автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Прогнозирование и управление гидро-литодинамическими процессами в прибрежной зоне на основе комплексной автоматизированной системы

?Г8 ОД

<

На правах рукописи

МАКАРОВ Константин Николаевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ

ГИДРО-ЛИТОДИНЯМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССЯМИ В ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЕ

НЯ ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОЙ ЯВТОМЯТИЗИРОВЯННОЙ СИСТЕМЫ

Специальность 05.23.16 — Гидравлика и инженерная

гидрология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени-доктора технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ— 1998

Работа выполнена в Сочинском Университете Туризма и Курортного дела и в Сочинском Центре по Гидрометеорологии и Мониторингу окружающей среды Черного и Азовского морей Росгидромета.

Научный консультант

доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники Д. Д. Лаппо

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Н. Н. Загрядская доктор физико-математических наук,

профессор Ю. 3. Алешков

доктор технических наук С. Н. Добрынин

Ведущее предприятие — РСНПО «БАЛТБЕРЕГОЗАЩИТА»

¡0 г

10РЯ г п

Защита диссертации состоится « и|/ ^И^РН^ 1998 г. в на заседании Диссертационного Совета Д. 144.03.01 при ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники им. Б. Е. Веденеева» по адресу: 195220, г. Санкт-Петербург, ул. Гжатская, 21, Актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института.

¡¿в . М44

Автореферат разослан « ■» - 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета, ^У^/уА

к. т. н., с. н. с. / в. Иванова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Благодаря своим природным ресурсам, прибрежные зоны во всем мире всегда были и остаются наиболее интенсивно эксплуатируемыми регионами. В настоящее время в прибрежных зонах проживает половина населения государств, имеющих выход к морю и миграция на побережье из континентальных районов продолжается. В результате возникает острое противоречие между потребностью в немедленном потреблении природных ресурсов прибрежных зон и необходимостью обеспечения сохранности этих ресурсов на длительную перспективу. Во многих странах, в том числе на основной части побережий бесприливных морей России, указанное противоречие уже достигло критической стадии. В связи с этим, встает задача Комплексного управления прибрежными зонами (КУПЗ), которое заключается в том, чтобы по мере развития прибрежной инфраструктуры, экологическое состояние окружающей среды, в том числе берегов, по крайней мере, не ухудшалось. Одной из составных частей КУПЗ является управление береговыми процессами.

Основой целенаправленного антропогенного воздействия на природную среду и, в частности, на морские берега, является мониторинг береговых процессов. При этом под мониторингом понимается циклическое выполнение последовательности: наблюдение - прогноз - управление (регулирование) - наблюдение и т.п.

Комплексная автоматизация даже отдельных частей мониторинга позволяет значительно повысить качество принимаемых 'решений по управлению природными процессами. В последние десятилетия предпринимаются активные попытки создания различных систем автоматизации мониторинга природной среды во всех отраслях инженерной деятельности, связанных с взаимодействием человека и природы.

Морские берега являются граничной зоной между литосферой и гидросферой, в которой происходит сложнейший комплекс естественных природных процессов по формированию рельефа, литологии, геологических характеристик, жизнедеятельности флоры и фауны и в которую активно вмешивается человечество. При этом успехи береговой науки несомненны. Разработаны достаточно надежные методы берегоза-щиты, портового и иного гидротехнического строительства на морских берегах. Однако до последнего времени имеют место и ошибочные решения по вмешательству в ход береговых процессов, приводящие к негативным последствиям для берегов результатов различных видов инженерной деятельности.

В связи с изложенным, разработка методов прогнозирования и управления гид-ро-литодинамическими процессами в прибрежной зоне на основе перспективных способов и сооружений, в частности, проницаемой конструкции, а также комплексной автоматизации, позволяющей оптимизировать принципиальные решения по вмешательству в ход береговых процессов, представляется актуальной.

Целью работы является разработка методики прогнозирования гидро-литодинамических процессов в прибрежной зоне бесприливных морей на основе

комплексного математического моделирования с использованием, как нормативных методов расчетов, так и пионерных моделей. На базе такого моделирования с применением комплексной автоматизированной системы прогнозирования и управления береговыми процессами (КСПУ МБ), должны быть оптимизированы управленческие решения по вмешательству в ход этих процессов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- выделить основные природные факторы, обусловливающие гидро-литодина-мику прибрежной зоны и подлежащие обязательному учету в соответствующих математических моделях;

- определить комплекс математических моделей, описывающих гидро-литодина-мику прибрежной зоны с учетом основных природных факторов и позволяющих прогнозировать развитие береговых процессов во времени и пространстве, как в естественных условиях, так и под влиянием инженерной деятельности. При этом необходимо было разработать ряд новых математических моделей и модифицировать существующие;

- выполнить калибровку вновь разработанных или модифицированных математических моделей на основе гидравлического (физического) моделирования в волновых бассейнах и лотках;

- разработать концепцию, структуру и состав КСПУ МБ, а также Автоматизированного банка данных (АБД) по морским берегам;

- реализовать концептуальные основы КСПУ МБ и математические модели ее прогностической части в программных средствах в виде Программных комплексов (ПК);

-разработать Систему управления банком данных (СУБД) по морским берегам;

- разработать и внедрить первую очередь КСПУ МБ для условий Калининградского побережья Балтики.

Личный вклад диссертанта заключался в разработке новых и модификации существующих математических моделей гидро-литодинамических процессов в прибрежной зоне, а также разработке концепции и структуры автоматизированной системы прогнозирования и управления береговыми процессами и банка данных. В лабораторных исследованиях и разработке программных средств, выполненных в соавторстве, вклад автора заключался в определении методологии, составлении планов и программ работ, методическом руководстве, непосредственном участии в гидравлическом моделировании, интерпретации результатов, калибровке математических моделей, составлении алгоритмов, разработке и отладке отдельных программных модулей.

Метод исследований. В процессе работы получил развитие метод комплексного сочетания физического (гидравлического) моделирования береговых процессов с математическим их моделированием. При этом на основе результатов гидравлического моделирования при ограниченном (в связи с относительной дороговизной этого метода исследований) числе экспериментов, выполнялась калибровка соответствую-

щих математических моделей, после чего проводилось математическое моделирование береговых процессов на ЭВМ.

Объекты исследований - гидро - и литодинамика прибрежной зоны бесприливных морей, методы управления береговыми процессами, комплексная автоматизация прогнозирования береговых процессов, оптимизация управленческих решении по вмешательству в ход этих процессов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Разработаны принципы создания Комплексной автоматизированной системы прогнозирования и управления береговыми процессами в бесприливных морях и ее прогностической части, а также соответствующие Программные комплексы, позволяющие прогнозировать развитие береговых процессов во времени и пространстве. При этом разработаны новые и модифицированы существующие математические модели годро-литодинамики прибрежной зоны.

Разработана математическая модель обрушения волн в рамках теории мелкой воды. Выполнена калибровка этой модели по данным крупномасштабного физического моделирования и разработан реализующий ее программный комплекс.

Разработаны методика и реализующий ее программный комплекс для расчетов мутности воды в прибрежной зоне моря при различных гидрометеорологических ситуациях.

Выполнены специальные экспериментальные исследования на крупномасштабной гидравлической модели по определению коэффициентов гидравлического сопротивления н коэффициентов учета турбулизации потока в прибойной зоне моря при обрушении волн и их взаимодействии с сооружениями проницаемой конструкции. Установлено, что указанные коэффициенты близки по своим значениям к таким же коэффициентам для традиционных типов сооружений. Это позволяет считать их в определенной степени универсальными.

Экспериментально установлено, что конфигурация отверстий в сквозных сооружениях (диффузоры, конфузоры и т.п.) не оказывает существенного влияния на их волногасящие свойства. Основными характеристиками сооружений с точки зрения волногашения являются сквозность и отношение ширины волновой камеры (камер) к длине расчетной волны.

Разработана и реализована в соответствующей программе методика расчета вертикальных волновых нагрузок (снизу) на горизонтальные элементы (плиты перекрытия, ступени откосно-ступенчатых конструкций и т.п.) проницаемых берегозащитных сооружений.

Теоретически разработана и реализована в программном комплексе методика расчета эволюции береговой линии свободных пляжей или пляжей с поперечными гидротехническими сооружениями (бунами, молами или дноуглубительными прорезями). В данном ПК впервые применена автоматическая калибровка математической модели по данным физического моделирования или натурных экспериментов.

Получены теоретически и подтверждены экспериментальными исследованиями коэффициенты снижения расхода вдольберегового транспорта наносов в зоне влияния берегозащитных сооружений проницаемой конструкции.

Выполнен комплекс мероприятий по созданию Автоматизированного банка данных (АБД) морских берегов на стадии 1-й очереди КСПУ МБ.

Разработана и внедрена первая очередь КСПУ МБ для условий Калининградского побережья Балтики.

Практическое значение работы заключается в решении важной народнохозяйственной проблемы по разработке методики прогнозирования гидро-литодинамических процессов в прибрежной зоне бесприливных морей на основе комплексной автоматизированной системы и оптимизации, принимаемых на основе этого прогноза управленческих и проектных решений по вмешательству в ход береговых процессов.

Разработанная автоматизированная система внедрена в виде 1-й очереди для Калининградского побережья Балтийского моря. Она может быть адаптирована к побережью любого крупного региона, прилегающего к бесприливному морю, крупному озеру или водохранилищу (Краснодарский край, Дагестан, Ленинградская область, Грузия, Азербайджан, Казахстанское побережье Каспийского моря, Астраханская область, Крым, Российское и Украинское побережья Азовского моря, побережье оз. Байкал и т.д.).

Помимо управленческих решений, на основе Автоматизированного банка данных системы могут вестись также паспорта берегов и приниматься оптимальные решения по организации изыскательских работ и научных исследований на побережьях.

