигационные руководства и пособия для плавания (лоции, атласы течений, руководства для плавания и др.) содержат в себе накопленный опыт плавания многих поколений и долголетних наблюдений. Выбор наивыгоднейшего морского пути во все эпохи мореплавания являлся одной из главнейших задач судовождения. Особенно сложным он был на заре океанских плаваний, когда капитаны парусных судов располагали случайными сведениями о морских течениях и погоде. По мере накопления опыта плавания выбор пути начинает основываться на знании особенностей погоды в различных районах Мирового океана. В середине XIX в. американский океанограф и метеоролог М.Мори привел в систему многочисленные наблюдения над элементами погоды и построил карты распределения ветров и течений по океанам. На основании этих карт и многолетнего опыта плавания впоследствии была разработана карта «Мировых океанских путей для парусных судов», которая не утратила своего значения и до настоящего времени. При переходе от парусного флота к судам с механическими двигателями, способными бороться со встречными ветрами, течениями и волнением, внимание к гидрометеорологическим факторам несколько снизилось. Капитаны чаще стали прокладывать путь по кратчайшему расстоянию, за исключением тех случаев, когда суда оказывались в сложных гидрометеорологических условиях (например, в районе действия тропических ураганов). Однако большинство судоводителей вскоре убедилось, что кратчайший путь не самый выгодный, и при выборе пути стали пользоваться рекомендациями, основанными на учете климатических условий в районе плавания. Систематизация и изучение многолетних наблюдений за погодными условиями в открытых водах океанов, а также обобщение опыта плавания разных типов судов с механическими двигателями на отдельных направлениях позволили выработать оптимальные маршруты («сезонные пути») плавания для судов с механическими двигателями (подробное описание сезонных путей приведено в руководстве «Океанские пути мира», изд. ГУНиО МО СССР, 1980) [47]. Морской транспорт с географической точки зрения едва ли не самый сложный. При всем разнообразии маршрутов наземного транспорта их •6географическое изучение все же не представляет тех трудностей, с которыми встречаются мореплаватели. Морской транспорт сложнее уже потому, что пути следования судов (морские пути) на огромных просторах Мирового океана не определены так четко, как, например, железнодорожные или шоссейные дороги на суше, а выбираются судоводителями в каждом отдельном случае с учетом самых разнообразных физико-географических условий. Изменчивость гидрологических и метеорологических условий в океане, существенное их отклонение от норм, приведенных в навигационных пособиях, некоторое запаздывание поступающей на судно информации требуют от судоводителя глубоких и всесторонних знаний, умения анализировать находящиеся в его распоряжении сведения. Среди других видов транспорта морской издавна занимает ведущее место в межконтинентальных перевозках. В общем транспортном грузообороте на его долю приходится более этих 90% перевозок. Это самый экономичный вид транспорта, что обеспечивается, прежде всего, несравнимо большей грузоподъемностью его технических средств судов и относительно небольшими капиталовложениями в оборудование морских путей. Эти особенности обеспечивают морскому транспорту меньшую капиталоемкость, а также меньшие эксплуатационные издержки на 1т перевозимого груза по сравнению с другими видами транспорта. Понятие морского пути в широком смысле охватывает собственно морской путь водное пространство, включающее проливы и каналы, по которым передвигаются суда, порты с их подходными фарватерами, акваторией и сооружениями, а также совокупность средств, обеспечивающих безопасность плавания. В узком смысле морским путем называется путь следования судна из одного географического пункта в другой. Морской путь состоит из участков, которые проходят в открытых водах морей и океанов, в естественных узкостях (проливы, реки), в искусственных каналах или фарватерах и акваториях портов. В сравнении с наземными, морские пути являются естественными, они не требуют затрат труда на предварительное их сооружение. Исключение составляют прибрежные участки, подходные каналы к портам, фарватеры в мелководных проливах и других узкостях. Морские пути в своем развитии безграничны. К любой точке в Мировом океане можно проложить морской путь для плавания судов. Но в этом случае морские пути представляют собой потенциальные, а не действующие транспортные магистрали, а водные районы остаются неосвоенным пространством с транспортной точки зрения до тех пор, пока по их морским путям не пойдут суда и не будут осуществляться перевозки. Не ограничена и пропускная способность морского пути. Передви-7- гаться по нему может одновременно любое количество судов. География морского пути обусловливается тремя основными факторами: взаимным расположением пунктов отправления и назначения; физико-географическими, гидрометеорологическими и навигационными