Разработанные автором расчетные методы и программные комплексы использовались при проектировании берегозащитных и портовых сооружений практически на всех Европейских морях России, что подтверждается актами внедрения результатов диссертационной работы

На защиту выносятся:

- основные принципы разработки, структура и состав КСПУ МБ;

- математическая модель обрушения волн в рамках нелинейной теории мелкой воды и реализующий ее программный комплекс;

- методика и программный комплекс по расчету мутности воды в прибрежной зоне моря;

- инженерная методика (в рамках линейной модели длинных волн) и программный комплекс расчета взаимодействия волн с берегозащитными сооружениями проницаемой конструкции, откорректированные эмпирическими коэффициентами для условий прибойной зоны;

- методика расчета вертикальных волновых нагрузок на элементы сквозных берегозащитных и иных (например, причальных ростверков) гидротехнических сооружений в мелководной и прибойной зонах моря;

- методика и программный комплекс по расчету эволюции береговой линии сво-эодного пляжа или пляжа при наличии поперечных сооружений (бун, молов или иноуглубительных прорезей);

- методика расчета снижения емкости вдольберегового потока наносов под влиянием берегозащитных сооружений проницаемой конструкции;

- структура и состав Автоматизированного банка данных;

- состав математических моделей прогностической части КСПУ МБ и реализующие его программные комплексы;

- первая очередь КСПУ МБ для условий Калининградского побережья Балтики.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались

m следующих конференциях, семинарах и совещаниях: 18-й научный и методологиче-:кий семинар по гидродинамике судна (Болгария, Варна, 1988 г.), Всесоюзная научно-техническая конференция по проблемам морских берегов (Сочи, 1988 г.), научно-техническая конференция "Современные проблемы берегоукрепительной гидротехники в условиях Болгарского Черноморского побережья" (Болгария, Варна, 1990 г.), зторое и третье совещания международной рабочей группы проекта НАТО 'Волны/Черное море" (Анкара, Турция, 1994, 1995), Морские природные катастрофы [цунами и штормовые волны). - ГПИ, Горький, 1990 г., Waves and vortices in the ocean md their laboratory analogues.-Vladivostok, 1991, Meso and microstructure of the ocean-Tieasurements and models.-Sanct Petersburg, 1992, The Second International Symposium эп ocean wave measurement and analyses.- New Orleans, USA, 1993, Международная <онференция по проблемам берегозашигы на Украине, Ялта, 1995, 4-я конф. 'Динамика и термика рек, водохранилищ, внутренних к окраинных морей". - М.:РНК МАГИ, 1994, 2-й Международный Конгресс "Спасение Черного моря от экологиче-;кой катастрофы", Сочи, 1995, Water Pollution 95 (Modelling, Measuring and 'rediction).- Porto Carras, Greece, 1995, международный семинар по Оценке Воздейст-шя на Окружающую Среду (ОВОС). - г. Геленджик, TACIS, 1995 г., XIX Междуна-юдная конференция "Современные проблемы изучения берегов". - С.-Петербург, 1995, Современные проблемы комплексного исследования морей.- Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. - М, 1995, Technological Civilization impakt on the environment/International Symposium, Karlsrue, Deutchland, 22-26 April, 1996, Первый научно-технический семинар "Строительство в цжбрежных курортных регионах", Сочи, 1996, First International Conference on Marine ndustry MARIND'96, 2-7 June 1996, Varna, Bulgaria, I-st International Conference"Port, Toast, Environment" 30.06-04.07.1997, Varna, Bulgaria, I-st Internatinonal Seminar on Teaching Integrated Coastal Management", May 29-30,1997, S.Petersburg, Международен Научно- практическая конференция "Проблемы защиты прибрежных территорий >т оползней и абразии", Ялта, 1997.

Публикации. По теме диссертации опубликовано или сдано в печать более 40 ра->от, получены одно Авторское свидетельство СССР, два Патента Российской Федера-

ции, одно Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ в РосА-ПО и подготовлены три учебных пособия.

Кроме того, по теме диссертации выполнены 5 научно-исследовательских работ в рамках Государственных программ и 12 - на хоздоговорной основе.

Объем работы. Диссертация состоит из предисловия, семи глав, заключения, содержит 210 стр. текста, 52 рисунка, 25 таблиц и список литературы из 201 наименования.

Автор выражает глубокую признательность д.т.н. Д.Д.Лаппо, к.т.н. В.П.Мальцеву, к.г.н. В.Л.Болдыреву, д.т.н. В.М.Шахину, д.т.н. И.Г.Кантаржи, к.г.н. В.В.Хомицкому, инж. Ю.С.Гребневу, инж. Ю.И.Юренко, к.т.н. Д.М.Белову, к.т.н. М.Ю.Николаевскому, д.г.н. Р.Д.Косьяну, инж. М.Н.Рыжему, к.г.н. О.Л.Рыбаку, к.т.н. Ю.И.Дрейзису, к.т.н. Е.И.Котельник, инж. Ю.В.Дзагания, инж. Д.В.Тимофееву, к.т.н. И.Л.Макаровой за помощь в работе и ценные советы, высказанные при обсуждении ее отдельных этапов. Автор благодарен также инж. А.А.Николенко, который внес неоценимый вклад в разработку и отладку программного обеспечения КСПУ МБ, а также инженерам В.В.Козлову, Л.А.Месс, Н.А.Ермаковой, О.В.Петровой и Л.А.Кошельник за помощь в проведении экспериментальных исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В предисловии обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы основные цели исследований и кратко перечислены основные задачи, которые были решены в результате выполнения работы.

В первой главе дано краткое описание современного состояния берегов бесприливных морей России, выделены основные природные факторы, влияющие на характер береговых процессов, приведены основные инженерные методы управления ими и принципы оптимизации этих методов. Кроме того, отмечены недостатки традиционных методов составления Генеральных схем берегозащитных и противооползневых мероприятий на берегах бесприливных морей России.

В частности, отмечено, что современное состояние морских берегов обусловлено циклически развивающимися во времени и пространстве природными эволюционными процессами, осложненными антропогенным воздействием и периодически возникающими особо опасными природными явлениями (Гречищев Е.К., Шахин В.М., Ярославцев H.A., 1995).

Далее рассмотрено современное состояние берегов бесприливных морей России (Черного, Азовского, Каспийского и Балтийского). Сделан вывод, что это состояние является катастрофическим (Каспийское и Азовское моря) или близким к таковому. Это требует новых подходов, обеспечивающих оперативность как разработки Генеральных схем и отдельных проектов, так и их реализации в управлении береговыми процессами.

В качестве основных природных факторов, влияющих на динамику берегов бесприливных морей, выделены следующие (Рыбак О.Л., 1994, Макаров К.Н., Мальцев В.П., 1995, Шахин В.М., 1994, Леонтьев И.О. 1989 и др.): трансформация волновой энергии в прибрежной зоне, колебания уровня, ветровые, волновые, дрейфовые и градиентные течения, геолого-геоиорфологическое строение, транспорт наносов и ледовые условия. Отмечено, что фундаментальным свойством береговой зоны является ее стремление к состоянию динамического равновесия, причем как в поперечном к берегу направлении (формирование профиля относительного динамического равновесия), так и в плане (формирование равновесной береговой линии).

Далее в главе дается понятие термина "управление береговыми процессами" (Макаров К.Н., Мальцев В.П., 1994, 1995, 1996). Под этим термином в работе понимается принятие принципиальных решений по проведению на морских берегах определенных инженерных мероприятий, направленных на изменение (или сохранение) этих процессов в нужную сторону.

Согласно современной концепции защиты морских берегов от разрушения штормовым волнением (Жданов A.M., 1963), наилучшей формой берегозащиты является свободный пляж полного профиля (профиля динамического равновесия). На таком пляже происходит полное гашение волновой энергии без отражения ее обратно в море. Однако динамическое равновесие любых береговых форм возможно лишь в том случае, если мощность (расход) вдольберегового и поперечного потоков наносов равна их емкости (транспортирующей способности). В то же время, емкость потока наносов при прочих равных условиях (параметры волн, уровень моря, ориентация береговой линии и средняя крупность материала) максимальна как раз в том случае, когда средний уклон подводного берегового склона равен уклону динамического равновесия. Таким образом, в случае дефицита наносов во вдольбереговом потоке (когда на исследуемый участок берега приходит меньше наносов, чем емкость на этом участке), обеспечение динамической устойчивости полнопрофильных пляжей (поддержание их в эксплуатационном состоянии) требует максимального объема подпитки искусственным пляжеобразующим материалом.

Поскольку пляжеобразующий карьерный материал повсюду является остродефицитным, создание и поддержание в эксплуатационном состоянии свободных полнопрофильных пляжей часто оказывается экономически нецелесообразным. Обычно это имеет место на берегах с однонаправленным значительным вдольбереговым потоком наносов. В таких случаях прибегают либо к пляжеудерживающим сооружениям типа бун, шпор, траверсов, волноломов, либо устраивают пляжи неполного (укороченного) профиля, прислоненные к продольным берегозащитным сооружениям.

Из поперечных сооружений на галечных берегах наиболее эффективны буны полного профиля, перекрывающие как линию обрушения энергетически эквивалентных волн, так и границу их заплеска на берег. На песчаных берегах обычно устраивают каменно-набросные проницаемые буны, которые перекрывают только часть фронта переноса наносов.

Правильно запроектированные и построенные буны надежно удерживают отсыпаемые в отсеки искусственные пляжи. К серьезным недостаткам бун следует отнести плохое самоочищение воды в межбунных отсеках в летнее время.

Оптимизация проектных вариантов при строительстве бун заключается в основном в выборе таких их размеров и расстояния между ними (минимальная длина и максимальное расстояние), которые обеспечивают заданные условия - полный или частичный перехват наносов из вдольберегового потока или удержание отсыпанного материала с одновременным пропуском транзитного потока.

Для защиты коренного берега от разрушения в условиях прислоненных укороченных пляжей применяются продольные берегозащитные сооружения различных типов и конструкций. Их все условно можно разделить на два основных класса:

1. Береговые продольные сооружения. Они устраиваются в тыльной (береговой) части неполнопрофильного пляжа и служат для частичного (или полного) гашения волновой энергии, не погашенной пляжем.

2. Морские продольные сооружения. Устанавливаются в море на подводном береговом склоне, как правило, между началом зоны разрушения волн и урезом воды. Они служат либо для усиления разрушения волн и перевода части волновой энергии в энергию турбулентности до достижения волнами пляжа, либо для перераспределения волновой энергии по длине волны и уменьшения ее концентрации в гребне при обрушении.

Задачей оптимизации конструкций береговых продольных сооружений является выбор таких их типов, которые имели бы минимальное отражение при максимальном гашении волновой энергии. В этом случае сооружения заменяют собой часть пляжа, недостающую для полного гашения волновой энергии с одновременным снижением емкости вдольберегового потока наносов и, соответственно, повышением устойчивости прислоненных к ним пляжей неполного профиля. Такие пляжи после строительства сооружений требуют меньших объемов подпитки или вообще становятся аккумулятивными и потому являются экономически более целесообразными.

Все перечисленные выше требования к береговым продольным берегозащитным сооружениям практически наилучшим образом реализуются в проницаемых сооружениях, которые поэтому являются в настоящее время наиболее перспективными.

Далее в главе кратко описан порядок составления Генеральных схем берегозащитных и противооползневых мероприятий (Гречищев Е.К., Морозов Л.А., Ярослав-цев H.A., Мальцев В.П. и др., 1985, Макаров К.Н., 1996) и сформулированы их основные недостатки, которые заключаются в следующем:

1. Природное обоснование Генсхем предусматривает в первую очередь использование обобщенных данных по геологическим, гидрогеологическим и гидрометеорологическим характеристикам прибрежных районов. Однако используемые на самом деле данные являются зачастую неполными или устаревшими и не обеспечивают выработку оптимальных проектных решений. Это в значительной степени обусловлено отсут-

ствием в настоящее время автоматизированных банков данных по берегам, которые с одной стороны позволили бы комплексно использовать всю имеющуюся информацию, а с другой - давали бы возможность оперативно определять участки берегов, по которым требуемый объем информации отсутствует. Последнее дает возможность оперативно и экономично организовывать соответствующие дополнительные изыскательские работы.

2. В инженерных расчетах, выполняемых для обоснования Генсхем, используются средние, максимальные и минимальные значения гидрометеорологических параметров, а также их значения заданной вероятности превышения. При этом практически не учитывается ритмичность природных процессов и не дается прогноз

их изменений на период действия Генсхем.

3. При проектировании инженерных мероприятий не дается оценка существующего положения рассматриваемого побережья по отношению к динамически устойчивому его состоянию, а также отсутствует прогноз тенденций его дальнейшего развития при условии невыполнения соответствующих мероприятий.

4. Слабо внедрялись до последнего времени в инженерную практику новые методы защиты берегов (проницаемые сооружения, искусственное бухтообразование, изменение рельефа надводного и подводного берегового склона и т.п.). Здесь следует отметить, что внедрение в практику берегозащиты проницаемых сооружений в значительной степени сдерживалось отсутствием инженерных методов расчета их взаимодействия с волнами, особенно в прибойной зоне.

5. В существующих Генсхемах развития берегов отсутствуют методические разработки, и тем более фактические показатели, по определению цены земли в прибрежной зоне, в том числе рекреационных пляжей. В связи с этим вообще не рассматриваются вопросы рентабельности рекомендованных мероприятий, и возможности использования полученной прибыли на дальнейшее содержание пляжей и сооружений.

6. При разработке Генсхем до последнего времени практически не производилась их оптимизация по экологическим показателям. В то же время, признание первосте-пенности экологических требований к любым инженерным мероприятиям, где предусматривается вмешательство в природную среду, изменяет и цель составления Генсхем. Если раньше речь шла только о защите морских побережий, то в новых условиях речь идет о Комплексном Управлении Прибережными Зонами (КУПЗ).

КУПЗ направлено на сохранение и реконструкцию прибрежных экосистем, и их взаимодействие с антропогенными факторами. Именно с таких позиций должны разрабатываться в настоящее время Генеральные схемы развития берегов и отдельные инженерные мероприятия. Осуществление этих основных требований должно основываться на предварительной оценке текущего экологического состояния природной среды (например, в виде экологических паспортов). По данным оценок должны выдаваться рекомендации по устранению выявленных источников загрязнений или смягчению их воздействий.

Устранение приведенных выше недостатков составления Генеральных схем развития берегов и проектирования берегозащитных мероприятий создает условия для перехода на качественно новый уровень экологической культуры. Однако это возможно только на основе коренного изменения традиционных технологий изысканий, научного обоснования и проектирования. При этом неотъемлемым элементом нового подхода является комплексный мониторинг природной среды.

Реализация в полном объеме изложенных принципов управления прибрежными зонами невозможна без широкого применения современных средств автоматизации и вычислительной техники.

На основе изложенного в главе, сформулированы следующие задачи диссертационной работы:

1. Разработка научных основ и методологии комплексной автоматизированной системы прогнозирования и управления береговыми процессами в бесприливных морях (КСПУ МБ), позволяющей существенно повысить качество принимаемых управленческих (проектных) решений, в том числе с точки зрения экологических проблем.

2. Определение комплекса математических моделей, описывающих гидро-литодинамические процессы в прибрежной зоне с учетом всех основных приведенных выше природных факторов. При этом должны использоваться как нормативные методы расчета, так и математические модели пионерного характера.

3. Разработка новых и модификация существующих математических моделей гидро-литодинамики прибрежной зоны. Калибровка указанных математических моделей на основе гидравлического моделирования.

4. Разработка методики прогнозирования развития береговых процессов во времени и пространстве, как в естественных условиях, так и под влиянием инженерной деятельности.

5. Реализация концептуальных основ КСПУ МБ и ее математических моделей в программных средствах.

6. Разработка первой действующей очереди системы для условий Калининградского побережья Балтики.

Во второй главе изложены основные математические модели гидродинамики прибрежной зоны бесприливных морей, которые использовались в дальнейшем в Программных Комплексах (ПК) прогностической части автоматизированной системы.

Вначале рассмотрены основные принципы построения математических моделей природных процессов и их основные типы - модели типа "черный ящик", концептуальные модели, физико-математические модели. Они могут быть также разделены на статистические (решение приближается к истине с определенной долей вероятности) и детерминистические (решение однозначно соответствует исходным данным).

Далее изложены математические модели генерации волн ветром на глубокой воде и в мелководной зоне, трансформации, рефракции и обрушения волн, их наката на берег, генерации ветрового и волнового нагона, вдольберегового энергетического течения, волновых мгновенных и переносных течений, дрейфовых течений, градиентных течений и суммарной циркуляции, а также крупномасштабных штормовых нагонов при открытой береговой линии в мелководных морях.

Указанные модели излагаются в соответствии с работами (Гилл А., 1986, Давидан И.Н., Лопатухин Л.И., Рожков В.А., 1985, Косьян Р.Д., Пыхов Н.В., 1991, Крылов Ю.М., Стрекалов С.С., Цыплухин В.Ф., 1976, Лаппо Д.Д., Стрекалов С.С., Завьялов В.К., 1990, Леонтьев И.О., 1989, Лонге-Хиггинс М.С., 1974, Лонгинов В.В., 1963, Меоте Л е., 1974, Руководство по морским гидрологическим прогнозам,- С.Петербург, Гидрометеоиздат, 1994, Смирнов Г.Н.,1987, СНиП 2.06.04-82. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов) Госстрой СССР - М. Стройиздат, 1983, Шадрин И.Ф., 1981, U.S. Army Coastal Engineering Reseach Centre. Shore protection Manual, 3-d Edition, U.S. Government Printing Office, Washington, 1977). Приводятся в табличной и графической форме примеры расчетов по изложенным моделям в рамках разработанных под руководством автора прогностических ПК.

Далее в главе излагается методика расчета обрушения волн в рамках нелинейной теории мелкой воды (Макаров К.Н., 1994, 1995, 1996). Уравнения модели в одномерной постановке имеют вид:

ди +1(ди__ gill и/ + dd^T] д2и

^ дх дх d(d + ri) 3dt2dx дх2 '(1)

дц д (и (d + 7] )) _

IT -Гх-- ° ' (2)

где и - скорость, г| - возвышение свободной поверхности, g - гравитационное ускорение, d- глубина, t - время, х- расстояние, Сп - коэффициент Шези, е - коэффициент турбулентной вязкости. Граничными условиями являются амплитуда и период волны, входящей в расчетную область с моря, глубина воды, рельеф дна, его шероховатость и коэффициент отражения от береговой границы. В начальный момент времени свободная поверхность считается горизонтальной.

Последний член в уравнении (I) введен для того, чтобы описать мощную диссипацию волновой энергии при обрушении волн. При этом удается избежать "градиентной катастрофы" и организовать сплошной численный расчет зоны обрушения волн без разрывов. Однако в этом случае волновая энергия как бы "распределяется" по всей ширине прибойной зоны, что не позволяет получить узкую

полосу обрушения, где в действительности диссипирует основная часть волновой энергии, оказывая воздействия на дно и сооружения.

Автором разработана методика расчета обрушения волн в рамках теории межой воды, позволяющая учесть концентрацию энергии в узкой зоне. В качестве критерия обрушения при этом принимается соотношение Ur > С, где Ur - скорость частиц в

гребне волны, С = -J(XI + d)g -фазовая скорость волны. Для определения величины

Ur принимается линейное распределение горизонтальной скорости по глубине в гребне волны перед ее разрушением, что соответствует результатам экспериментов, выполненных с использованием лазерного Допплеровского анемометра ( Skjelbreia Е., 1987).

Тогда, в первом приближении Ur = Au, где и - средняя по глубине горизонтальная скорость, получаемая из уравнений мелкой воды, А - эмпирический коэффициент, подлежащий определению в процессе калибровки математической модели. В этом случае, высота обрушающейся части гребня волны (рис.1) определяется из простых геометрических построений : ДЬ = Да(с1 + г|)/ Ur, а ее скорость Udh = Ur - Ди/2, где Ди = Ur - С. Зная величины ДЬ и Udh можно определить величину осредненной по глубине энергии турбулентных пульсаций, которая генерируется при обрушении волны :

Еоб = ДЬ Udh /(2(ц + d -ДЬ)). (3)

Производная ЭЕоб/Зх вводится в уравнение движения (1) в качестве самостоятельного члена. В результате удается локализовать область обрушения волн и одновременно организовать сквозной счет без разрывов.

Для проверки правильности изложенных теоретических построений и определения величины коэффициента А были выполнены специальные крупномасштабные (М 1:25) эксперименты в среднем волновом лотке Черноморского отделения ЦНИИС. Эксперименты проводились на откосах с уклонами 0.022 (скользящее обрушение волн) и 0.1 (ныряющее обрушение). При уклоне откоса 0.022 в лотке генерировались регулярные волны высотой 0.18 м с периодом 2.9 с , глубина - 0.40 м, а при уклоне откоса 0.1 - соответственно высотой 0.26 м с периодом 2.9 с, глубина 0.5 м. В зоне обрушения волн в лотке устанавливалась "гребенка" из 10 волнографов, показания которых записывались в память ЭВМ. 12

После проведения экспериментов были выполнены серии калибровочных расчетов по программному комплексу "WAVE", где расчетная программа реализует нелинейно-дисперсионную модель длинных волн в одномерной постановке. В результате получена величина коэффициента А равная порядка 2.0. При этом результаты расчетов удовлетворительно совпадают с данными физического моделирования. Сопоставление результатов расчетов с данными экспериментов представлено на рис. 2.

д к

6 +?]

ДИ /1

а ' / 1 ' 1 1

I 1 I 1 I 1 | 1

I 1 | 1 ь.

► и,с

и С 14 иг

Рис. 1. График к определению параметров болн при обрушении

Таким образом, выполненные эксперименты и последующая калибровка математической модели, показали возможность использования разработанной методики для расчета обрушения волн в рамках теории мелкой воды на береговых откосах, в том числе сложной формы.

В третьей главе приведены модели распространения взвеси и химических примесей в прибрежной зоне моря. Концентрация взвеси (мелкодисперсных частиц) в морской воде (мутность) характеризует в определенном смысле ее рекреационные и хозяйственно-эксплуатационные (например, возможность разведения гидробионтов) качества. При этом мутность воды можно разделить на естественную (фоновую), обусловленную экскавацией частиц со дна турбулентными морскими течениями или волнами и дополнительную - обусловленную привнесением частиц в прибрежную зону пульпопроводами, водотоками, гидромеханизацией, отсыпками искусственных пляжей и т.п. В случае привнесения дополнительного количества твердого вещества в прибрежную зону, встает вопрос - на сколько будет превышена при этом, фоновая мутность по концентрации и на какое время. Кроме того, в свете ужесточения требований к Оценке воздействия на окружающую среду (ОВОС) различных инженерных мероприятий, связанных с взаимодействием человека и природы, в том числе при отсыпке искусственных пляжей, возникает задача расчета превышения дополнительной мутности при строительстве над фоновой.