условиями в районе плавания; техническим состоянием судна. Выбор морских путей для судов торгового флота определяется, прежде всего, навигационной безопасностью плавания, а так же безопасностью перевозки груза и экономической эффективностью эксплуатации морского пути. С этой точки зрения оптимальным путем между двумя пунктами Мирового океана является тот, который судно проходит при сложившейся гидрометеорологической обстановке и фактическом его состоянии за кратчайшее время при наименьшей затрате ресурсов, обеспечении безопасности плавания и сохранности перевозимых грузов (в качестве критерия оптимальности пути может быть выбрана любая другая величина, с помощью которой можно оценивать результаты плавания это и обеспечение безопасности плавания при перевозке специальных грузов, и сохранность скоропортящихся продуктов, а также проводка буксируемых судов и т.д.). При выборе оптимального пути по кратчайшему времени перехода решающую роль играет скорость судна, на которую больше других природных явлений влияют ветер, волнение и течения. Прямое воздействие их поддается количественному учету и поэтому является определяющим при выборе оптимального пути. Согласно требований Наставления по штурманской службе НШС-2005 основная цель изучения гидрометеорологических условий плавания состоит в оценке степени влияния различных физико-географических условий и гидрометеорологических элементов на безопасность плавания и сохранность груза [24]. В настоящее время учет ветра и течения, использование их для выбора наивыгоднейшего и безопасного маршрута перехода, плавания в стесненных условиях отнюдь не отодвигается на второй план, а скорее наоборот, неучет ветра и течения может привести к значительной потере скорости на переходе, а также к навигационным происшествиям и даже катастрофам. Не секрет, что в отдельных проливах, в определенных местах Мирового океана скорость суммарного течения может достигать существенных значений и даже превышать собственную скорость судна особенно при сопутствующих направлениях ветра и в период сизигии. С появлением средств спутниковой навигации, а позднее электронной картографии и развитием вычислительной техники эта задача намного упростилась, но в связи с этим потребовала и разработки компьютерных методов решения этой проблемы. Так на Пятой Российской научно-технической конференции «Современное состояние и проб-8- лемы навигации и океанографии» («НО-2004»), состоявшейся 10-12 марта 2004г. в Санкт-Петербурге, одним из важных направлений исследований Мирового океана были выделены такие проблемы, как создание новой океанографической аппаратуры и использование спутниковых систем для сбора океанографических данных. Создание в перспективе Единой системы информации об обстановке в Мировом океане, внедряемой в рамках подпрограммы Федеральной целевой программы «Мировой океан» позволит обеспечить потребителей всей необходимой информацией, касающейся измерения полей Мирового океана, в том числе и поля течений [49]. Имеющиеся в настоящее время (представленные в атласах) карты крупномасштабных сезонных течений Мирового океана построены отчасти по данным о векторе сноса судов, отчасти по результатам расчетов динамическим методом. Следует отметить, что атласы не дают объективной информации о течениях. Они являются схематическим изображением, результатом синтеза, визуальной интерполяции и экстраполяции скудной и неточной информации, полученной по двум указанным источникам. К тому же, существующие навигационные пособия, в которых указаны данные о течениях, по прошествии определенного времени устаревают. Причиной этого устаревания является постоянная глобальная трансформация глубинных вод Мирового океана на которую впервые обратил внимание В.Бруевич в 1966 году, а так же глобальный межокеанский механизм обмена вод между Тихим и Атлантическим океанами, в котором в поверхностном слое вода по наклону уровня поступает из Тихого океана в Атлантический, а в глубинном слое движение направлено в противоположную сторону [15]. За время многочисленных переходов в процессе судоводительской деятельности в результате личных наблюдений, произведенных во многих районах Морового океана, в том числе и в Южном, в течение последних 15-20 лет, неоднократно отмечалось, что вектор сноса судна претерпевает изменения. Казалось бы, что ничего удивительного в этом нет. Однако, эти изменения наблюдались при плавании судна в районе, характеризующимся одинаковыми гидрометеорологическими условиями с учетом динамики приливо-отливных явлений. Причем эти изменения присущи не только прибрежным районам, где оно выражено наиболее ярко, но и в открытой части океана. Навигационные пособия, имеющиеся на борту в достаточном количестве и описывающие элементы течений, зачастую не давали ответа на вопрос о причине возникающих изменений этих элементов. Какова же причина возникновения вариаций элементов наблюдаемого течения? Естественным ответом, в первую очередь, является то, что следует обратить внимание и на физико-географические условия