Автором разработана методика и программные средства для расчета фоновой и дополнительной мутности воды в прибрежной зоне моря. В качестве начальных условий задается отсутствие волн и течений в прибрежной зоне и, соответственно, полностью осветленная вода, а в качестве граничных - рельеф дна акватории, средняя крупность материала наносов на подводном склоне, гидрометеорологическая ситуация (скорость и направление ветра) и характеристики дополнительных источников мутности (расход, скорость и концентрация взвеси, гидравлический радиус источника).

Расчет выполняется в следующей последовательности:

- по моделям, изложенным в предыдущей главе, рассчитывается поле суммарных течений при заданных геоморфологических, гидролитодинамических и гидрометеорологических факторах;

- фоновая мутность воды С определяется по известной формуле К.И.Российского;

- расчет дополнительной мутности воды от источников выполняется по формулам теории турбулентных струй в сносящем потоке (Альтшуль А.Д. и др., 1987).

Изложенная методика реализована в ПК "PULPA", в котором, кроме того, по аналогичной методике рассчитывается также разбавление струи консервативной примеси. В главе приведены примеры соответствующих расчетов для Янтарного комбината в Калининградской области и р. Мацесты на побережье Большого Сочи.

В случае расчета мутности от разработки или отсыпки грунта в прибрежной зоне, мутность воды в районе работ определяется как фоновая, при этом при разработке грунта, в качестве расчетной подставляется суммарная скорость струи гидромонитора и течений всех типов, а при отсыпке грунта - скорость вдольберегового энергетического течения.

Моделирование распространения примесей (загрязнений) в прибрежной зоне является одной из важнейших задач при оценке влияния антропогенных воздействии на ее экологию. При этом все примеси можно разделить на два вида: консервативные, то есть не подверженные (по крайней мере, в процессе разбавления) химическим преобразованиям при взаимодействии с морской водой и неконсервативные - вступающие в активные химические реакции с морской водой. Общее уравнение турбулентной диффузии примеси имеет вид (Ибад-Заде Ю.А. и др., 1982, Некрасов A.B., Пелиновский

E.H., 1992):

с

1£-+Kc1V2C +

dz

2

+ QS(x - х*)8(у - /)5(z - /) - уС,

где С - концентрация примеси мг/л, х, у, z - пространственные координаты, х*, у*, z* - координаты источника примеси, u, v, w - компоненты скорости течения в водоеме, wc - скорость всплытия выпускаемой жидкости, Кс, Кс1 - коэффициенты вертикального и горизонтального турбулентного обмена, Q - мощность источника примеси, V -трехмерный оператор Лапласа, 8 - дельта-функция Дирака, у - коэффициент неконсервативности примеси, при у<0 происходит распад примеси, при у>0 - накопление примеси, при у=0 примесь консервативна, коэффициент Кс имеет значение порядка 0.001 -0.0001 кв.м/с, коэффициент Кс1 - порядка 10 - 100 кв.м/с.

Уравнение (4) имеет ряд аналитических решений (при определенных допущениях) для некоторых наиболее важных задач распространения примесей:

- для расчета высоты (глубины) подъема факела сточных вод от постоянно действующего источника, расположенного на определенной глубине в прибрежной зоне;

- для расчета проникновения примеси от мгновенного источника с поверхности моря в глубину (например, после выпадения "кислотного" дождя);

- для расчета распространения загрязнения (нефтяного пятна) после разлива загрязняющей жидкости (нефти) по поверхности моря.

В настоящее время ведется разработка ПК "VODA", в котором предполагается разработать программные средства для реализации приведенных выше задач распространения примесей в прибрежной зоне моря. ПК в дальнейшем будет включен в прогностическую часть КСПУ МБ (принцип развития).

В четвертой главе приводятся математические модели взаимодействия гидродинамических факторов с берегами и сооружениями различных типов. При этом отмечается, что конечной целью моделирования гидро- и лито динамических процессов в прибрежной зоне моря является прогноз деформаций дна и берегов.

Основой для моделирования деформаций дна и берега является фундаментальное уравнение сохранения массы вещества:

+ (1 / (1 - Ц*-) = О,

dt дх ду (5)

где с1 - глубина; I - время; п - коэффициент пористости грунта; х, у - оси координат; С>м - расход наносов.

Проблеме расчета расходов наносов в прибрежной зоне моря посвящено большое количество научных работ, однако до сих пор нет единой концепции математического моделирования этой важнейшей характеристики.

Не вдаваясь в детализацию различных методов расчета транспорта наносов в прибрежной зоне моря, можно отметить основные общепринятые физические представления, которые должны лежать в основе всех математических моделей. Эти представления заключаются в следующем. Перенос наносов в прибрежной зоне осуществ-

ляется влечением или сальтацией (донные или влекомые наносы), а также во взвешенном состоянии. Вид переноса определяется параметрами волнения и течений и размером несвязного материала, слагающего береговой откос. Движение наносов сосредоточено, главным образом, между линией первого обрушения волн 1% обеспеченности в системе шторма заданной повторяемости и границей их наката на берег. При этом перенос галечных наносов сосредоточен в районе уреза воды, а песчаных - вблизи зоны разрушения волн. Эквивалентными по энергии всему спектру нерегулярного морского волнения являются волны 30% обеспеченности в системе.

Принято разделять емкость потока наносов - потенциальную способность гидродинамических факторов (волн и течений) перемещать наносы данной крупности в том или ином объеме за заданный интервал времени на данном участке берега и собственно расход (мощность) потока наносов - объем наносов, реально перемещаемый гидродинамическими факторами. Ясно, что расход всегда меньше или равен емкости. При этом уменьшение расхода наносов на заданном участке берега по сравнению с емкостью происходит в результате дефицита наносов на берегу и подводном склоне или под влиянием гидротехнических сооружений, а иногда и того и другого. Разница между поступлением наносов на данный участок берега и их выносом - есть баланс наносов. Если баланс положительный, то происходит аккумуляция наносов, если отрицательный - то размыв берега. При нулевом балансе, берег остается стабильным во времени и называется транзитным.

Поперечное перемещение наносов определяет профиль подводного берегового склона. Зная существующий профиль берегового склона и расчетный осредненный профиль динамического равновесия (полный профиль), можно рассчитать необходимый объем отсыпки искусственного пляжа до полного профиля. Такой расчет выполняется в ПК "BEREG", при этом результаты выдаются как в текстовой, так и в графической формах.

Для практических расчетов величины вдольберегового транспорта наносов имеется множество зависимостей, предложенных различными авторами. Все они в той или иной степени теоретико-эмпирические. Однако все авторы строят зависимости вида:

Q = f(hcr, Der, d50, Acr, tgipO), (6)

где Q - емкость потока наносов, her - высота волны (обычно принимается волна 30% обеспеченности в системе) на линии последнего обрушения, Der - глубина обрушения d50 - средний диаметр наносов, Асг - угол подхода волн к линии обрушения, tgcpO - средний уклон профиля динамического равновесия.

Мощность потока наносов определяется выражением вида:

Qm = Q xKred,

(7)

где дм - мощность потока наносов, Кгес! - редуцирующий (понижающий) коэффициент, зависящий от дефицита наносов на подводном береговом склоне, наличия сооружений и других факторов.

В программном комплексе "ВЕЯЕС заложены зависимости для расчета вдольбе-регового транспорта наносов в соответствии с Рекомендациями Черноморского отделения морских берегозащитных сооружений ЦНИИС (ныне Центр "Морские берега"), апробированные как на галечных, так и на песчаных берегах.

Соответствующая программа из ПК "ВЕЯЕС" позволяет выполнять расчеты как среднемноголетнего транспорта наносов по среднемноголетней розе волнений, так и штормового - от всех волноопасных направлений. Кроме того, выполняется расчет баланса наносов во вдольбереговом потоке. По графику баланса можно сразу определить участки побережья, где при заданном волнении будет происходить размыв берега или аккумуляция наносов.

Таким образом, рассчитав транспорт наносов, можно в дальнейшем рассчитать и деформации дна и берега по уравнению (5). Такой расчет выполняется в ПК "ВЕЯЕС!".

Для расчета взаимодействия волн со сплошными гидротехническими сооружениями, расположенными вне прибойной зоны наибольшее распространение получила потенциальная теория волн в нелинейной- постановке (Лаппо Д.Д., Стрекалов С.С., Завьялов В.К., 1990).

Для прибойной зоны нет строгих теоретических зависимостей. Поэтому расчетные формулы, рекомендованные в нормативных документах, носят теоретико-эмпирический характер. При этом в формулы линейной теории волн вводятся корректирующие коэффициенты, учитывающие турбулизацию потока и его ударные свойства.

Под берегозащитными сооружениями проницаемой конструкции понимаются вертикальные, наклонные, в том числе откосно-ступенчатые стены из свай, перфорированных плит, горизонтальных ступеней с просветами, а также из сквозных блоков. Кроме того, к проницаемым сооружениям относятся наброски (укладки) из камней, фигурных блоков, шпал и т.п. Как проницаемые для волн сооружения могут рассматриваться также сплошные прнтопленные стены, подводные волноломы и траншеи.

В конструкцию сооружения может входить также береговая сплошная или проницаемая стена. Расстояние между морской стеной (стенами) и береговой стеной называется волногасящей (волновой) камерой (камерами), их обычно не более 3-х. В случае совмещения волногасящего сооружения с набережной, волновая камера перекрывается по верху различного типа перекрытиями. В этом случае, а также при строительстве откосно-ступенчатых сооружений, возникает задача расчета вертикальных волновых нагрузок на перекрытия или ступени, методика решения которой рассмотрена ниже.

Взаимодействие волн с проницаемыми сооружениями в прибрежной зоне может быть описано в рамках линейной (Kondo Н, 1983) или нелинейной модели (ШахинВ.М., 1994).

Нелинейная модель реализована в программном комплексе "WAVE" в одномерной постановке. Для расчета обрушения волн в рамках указанной системы уравнений используется методика, разработанная автором и приведенная в гл.2.

Для задания соответствующих конструктивных параметров при расчетах проницаемых сооружений при участии автора, были выполнены специальные исследования в проточно-волновом лотке ЧО ЦНИИС. При этом определялись коэффициенты гидравлического сопротивления различных типов сооружений.