Заключение диссертации по теме «Эксплуатация водного транспорта, судовождение», Новиков, Виктор Евгеньевич

Необходимость решения проблемы безопасности судовождения обус ловлена достаточно высоким уровнем аварийности мирового морского флота. Статистика свидетельствует о том, что 30 - 35% всех аварий морских судов в море составляют аварии, связанные с посадкой судов на мель, что на 80 - 90% обусловлено «человеческим фактором». Одной из главных причин подобных аварий является незнание элементов течения, т.е. отсутствие необходимой информации, или их неучет, т.е. недоста точное владение ситуацией. Этого зачастую можно избежать, изучив и предвычислив необходимые данные о векторе течения, и использовать полученную информацию не только при планировании и выборе марш рута перехода, наиболее безопасного в навигационном отношении, а так же кратчайшего, по времени и расстоянию, но и при разработке предва рительной и ведении навигационной прокладок.Схема распределения течений в море, являющаяся функцией глубины моря, состоит в том, что: • в глубинных слоях, при неравномерности поля ветра, всегда существу ет возможность возникновения противотечения, чем глубина моря в районе больше, тем больше вероятность его появления; • до определенной глубины моря поверхностное течение не испытывает сильных вариаций (хотя влияние океанских хребтов довольно ощутимо); • при уменьшении глубины моря до некоторой глубины, влияние ниж него слоя начинает сказываться, так как придонное (глубинное) течение, совместно с поверхностным, создают пограничный турбулентный слой, ослабляющий скорость поверхностного течения в силу вязкости; • с дальнейшим уменьшением глубины моря, слой придонного течения уменьшается, вплоть до полного исчезновения, что приводит к увеличе нию скорости поверхностного течения; • другой случай распределения течений возможен при резком подъеме дна, т.е. с увеличением турбулентности потока, и, как возможное следст вие этого - возникновения сулоев и водоворотов с одновременным скач ком скорости поверхностного течения; • при обтекании потоком поверхностного течения отдельной банки скорость поверхностного течения особенно сильна у ее окраин, т.е. в районе наиболее резкого подъема дна, а не над самой банкой, где она также несколько выше, чем средняя скорость набегающего потока, что объясняется существованием в основном потоке глубинного противоте чения; • физико-географические условия района плавания, а именно рельеф дна и очертания побережья, способны изменить величину вектора суммарно го течения на значительную величину, которую можно предвычислить с помощью разработанной методики с эффективностью до 50%, превыша ющей существующие методики. Из результатов проведенных исследований и сравнительного анализа расчетных формул можно сделать следующие выводы:

1. Изменения элементов суммарного течения следует ожидать в поло се шириной до 25-30 миль от побережья даже при незначительной вариации рельефа дна, особенно это касается мелководья, что связа но со значительным усилением турбулентности потока; на океанс ких «свалах» глубин (резкое изменение глубины моря с нескольких тысяч метров до 150-200м, т.е. до океанского шельфа) - при уклоне дна более 70м/миля, указанных в приложениях 4, 7 и 10 (вдоль Ло фотенских островов, Бискайский залив, вдоль побережья Аргентины • особенно у мыса Кабо-Фрио, севернее Фолклендских островов и т.д.); а так же у выступающих мысов, на банках, в проливах между островами. Это изменение прослеживается и над океанскими хреб тами, плато и отдельными возвышенностями.2. Скорость поверхностного течения с уменьшением глубины увели чивается, и наоборот. Это связано с уменьшением площади сечения общего потока, согласно закона сохранения количества жидкости, протекающего через фиксированный объем, что выявлено в резуль тате проведенных исследований, а так же в связи с тем, что вероят ность возникновения глубинного противотечения с уменьшением глубины также уменьшается.3. Проведенные наблюдения показывают, что распределение скорости течения в целом совпадают с теоретическими расчетами с точнос тью ±0,1 уз, т.е. не превышают методическую погрешность. Таким образом, разработанная методика вполне удовлетворяет требова ниям, обеспечивающим навигационную безопасность плавания.4. Скорость течения при изменении глубины тем больше, чем сущест веннее перепад глубин, но на глубинах менее 50 м эта зависимость проявляется резче, причем наблюдается изменение направления течения при увеличении скорости влево, а при уменьшении -

вправо для Северного полушария, и обратная тенденция в Южном полушарии.5. Возникновение противотечений, водоворотов, быстрин происходят в местах, где изменение глубин проявляется наиболее резко, воз можно причиной этого является значительное усиление турбулент ности потока.6. Характер грунта свидетельствует о скорости придонного течения; так преобладание мягких грунтов говорит о небольших скоростях придонного течения, которые не способны размыть такой грунт, а твердые - соответственно о больших скоростях этого течения.7. На основании экспериментальных данных полученных с помощью GPS выявлено, что в открытом океане на «свалах глубин» (наклон дна более 89 м/миля) скорость течения изменяется приблизительно

на 10%, а в замкнутых морях - на 30% от средней скорости потока.В проливах и узкостях характер изменения скорости поверхностно го течения зависит от отношения площадей сечения в точках их су щественного изменения, поддающихся расчету согласно приведен ной методики и достаточной для целей навигации точностью. На мелководье, при глубинах менее 50м направление поверхностного течения ближе к направлению ветра, чем в глубоководных районах районов с ярко выраженными приливо-отливными явлениями. Чем существеннее величина расчетного приращения скорости, обуслов ленного течением, тем больше разница между измеренными значе ниями элементов поверхностного течения в соседних точках, где глубина моря заметно изменяется. Следует отметить, что измерение и вычисление элементов течения в условиях движущегося судна довольно трудоемкий процесс, и к тому же недостаточно точный, антенны GPS достигает существенных значений. В этих условиях необходимо принимать к счислению вычисленный вектор сноса судна, выделить же составляющие вектора течения практически не возможно и эта задача теряет свой смысл. Неоценимую помощь су доводителям оказывают стационарные буи, передающие сведения об элементах течения потребителям. К сожалению, на современном этапе, этими приборами оборудованы только (далеко не все) слож ные в навигационном отношении районы.8. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных, полученных с помощью GPS показал, что элементы течения, вычис ленные по разработанному методу, т.е. с учетом физико-географи ческих условий в районе плавания, точнее, чем при расчете вектора течения, не учитывающего эти условия на следующие величины:

а) по скорости: - в проливах 0,5 - 1,8 уз; • на мелководье (заливы) 0,2 - 0,4 уз; • в закрытом море 0,2 - 0, 5 уз; • в открытом море 0,3 - 0,5 уз;

б) направление уточненного течения изменяется, как уже было сказано при уменьшении глубины - влево, т.е знак «-», а при увели чении ее - вправо, т.е знак «+» для Северного полушария (для Юж ного полушария - наоборот), причем: • для проливов

а) с резким изменением рельефа дна (Пентленд-Фёрт)

б) с плавным изменением рельефа дна (Босфор) в дополнение к этому необходимо добавить, что наиболее сильная струя течения в проливах направлена (как и в реке - по руслу) по наиболее глубокому проходу.• для закрытого моря (Балтийское, Черное и т.п. моря)

а) при резком изменением рельефа дна

б) при плавном изменением рельефа дна • для открытого потока (открытое море, океан)

а) при резком изменением рельефа дна

б) при плавном изменением рельефа дна

9. Анализ произведенных расчетов элементов течения, произведенных различными способами и сравнение их с экспериментальным дан ными, полученными с помощью GPS, подтвердил возможность использования разработанного метода для введения корректуры в алгоритм выбора оптимального пути судна. Эта поправка может быть существенна в том случае, если изменение элементов течения, обусловленных изменением рельефа дна и конфигурацией по бережья дают явный экономический эффект, т.е. сокращают время плавания между портами назначения.10.Предложенный метод не претендует на полное решение задачи вы числения полных потоков, описывающей циркуляцию водных масс Мирового океана, а представляет собой лишь уточнение расчета вектора поверхностного течения, оказывающего непосредственное влияние на судовождение - что является ограничением теории пол ных потоков. Однако он вполне приемлем, достаточно точен и прост, для применения его в целях навигации.