Для предварительных инженерных расчетов взаимодействия волн с проницаемыми сооружениями может быть использована линейная модель. При этом решения представляют собой суперпозиции прямых и отраженных волн, что позволяет получить аналитические решения при постоянной глубине жидкости и отсутствии обрушения волн. Решения могут быть разделены на два вида: для тонких сквозных стен и для проницаемых набросок (Kondo Н., 1983).

Для учета турбулизации потока в прибойной зоне и ударных нагрузок, вводятся корректирующие коэффициенты, аналогичные коэффициентам для сплошных стен. Указанные коэффициенты получены автором по данным крупномасштабного гидравлического моделирования в волновом лотке.

Как уже отмечалось выше, сооружения проницаемой конструкции могут иметь горизонтальные элементы в виде плит перекрытий набережных или ступеней откосно-ступенчатых конструкций. Поэтому актуальной является задача расчета вертикальных волновых нагрузок на эти элементы сооружений. Автором разработана соответствующая методика. При этом в качестве расчетной принимается схема удара водяной струи о плоскость (в данном случае горизонтальную). Тогда гидродинамическое давление:

^ = Р / 2, (8)

где Vz - вертикальная скорость частиц в гребне прогрессивно-стоячей волны который ударяет в перекрытие:

д/хлЦЯ + г) TxsfikH)

где d - глубина, Н = Ь/2 + d - полная глубина, Ь - высота стоячей волны, г - расстояние до низа плиты от невозмущенного уровня, к - волновое число, х - расстояние от береговой стены до середины плиты перекрытия или ступени откосно-ступенчатой конструкции.

Погонная вертикальная нагрузка на плиту (кн/м) определяется выражением:

Р =

КгейВ У?р 2000

(Ю)

где В - ширина плиты перекрытия (ступени), Кгес1 - коэффициент редукции нагрузки, учитывающий растекание струи по плите:

где Ь - длина расчетной волны. При В < 0 О.ЗЗЬ, Кгес1 = 1.

Граничными условиями при реализации приведенной методики являются конструктивные характеристики сооружения (ширина плит, их расстояние от береговой границы и возвышение над расчетным уровнем моря) и элементы подходящих к сооружению волн.

С целью тестирования изложенных выше математических моделей взаимодействия волн с проницаемыми сооружениями при участии автора (ответственный исполнитель разработки) были выполнены гидравлические исследования в большом волновом лотке 40 ЦНИИС. При этом решались следующие задачи:

- измерение волновых нагрузок на модели сплошных и проницаемых сооружений различных типов в различных частях прибрежной зоны (мелководной, прибойной, приурезовой);

- измерение величин максимального возвышения уровня свободной поверхности у передней грани модели сооружения (заплеска);

- измерение высот волн в пучностях квазистоячих волн перед сооружениями и в условиях открытого берега. Эти измерения производились с целью определения коэффициентов отражения волн от сооружений различной конструкции.

В процессе исследований путем понижения уровня воды в лотке, сооружения как бы "отодвигались" со стороны моря в сторону берега. Таким образом, измерения были выполнены, начиная от мелководной и кончая приурезовой зоной расположения сооружений. В результате были получены коэффициенты учета турбулизации потока и ударных его свойств в прибойной зоне, которые оказались близкими к таким же коэффициентам, для сплошных стен, что позволяет считать их в определенной мере универсальными.

Кроме того, в процессе исследований было установлено, что конфигурация отверстий в тонких сквозных стенах (диффузоры, конфузоры и т.п.) практически не влияет на их волногасящие свойства, определяющими являются сквозность и соотношение между длиной волны и шириной волновой камеры (камер).

(И)

Изложенная методика расчета волновых нагрузок на сквозные сооружения на основе линейной модели реализована в программе PROD, которая входит в ПК "BEREG".

Как отмечено выше, перенос наносов во вдольбереговом потоке происходит главным образом между линией первого обрушения волн и границей их наката на берег. Это расстояние в поперечном к берегу направлении называется фронтом переноса наносов Lz. В первом приближении его можно рассчитать по формуле:

Lz = dcr/tgcp + hrun/tgcp , (12)

где der - глубина обрушения волн, tgcp - средний уклон берегового склона, hrun -высота наката волн.

Автором разработана методика расчета динамики береговой линии свободного пляжа или пляжа, защемленного продольными или поперечными гидротехническими сооружениями. Основные положения этой методики заключаются в следующем.

Если принять, что средний уклон подводного берегового склона остается неизменным во времени на данном участке берега во время данного шторма, то в зависимости от баланса наносов во вдольбереговом потоке, берег смещается в сторону моря (аккумуляция) или в сторону суши (размыв) параллельно самому себе. Такие деформации описываются простым уравнением (в конечно-разностной форме):

Д( Д\"

где А - площадь поперечного сечения берегового склона, О - вдольбереговой расход наносов, (- время, х - расстояние вдоль берега.

Для расчетов динамики береговой линии уравнение преобразуется к виду:

АУ = (14)

ахает

где К - калибровочный коэффициент, учитывающий изменение профиля пляжа в процессе шторма и подлежащий определению по лабораторным или натурным измерениям, Ду - изменение ширины пляжа.

Если в качестве препятствия для вдольберегового потока наносов имеются буны, прорези или иные поперечные сооружения, транспорт наносов через них определяется по формуле:

где Lg - длина буны или прорези. Ясно, что если Lg > Lz, то имеет место непропуск наносов u Qg = 0.

Величина расхода наносов у теневой по отношению к потоку наносов стороны буны или мола (экранирующий эффект сооружения) определяется по выражению:

QgT = QKp, (16)

где Кр = (Lz - Lg + xtgAcr), х - расстояние от буны (мола) до точки вдоль берега, где рассчитывается расход наносов, Асг- угол подхода волн. Если Кр>1, то принимается Кр=1.

В качестве начальных условий задается исходный рельеф дна (линия уреза и средний уклон на каждом поперечнике - ЦММ), а в качестве граничных - литология подводного склона, характеристики сооружений и элементы волн в расчетных штормах.

Изложенная методика реализована в программном комплексе "REBL". В этом ПК предусмотрена специальная программа, позволяющая автоматически подбирать калибровочный коэффициент К по натурным данным или результатам экспериментов в волновых бассейнах, причем как в среднем для определенного участка берега, так и для каждого створа ЦММ на этом участке. ПК позволяет рассчитывать деформации береговой линии свободного пляжа или пляжа, защемленного поперечными сооружениями, а также при наличии поперечных дноуглубительных прорезей. Предусмотрена возможность расчета переформирования береговой линии не только от исходной отсыпки пляжа, но и под воздействием последовательной серии штормов от всех волноопасных направлений. В диссертации приводятся примеры расчетов.

Влияние продольных проницаемых сооружений на вдольбереговой транспорт наносов заключается с одной стороны в физическом уменьшении фронта переноса наносов за счет того, что часть его перекрывается сооружением со стороны берега (в зоне наката волн). С другой стороны, как отмечалось выше, проницаемые сооружения заменяют собой часть полнопрофильного пляжа. В результате появляется возможность уменьшения ширины пляжа и, следовательно, фронта переноса наносов со стороны моря.

Проницаемые сооружения гасят часть волновой энергии, поступающей к ним на величину (1-Котр)Эп, где Котр - коэффициент отражения волн от сооружения, Эп -поступающая к сооружению волновая энергия. В результате расход наносов в зоне влияния проницаемых сооружений по сравнению с полнопрофильным пляжем определяется выражением:

Qnc = QKp, (17)

где <2пс - расход наносов зоне влияния берегозащитных сооружений проницаемой конструкции, <3 - расход наносов при полнопрофильном пляже, Кр - редуцирущий

коэффициент, зависящий от коэффициента отражения волновой энергии от сооружения и среднего диаметра наносов (фактически - от эпюры вдольберегового расхода наносов).

Полученные автором теоретически выражения для определения величины коэффициента Кр имеют следующий вид: галечные наносы

Кр = 1 -0.3(1 -Котр)-Ы/Ь2, (18)

песчаные наносы

Кр = 1 - 0.3(1-Котр) - 0.7ЫДД (19)

где Ы - расстояние от границы наката до морской грани сооружения, Ь2 - расстояние от линии обрушения волн до границы их наката на берег.

Для проверки представленных выше теоретических положений о влиянии проницаемых берегозащитных сооружений на транспорт наносов были использованы материалы пространственного гидравлического моделирования, выполненные при участии автора (ответственный исполнитель) для участка побережья Крыма в районе п. Героевское г. Керчи. В работе исследовалось влияние сквозных сооружений на динамику берега. При этом исследовались 4 типа конструкций (Табл. 1). Блоки ВГ-2 и ВГ-5 были предложены ПКБ "Гидротехник" треста "Крымморгидрострой".

Таблица 1

Основные конструктивные характеристики исследуемых сооружений

\1Тип конструкции Сквозность Ширина, м К-т отражения волновой энергии

1 Сплошная стена 0 2.0 1.0

2 Откосно-ступенчатая

стена 0.4 7.0 0.27

3 Блоки ВГ-2 0.22 3.0 0.54

4 Блоки ВГ-5 0.32 3.0 0.50

Эксперименты проводились в большом волновом бассейне ЧО ЦНИИС в масштабах: вертикальный - 1:30, горизонтальный - 1:100. Сооружения устанавливались морской гранью на урезе расчетного уровня моря (то есть зона заплеска волн ими перекрывалась). Дно модели было полностью размываемым и выполнялось из песка средней крупностью 0.3 мм. Воспроизводилось регулярное волнение с высотой волн по линии обрушения 0.10 м, периодом 1.47 с, длиной волн 2.65 м. Угол подхода волн к линии обрушения составлял 30 град. Продолжительность опытов была 8 часов, при

этом в процессе экспериментов через каждые 2 часа осуществлялось взвешивание наносов в ловушках и их байпассинг с низовой стороны модели в верховую.

Результаты экспериментов и их сопоставление с данными расчетов, выполненных по изложенной выше методике, представлено в таблице 2. Из этой таблицы следует, что полученные выше теоретическим путем зависимости для расчетов снижения емкости и расхода вдольберегового потока наносов берегозащитными сооружениями проницаемой конструкции, дают значения соответствующих коэффициентов, близкие к экспериментальным данным. Это позволяет рекомендовать их для использования в практических расчетах.

В пятой главе изложены концепция, принципы разработки и структура КСПУ МБ, а также состав ее прогностической части. В главе отмечено (Макаров К.Н., Ни-коленко А.Л., 1992, 1994, Макаров К.Н., 1995, 1996, 1997), что в соответствии с поставленными задачами, КСПУ МБ должна представлять из себя объектно-ориентированную систему, обеспечивающую прогноз развития береговых процессов во времени и пространстве, причем как в естественном состоянии, так и под влиянием антропогенных воздействий. На основе такого комплексного прогноза должна быть обеспечена возможность выбора оптимального управленческого решения по вмешательству (или невмешательству) в ход берегового процесса. При этом оптимальное управление должно заключаться не только в разовом проведении инженерных мероприятий, но и в выполнении наблюдений за их последствиями и оперативной корректировке методов управления с целью обеспечения требуемой направленности береговых процессов. Таким образом, КСПУ МБ должна стать инструментом принятия оптимальных решений по управлению береговыми процессами, в том числе при разработке Генеральных схем берегозащитных и противооползневых мероприятий.

При разработке КСПУ МБ необходимо было выполнить реализацию следующих основных положений:

- системное использование средств автоматизации измерений и вычислительной техники, когда результаты работы одной из подсистем КСПУ МБ автоматически, без промежуточной ручной переподготовки, передаются в другие подсистемы;

- внедрение методов моделирования природных процессов во времени и пространстве;

- внедрение методов оптимизации управленческих решений там, где это возможно;

- обеспечение возможности многовариантной проработки последствий управленческих решений для тех объектов (процессов), для которых нельзя создать оптимизирующих алгоритмов.

При создании, эксплуатации и развитии КСПУ МБ разработчики руководствуются следующими основными общесистемными принципами: включения, системного единства, развития, информационного единства, совместимости, инвариантности.

Таблица 2

Экспериментальные и расчетные коэффициенты снижения расхода вдольберегового транспорта наносов

N Тип конструкции Расход нано- Коэффициент снижения

сов расхода наносов

куб.дм./час

Эксперимент Расчет Расхож дение, %

1 Свободный пляж 93.0 1.0 1.0 0

2 Сплошная стена 104.0 1.12 1.0 12.0

3 Откосно-ступенчатая

стена 70.2 0.75 0.78 4.0

4 Блоки ВГ-2 69.1 0.74 0.84 14.0

5 Блоки ВГ-5 72.5 0.78 0.80 2.6

Функционирование КСПУ МБ основано на компонентах методического, информационного, технического, организационного и программного обеспечения (рис. 3). Указанные компоненты определяются следующим образом.

Методическое обеспечение состоит из трех основных частей:

1. Теория, методы прогнозирования и управления морскими береговыми процессами, изложенные в монографиях, учебниках, трудах различных научно-исследовательских и проектных организаций и т.п.;

2. Действующие нормативные документы (ГОСТ, СНиП, СН, ТУ и т.п.);

3. Алгоритмы, реализующие конкретные задачи в удобном для программирования виде.

В связи с непрерывным совершенствованием методов прогнозирования и управления природными процессами, методическое обеспечение КСПУ МБ непрерывно изменяется и совершенствуется по мере развития научно-технического прогресса.

Информационное обеспечение КСПУ МБ состоит из двух основных частей:

1. Документы, содержащие описание стандартных процедур прогнозирования и управления береговыми процессами;

2. Результаты работы Автоматизированной Информационной системы (АИС), обеспечивающей сбор исходной информации о берегах и береговых процессах, а также ее преобразование в машинное представление, обработку, хранение, отображение и выдачу для анализа человеком или использования в Прогностической части системы. Указанные функции (кроме первичного сбора информации) обеспечиваются Автоматизированным банком данных (АБД), являющимся составной частью КСПУ МБ.

Компонентами технического обеспечения КСПУ МБ являются устройства вычислительной и организационной техники (ЭВМ, принтеры, плоттеры, сканеры, дигитайзеры и т.п.), а также их сочетания.

Компонентами организационного обеспечения являются методические и руководящие материалы, положения, инструкции, штатные расписания, квалификационные требования и другие документы, обеспечивающие взаимодействие научно-исследовательских и эксплуатационных предприятий при создании, эксплуатации и развитии системы.

Программное обеспечение КСПУ МБ состоит из двух основных частей:

1. Общесистемное программное обеспечение, предназначенное для функционирования технических средств. Этот вид программного обеспечения создается для многих приложений и никак не учитывает специфику конкретных объектно-ориентированных систем и потому потребовал лишь определенной адаптации в рамках КСПУ МБ;

2. Прикладное (специальное) программное обеспечение представляет собой совокупность программных комплексов для решения определенных прогностических задач, а также программ подготовки (переподготовки) или согласования данных в АБД.

Структура обеспечивающей части КСПУ МБ представлена на рис. 3.

Рис.3. Структура обеспечивающей части КСПУ МБ

Входящие в состав прикладного программного обеспечения КСПУ МБ ПК реализуют как нормативные методы прогнозирования береговых процессов, так и математические модели пионерного характера. Однако следует отметить, что поскольку система предназначена для использования при принятии ответственных решений, предпочтение при выборе математических моделей было отдано нормативным методикам и только в тех случаях, когда какой-либо физический процесс (например, взаимодействие волн с проницаемыми сооружениями, расчет градиентных течений, бло-

кировка вдольберегового потока наносов поперечными сооружениями и т.п.) не отражен в нормативных документах, применялись пионерные модели. Причем применялись модели, не нашедшие до настоящего времени отражения в нормативных документах, но тем не менее апробированные автором при научном обосновании берегозащитных мероприятий на берегах бесприливных морей России и Украины.

Кроме того, следует отметить, что входящие в состав КСПУ МБ математические модели гидро-литодинамики берегов носят характер статистико-детерминистический. Статистический - в том смысле, что опираются на климатические данные (многолетние наблюдения за ветром, волнением, уровнем моря, течениями, ледовыми явлениями и т.п.). Детерминистический - в том смысле, что в основном по всем моделям результаты моделирования однозначно соответствуют введенным исходным данным. Поэтому ошибки в исходных данных приводят к среднеквадратической ошибке в результатах в соответствии с известной формулой для ошибки функции независимых переменных. А именно, если

2 - /(1\>12>---1п)> (20)

7 Кд1у и Уд12 2 <?/„ "

(21)

где пк - среднеквадратическая ошибка результата расчета Z, т1, т2, ... шп - сред-неквадратические ошибки аргументов (исходных данных) 11,12, ... 1п. Из формулы (21) следует, что детерминистические модели, вообще говоря, весьма чувствительны к ошибкам в исходных данных. Поэтому в расчетах следует применять статистические гидрометеорологическйе характеристики, полученные по возможно большему ряду наблюдений.

Общение пользователя системы непосредственно с ЭВМ производится посредством специального интеллектуального интерфейса, который представляет собой программную среду, позволяющую работать с КСПУ МБ пользователям без посредничества системных или прикладных программистов.

Схематично порядок работы системы можно представить в следующей последовательности (рис.4). Имеется природный объект, в данном случае - побережье. За объектом ведутся наблюдения, данные которых через интеллектуальный интерфейс, а именно, через ту его часть, которая является СУБД, передаются в базу данных. После накопления (сбора) необходимых данных опять же через интерфейс, данные передаются для обработки в прогностическую часть системы. В результате производится прогноз развития берегового процесса во времени в естественных (существующих) условиях. В случае если требуется изменение естественного хода процесса, Лицо, принимающее решения (ЛПР) формирует ряд возможных вариантов воздействия на объект. Последствия воздействия анализируются прогностической системой. В ре-

зультате выдаются варианты последствий воздействия. ЛПР принимает управленческое решение о варианте воздействия. Решение выполняется. За результатом воздействия ведутся наблюдения, результаты которых вновь поступают в АБД и к ЛПР. ЛПР принимает решение о прекращении, изменении или продолжении воздействия. Во всех случаях решение анализируется прогностической частью системы, корректируется, выполняется и т.д.

Следует особо подчеркнуть, что в КСПУ МБ ученый или инженер является ключевым звеном, на плечи которого ложатся определяющие функции процесса прогнозирования и принятия принципиальных управленческих решений: выбор исходных параметров для изучаемого объекта; анализ, контроль и подготовка исходной информации; принятие решений о составе и последовательности работ; выбор методов решения тех или иных задач, что требует от пользователя достаточно глубоких теоретических познаний; формулирование принципиальных вариантов управленческих решений, которые подлежат последующей детальной проработке; оценка результатов прогнозирования и принятие решений о завершении или продолжении рабочего процесса.

Таким образом, КСПУ МБ состоит из трех основных частей: прогностической системы, автоматизированного банка данных (АБД) и интеллектуального интерфейса.

В состав прогностической части КСПУ МБ в настоящее время входят разработанные под руководством автора ПК "PROGNOS", "BEREG", "PULPA", "REBL", "WAVE", "VODA" (находится в стадии разработки), а также программа "PORT" (Макаров К.Н., Николенко A.A., 1992, 1994, Макаров К.Н., Юренко Ю.И., 1996, Макаров К.Н., 1994, 1995, 1996, 1997). Указанные ПК позволяют решать с той или иной степенью достоверности, практически все задачи прибрежной гидро- лито- динамики: расчет волн от их генерации ветром на глубокой воде до наката на берег; расчет всех типов течений; расчет взаимодействия волн со всеми известными типами гидротехнических сооружений; расчет ледовых нагрузок; прогноз качества воды; прогноз деформаций дна и динамики береговой линии.

В шестой главе изложены принципы создания и основные требования к Автоматизированному банку данных (АБД), являющемуся информационной основой КСПУ МБ, а также его структура и состав.

Информационной основой всех автоматизированных систем мониторинга, прогнозирования и управления природными процессами, являются автоматизированные информационные системы (АИС). В общем случае они выполняют следующие функции: сбор, обработка, хранение, отображение, корректировка и выдача информации. В рамках АИС могут быть в свою очередь выделены:

- подсистема сбора информации в полевых условиях (изыскания) и ее первичной обработки (данная подсистема является предметом специальной разработки);

Рис.4. Схема функционирования КСПУ МБ

- подсистема ввода в ЭВМ, преобразования, редактирования, хранения, отображения и выдачи информации для последующего использования в КСПУ МБ или непосредственно человеком.

Вторую подсистему АИС принято называть Автоматизированным банком данных (АБД). Основными задачами АБД морских берегов являются:

- обеспечение необходимой информацией Прогностической части системы, а в перспективе также и САПР берегозащитных мероприятий;

- обеспечение удобных для пользователя ввода, корректировки и отображения информации;

- систематизация имеющихся данных по берегам и определение недостатков в их наборах. Это позволяет организовывать целенаправленные изыскательские работы и, тем самым, экономить соответствующие материальные средства.

Указанные функции обеспечиваются двумя основными компонентами АБД:

- база данных, то есть собственно данные о берегах, береговых процессах, существующих сооружениях и т.п.;

- система управления базой данных (СУБД), представляющая собой совокупность определенных программных средств.

Необходимо особо подчеркнуть, что КСПУ МБ является объектно-ориентированной системой (на берегозащитные мероприятия), то есть предназначена для работы не со всеми объектами реального мира, а лишь с некоторой их совокупностью, называемой предметной областью. Полное и исчерпывающее описание даже весьма узкой предметной области в АБД на существующем уровне развития вычислительной техники (и в обозримом будущем) - задача неосуществимая. Поэтому при разработке конкретных АБД необходимо в первую очередь очертить круг задач, решаемых соответствующей автоматизированной системой (в данном случае КСПУ МБ) и определить набор данных, необходимых для их решения. Это впрочем, не исключает необходимости разработки СУБД, позволяющей вносить по мере необходимости в АБД данные новых типов (принцип развития). Этот принцип реализован в СУБД АБД КСПУ МБ.

Опыт разработки и эксплуатации, различных АБД позволил выработать наиболее общие требования к ним (Макаров К.Н., Николенко A.A., 1995):

- адекватность базы данных предметной области;

- минимальная избыточность хранимых данных;

- простая физическая организация и реорганизация;

- способность к расширению и вводу новых типов данных;

- обеспеченность защиты данных от несанкционированного доступа или случайного уничтожения.

Из изложенного выше следует, что данные в рассматриваемом АБД должны обеспечивать решение задач прогнозирования береговых процессов, проектирования и реализации различных берегозащитных мероприятий. Кроме того, в процессе эксплуатации берегозащитных и иных инженерных сооружений на морских берегах, возникают задачи оптимизации эксплуатационных расходов. А это в свою очередь требует наличия в АБД паспортов этих сооружений и внесения в них соответствующих изменений в ходе эксплуатации. Это же относится к участкам берегов без сооружений, где проводились какие-либо инженерные мероприятия (отсыпки инертных материалов или их изъятие, перепрофилирование откосов и т.п.). Таким образом, возникает задача ведения в рамках АБД комплексных паспортов по всему периметру берегов.

АБД КСПУ МБ в первой очереди системы содержит следующие наборы данных: рельеф, литология, геология, гидрометеорология, гидротехнические сооружения.

Для ввода этой информации в ЭВМ, т.е. для формирования Цифровых Моделей Местности (ЦММ), вся береговая полоса какого-либо крупного региона (например, Дагестана, Калининградской области и т.п.) разбивается на ряд участков, по возмож-

ности, представляющих собой отдельные литодинамические системы. Эти системы дополнительно разбиваются на ряд прямоугольных фрагментов таким образом, чтобы одна из сторон прямоугольника была бы параллельна берегу. Фрагменты перекрывают друг друга примерно на 20% площади чтобы не допускать разрывов (по принципу аэрофотосъемки). Размеры фрагментов в поперечном направлении подбираются таким образом, чтобы обеспечить условия захвата полосы берега (суши) шириной 200-300 м и акватории моря до глубин порядка 70 м.

Ввод рельефа надводного и подводного берегового склона, литологических и геологических характеристик производится в виде произвольного поля точек с известными плановыми координатами (как в общей, так и в собственной системе координат фрагмента) и соответствующей третьей "координатой" (глубиной, средним диаметром наносов и геологической характеристикой). После ввода указанных характеристик в виде статистических цифровых моделей, для каждого фрагмента литоди-намических систем задаются параметры регулярной прямоугольной сетки в собственной системе координат (количество шагов по осям ОХ и ОУ). Затем выполняется интерполяция введенных данных по рельефу, литологии и геологии в узлы этой сетки.

Информация о сооружениях на берегах хранится в виде их эксплуатационных карт (паспортов). Они разработаны в типовом виде практически для всех видов гидротехнических сооружений, встречающихся на морских берегах. Карты разделены, на две формы. Первая форма является общей для всех прибрежных гидротехнических сооружений. К каждой общей карте может прилагаться карта специальной формы. Эта карта содержит краткую информацию, специфическую для данного типа гидротехнического сооружения.

Хранение данных в АБД КСПУ МБ осуществляется на основе файловой структуры. Для каждой литодинамической системы создается каталог, в котором выделяются отдельные подкаталоги фрагментов. В каталогах фрагментов создаются подкаталоги по типам данных: рельеф, геология и т.п. В этих подкаталогах размещаются соответствующие файлы данных. Таким образом, исключается случайное уничтожение данных одного фрагмента при редактировании другого. Кроме того, наличие подкаталогов по типам данных позволяет вводить новые типы данных, просто создавая новый подкаталог, а новые наборы данных - создавая новые файлы.

Выдача информации из АБД КСПУ МБ осуществляется в двух видах:

1. В виде соответствующим образом форматированных наборов данных, необходимых для работы прогностических ПК системы;

2. В виде таблиц, графиков, паспортов и т.п., позволяющих принимать предварительные управленческие решения, а также решения по организации дополнительных изыскательских работ.

Схема функционирования АБД морских берегов представлена на рис. 5.

В седьмой главе представлена первая очередь КСПУ МБ, разработанная под руководством автора для условий Калининградского побережья Балтики. В рамках этой

первой очереди системы, разработчики постарались реализовать все те общесистемные принципы и математические модели природных процессов, которые были изложены выше.

Рис.5. Схема функционирования АБД морских берегов

В настоящее время в рамках первой очереди КСПУ МБ осуществлено разбиение побережья на литодинамические системы и их фрагменты. Для каждого фрагмента выполнен ввод информации о рельефе надводного и подводного берегового склона, литологических и геологических характеристиках, гидрометеорологии и существующим гидротехническим сооружениям. Кроме того, в рамках разработки первой очереди КСПУ МБ, на основе массовых расчетов по системе "РПСЮМОЗ", составлен Атлас типовых полей ветра и волнения для юго-восточной части Балтийского моря.

В главе приводится пример расчета в рамках прогностической системы деформаций дна и берега - прорыв подводного вала и образование подводной косы на участке побережья Зеленоградск-Лесное (корень Куршской косы) при проходе шторма с переменными скоростью и направлением ветра.

Для окончательной адаптации разработанной системы необходимо организовать комплекс специальных натурных наблюдений на участках побережий, к которым она адаптируется. В состав комплекса должны входить:

1. Синхронные наблюдения за ветром и волнением от всех волноопасных направлений;

2. Наблюдения за уровнем воды в прибрежной зоне моря;

3. Определение деформаций дна как после прохода наиболее мощных штормов, так и в результате воздействия среднемноголетнего волнения;

4. Измерения скоростей дрейфовых течений в прибрежной зоне при ветрах от различных направлений;

5. Наблюдения за мутностью и химическим составом морской воды параллельно с наблюдениями за ветром, волнением и течениями;

6. Наблюдения за характером взаимодействия штормовых волн с гидротехническими сооружениями с измерением волновых нагрузок на них и высот подъема уровня перед ними.

В работе детально рассматривается содержание перечисленных видов наблюдений и измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть сформулированы следующим образом:

1. Определены основные природные факторы, обусловливающие гидро-литодинамические процессы на берегах бесприливных морей, а также существенные недостатки традиционных подходов к разработке берегозащитных мероприятий, в том числе их Генеральных схем. Сделан вывод о необходимости разработки методики прогнозирования и управления береговыми процессами на основе комплексной автоматизированной системы.

2. Определены и оптимизированы существующие и разработаны новые (в частности, обрушения волн в рамках теории мелкой воды), математические модели гидро-литодинамики прибрежной зоны бесприливных морей, крупных озер и водохранилищ. При этом предпочтение отдавалось нормативным методам расчетов. Для тех физических процессов, для которых отсутствуют нормативные методы, использовались пионерные модели различной степени идеализации, не вошедшие до последнего времени в нормативную литературу.

3. Для обоснования предложенной математической модели обрушения волн в рамках теории мелкой воды выполнены крупномасштабные эксперименты на гидравлической модели, в результате которых установлено достаточно близкое соответствие результатов расчетов с данными экспериментов, что позволяет рекомендовать модель для использования в инженерной практике и включения в нормативные документы.

4. Выполнены специальные экспериментальные исследования на крупномасштабных гидравлических моделях по определению коэффициентов гидравлического сопротивления и коэффициентов учета турбулизации потока в прибойной зоне моря при

обрушении волн и их взаимодействии с сооружениями проницаемой конструкции. Установлено, что последние близки по своим значениям к таким же коэффициентам для традиционных типов сооружений. Это позволяет считать их универсальными.

5. Установлено, что для предварительных расчетов взаимодействия волн с проницаемыми сооружениями в прибойной зоне вполне приемлемыми являются аналитические решения линейной теории длинных волн, откорректированные соответствующими эмпирическими коэффициентами. Для ответственных сооружений следует применять расчетную методику на основе нелинейной теории длинных волн.

6. Экспериментально установлено, что конфигурация отверстий в сквозных сооружениях (диффузоры, конфузоры и т.п.) не оказывает существенного влияния на их волногасящие свойства. Основными характеристиками сооружений с точки зрения волногашения являются сквозность и отношение ширины волновой камеры (камер) к длине расчетной волны.

7. Получены теоретически и подтверждены экспериментальными исследованиями коэффициенты снижения расхода вдольберегового транспорта наносов в зоне влияния берегозащитных сооружений проницаемой конструкции.

8. Разработаны и реализованы в соответствующих ПК методики расчета вертикальных волновых нагрузок (снизу) на горизонтальные элементы (плиты перекрытия, ступени откосно-ступенчатых конструкций и т.п.) проницаемых берегозащитных сооружений, а также эволюции береговой линии свободных пляжей или пляжей с поперечными гидротехническими сооружениями (бунами, молами или дноуглубительными прорезями). В последнем ПК впервые применена автоматическая калибровка математической модели по данным физического моделирования или натурных экспериментов.

9. Разработаны методика и реализующий ее программный комплекс для расчетов фоновой мутности воды в прибрежной зоне моря при различных гидрометеорологических ситуациях, а также дополнительной мутности от источников в виде пульпопроводов, водотоков и при проведении дночерпательных работ или отсыпке искусственных пляжей. Определены математические модели и ведется разработка ПК для расчетов распространения консервативных и неконсервативных примесей в прибрежной зоне моря от различных источников.

10. В остальных ПК прогностической части системы решаются задачи взаимодействия волн практически со всеми типами морских гидротехнических сооружений (в том числе проницаемыми), ледовых нагрузок на сооружения, транспорта наносов и деформаций дна в прибрежной зоне моря, как при отсутствии гидротехнических сооружений, так и при их наличии. При этом рассчитываются объемы отсыпки искусственных пляжей до полного профиля, баланс наносов во вдольбереговом потоке (как среднемноголетний, так и штормовой от всех волноопасных направлений). По этим данным могут быть определены участки побережья, где следует ожидать размыва берега или аккумуляции наносов. Кроме того, могут быть определены объемы ежегодных эксплуатационных пополнений свободных пляжей.

11. Разработаны концептуальные основы Комплексной автоматизированной системы прогнозирования и управления береговыми процессами в бесприливных морях (КСПУ МБ) и ее прогностической части, а также соответствующие Программные комплексы. Это позволяет существенно повысить качество принимаемых решений по управлению береговыми процессами и оптимизировать организацию изыскательских работ. Выполнен комплекс мероприятий по созданию Автоматизированного банка данных (АБД) морских берегов на стадии 1-й очереди КСПУ МБ.

12. Разработана и внедрена первая очередь КСПУ МБ для условий Калининградского побережья Балтики.

13. Разработаны программа и состав работ для полной адаптации системы к конкретным побережьям по данным натурных наблюдений и исследований.

14. Разработанные под руководством автора ПК апробированы при проектировании различных берегозащитных мероприятий и реконструкции портов в предприятии "Инжзащита" при ПНИИИС Госстроя РФ (г. Москва), Специализированных научно-производственных объединениях "Балтберегозащита" (г. Калининград) и "Дагестанберегозащита" (г. Махачкала), Черноморском отделении морских берегозащитных сооружений ВНИИ Транспортного строительства (г. Сочи), институте "Гипрокоммунстрой" (г. Москва), институте "Ленморниипроект" (г. С.Петербург), Предприятии "Инжзащита" (г. Ялта), научно-производственных фирмах "Волна" и "Берег" (г. Сочи), Сочинском Государственном Университете Курортного дела и Туризма, Центре по Гидрометеорологии и Мониторингу окружающей среды Черного и Азовского морей (г. Сочи), Предприятии "Морстройгехнология" (г. С.Петербург), институте "Новоморниипроект" (г. Новороссийск).

15. Эффективность внедрения результатов диссертационной работы подтверждена соответствующими актами из ряда вышеперечисленных научных, проектных и строительных организаций. Результаты, полученные в работе, используются в процессе преподавания дисциплины "Берегозащитные сооружения и пляжи" в Сочинском Государственном Университете Туризма и Курортного дела на Инженерно-экологическом факультете.

16. В дальнейшем разработанная система может быть использована в рамках Комплексного Управления Прибрежными Зонами (КУПЗ), методология которого активно разрабатывается в настоящее время во всех развитых странах мира, в том числе в России.

Опубликованные работы автора по теме диссертации.

1. Математическая модель стока талых вод с малых водосборов и ее численная реализация.- Сб. науч. тр. МАДИ "Русловые процессы на мостовых переходах". -М/.МАДИ, 1986.-е. 130-139.

2. Generalized circulation method of sea coastal bottom deformations.- 18-th SMSSH, Varna, 1989, p.69-1-69-4.

3. Расчет неустановившегося движения жидкости в непризматических руслах с боковой приточностью,- Депон. сб. тр. ЦНИИС.-М.:ЦНИИС,1990.

4. Расчет водопропускных сооружений на автомобильных дорогах с учетом аккумуляции талых вод.- В сб. Прикладные и теоретические вопросы проектирования переходов через водотоки. - М.:МАДИ, I990.C.88- 93.

5. Оптимизация берегозащитных мероприятий на основе физического и математического моделирования,- В сб. Современные проблемы берегоукрепительной гидротехники в условиях Болгарского Черноморского побережья. - Варна, 1990.-С.34-36 (Соавторы Мальцев В.П., Шахин В.М.).

6. Математическая модель наката разрушающихся волн на берег.- Морские природные катастрофы (цунами и штормовые волны). - ГПИ, Горький,1990.-c.57. (Соавторы Шахин В.М., Николенко А.А.).

7. Wave interaction with bottom nonuniformity and permeable strucrures in littoral zone.- Waves and vortices in the ocean and their laboratory analogues.-Vladivostok, 1991.-p.61 (Соавторы Шахин B.M., Мальцев В.П.).

8. Wave Breaking Computation in the Shallow Water Theory. Conf."Meso- and microstructure of the ocean - measurements and models", S.Petersburg, 1992.-p.42.

9. Программный комплекс доя расчета гидро- и литодинамики прибрежной зоны бесприливных морей, озер и водохранилищ.- Гидротехническое строительство, N11, 1992, с. 11 -12. (Соавтор Николенко А.А.).

10. Способ защиты берегов из несвязного грунта от волнового воздействия,- Авторское свидетельство СССР N 1767070 от 08 июня 1992 г. (Соавторы Мальцев В.П., Болдырев B.JI., Кошельник JI.A.).

11. Coast Dynamics and Coast-Protective Measures on the Crimean Black Sea Coast.-Coastlines of the Black Sea.-American Society of Civil Engineers, 1993, p. 422-431 (Соавтор Мальцев В.П.).

12. Wave interaction with permeable structures.- The second Int.Symp. on ocean wave measurement and analyses.- New Orleans, USA,1993.- p.14 (Соавторы Мальцев В.П., Шахин B.M.).

13. Гидротехническое сооружение для защиты акватории и пляжа. Патент РФ N 1836522, Бюлл. изобр. N 31 от 23.08.93 (Соавторы Мальцев В.П., Заболонков Р.Н., Николаевский М.Ю.).

14. Computer System for Prognosis of Wind Waves.- The Second Workshop of NATO TUAVAVES/Black See, August, 2-4 METU-Ankara (Turkey), 1994.

15. Пляжезащитное сооружение,- Патент РФ N 2017880. Бюлл. Изобретателя N 15, 1994,с.97 (Соавторы Гергель Э.С., Мальцев В.П.).

16. Разработка и исследование островного пляжного комплекса.- Гидротехническое строительство, N11, 1993,с. 15-17 (Соавторы Мальцев В.П., Николаевский М.Ю.).

17. Методика расчета обрушения волн в рамках теории мелкой воды. 4-я конф. "Динамика и термика рек, водохранилищ, внутренних и окраинных морей",- М.:РНК МАГИ 1994, с.222-223.

18. Первая очередь автоматизированной системы мониторинга Калининградского побережья Балтики,- 4-я конф. "Динамика и термика рек, водохранилищ, внутренних и окраинных морей",- М.:РНК МАГИ,1994, с.224-226 (Соавтор Николенко А.А.).

19. Программный комплекс гидродинамических и литодинамических расчетов "Берег", Версия 3.0,- Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ в РФ, N 950056, РосАПО,17.02.1995 (Соавтор Николенко А.А.).

20. Автоматизированная система прогнозирования штормовых деформаций на отмелых песчаных берегах Балтики.- XIX Международная конф. "Современные проблемы изучения берегов",- С.Петербург, 1995 (Соавторы Болдырев В.Л., Макарова И.Л.).

21. Program complex for muddiness circulation in the surf zone.- Water Pollution 95 (Modelling, Measuring and Prediction).- Porto Carras, Greece, 1995.

22. Новые подходы к управлению береговыми процессами,- XIX Международная конф. "Современные проблемы изучения берегов",- С.Петербург, 1995 (Соавтор Мальцев В.П.).

23. Структура банка данных и прогностического комплекса системы мониторинга берегов,- XIX Международная конф. "Современные проблемы изучения берегов".-С.Петербург, 1995 (Соавтор Николенко А.А.).

24.Автоматизированная система прогнозирования ветрового волнения.- XIX Международная конф. "Современные проблемы изучения берегов",- С.Петербург, 1995 (Соавтор Юренко Ю.И.).

25. Трансформация и разрушение волн на береговых откосах в приближении теории мелкой воды.- Современные проблемы комплексного исследования морей.- Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. -М, 1995, с. 25.

26. Комплексное управление динамикой прибрежной зоны бесприливных морен на основе математического моделирования.- Современные проблемы комплексного исследования морей.- Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. - М, 1995, с. 58-59 (Соавторы Николенко А.А., Юренко Ю.И.).

27. Новые конструкции портовых и берегозащитных сооружений из сквозных блоков.-Гидротехническое строительство, N 1, 1996, с.47-51 (Соавтор Мальцев В.П.).

28. Complex Computer System for Monitoring of Littoral Processes.- Technological Civilization impakt on the environment/International Symposium, Karlsrue, Deutchland, 22-26 April, 1996.

29. Русловые и гидравлические расчеты при проектировании переходов через водотоки. Учебное пособие.- МАДИ-М.,1989, 50 стр. (соавторы Андреев О.В., Холин А.С.).

30. Берегозащитные сооружения и пляжи. Учебное пособие. Сочинский Институт Курортного дела и Туризма, 1996, 177стр.

31. Методические указания к выполнению оценки воздействия на окружающую среду при курсовом и дипломном проектировании,- Сочинский Институт Курортного дела и Туризма, 1996, 25 стр. (Соавторы Шевцов B.C., Измайлов Я. А.).

32. Методические указания к выполнению курсовой работы "Расчет рекреационного морского пляжа".- Сочинский Институт Курортного дела и Туризма, 1996, 48 стр.

33. Estimation of the Shore Protection Environmental Impacts. Application Examples.-Technological Civilization impakt on the environment/International Symposium, Karlsrue, Deutchland, 22-26 April, 1996 (Соавтор Дрейзис Ю.И.).

34. Результаты работы Межведомственной комиссии по спасению Черного моря от экологической катастрофы,- Первый научно-технический семинар "Строительство в прибрежных курортных регионах", Сочи, 1996, с, 40-42.

35. Автоматизированная система прогнозирования береговых процессов и качества воды в прибрежной зоне Черного моря.- Первый научно-технический семинар "Строительство в прибрежных курортных регионах", Сочи, 1996, с. 35-37.

36. Новые конструкции гидротехнических сооружений из сквозных блоков,- Первый научно-технический семинар "Строительство в прибрежных курортных регионах", Сочи, 1996, с. 37 - 40 (Соавтор Мальцев В.П.).

37. Principeles of assessment of impacts on the environment: examples of using such principles in engineering for coastal protection.- Proc.of the First Int. Conf. on Marine Industry MARIND'96, 2-7 June 1996, Varna, Bulgaria, vol.1, p.p.279-295 (Соавторы Дрейзис Ю.И., Кантаржи И.Г.).

38,Optimization of Littoral Processes management.- Proc.I-st Int. Conf."Port, Coast, Environment" 30.06-04,07.1997, Varna, Bulgaria, Vol.1, p. 136-140.

39.Experience of teaching of a rate "Sea Coastal Protection Structures and Beaches" in Sochi Institute of Tourism and Recreation.- I-st Int. Seminar on "Teaching Integrated Coastal Management", May 29-30,1997, S.Petersburg, p.23-24.

40.Прогнозирование и управление береговыми процессами на основе комплексной автоматизированной системы,- Межд. Научно-практическая конференция "Проблемы защиты прибрежных территорий от оползней и абразии", Ялта, 1997, с.14-16.

41. Автоматизированная система мониторинга Калининградского побережья Балтики.- Гидротехническое строительство (в печати).

42. Определение оптимального расположения и конфигурации дополнительных оградительных сооружений на внешней акватории Новороссийского порта. - Гидротехническое строительство (в печати, соавтор Горгуца Ю.В.).

43. Прибрежная зона Большого Сочи - проблемы и перспективы.- Сб. Трудов СГУТ и КД (в печати, соавторы Мальцев В.П., Даурова Е.Г., Юренко Ю.И.).

Тип. ВШШГ, 3. 20.'. Т. 120. 2и (>3.98.