Преподавание курса «Гидрологии в высшей школе»: алгоритм расчета скорости ветра над акваторией моря

• БОНДАРЕВА Елена Владимировнакандидат технических наук, доцент кафедры информационных технологий и математики, Сочинский государственный университетbondareva_05@mail.ru

В данной статье выстроен четкий алгоритм по расчету скоростей ветра и выяснено влияние исходных данных по повторяемости ветра на значение расчетных скоростей ветра. Как правило, исходные ветровые данные берутся либо из справочника морского регистра, в котором вся акватория Черного море делится на районы-квадраты, в которых определены характеристики ветра, либо из Справочника. Причем, Справочник составлен по материалам гидрометеорологических наблюдений, производившихся на берегу и в открытом море. Характеристика климатических условий отрытого моря даны на основе материалов наблюдений экспедиционных, транспортных и рыболовецких судов. Обработка судовых наблюдений осуществлялась по одноградусным квадратам, а в прибрежных районах — по частям квадратов, ограниченным соответствующими отрезками параллелей и меридианов и береговой чертой. Приведенные в Справочнике средние месячные величины метеорологических элементов по квадратам моря получены в результате осреднения данных судовых наблюдений либо сняты с синоптических карт. Поскольку скорости ветра над акваторией моря необходимы при вычислении параметров ветровых волн, то в соответствии с нормативной документацией, скорости ветра определены заданной повторяемостью.

Ключевые слова: Черное море, скорость ветра, повторяемость ветра, продолжительность ветра

Данные по скорости ветра используются при определении параметров ветровых волн, которые в свою очередь учитываются при проектировании гидротехнических сооружений, оказывающих на них воздействие. В зависимости от класса капитальности гидротехнического сооружения определяется повторяемость штормов в заданное число лет. В данной статье определим пошаговый алгоритм вычисления скоростей ветра по методике, рассмотренной в [1], с выделением исходных данных и выясним влияние исходных данных по ветровому режиму на значения расчетных скоростей ветра. Для этого сначала на основе данных по ветровому режиму из [2] рассмотрим определение характеристик ветра согласно указанной методике в [1] для города Анапы, расположенном во 2 квадрате Чёрного моря, а затем по [4]. Необходимо отметить, что в статье [1] рассматривалось определение скоростей ветра, повторяемостью 1 раз в 25 лет, для 1 квадрата Черного моря. На рисунке 1 представлена схема расположения исследуемого квадрата Черного моря. Рисунок 1. Схема расположения исследуемого района Черного моря В качестве исходных данных для исследуемого участка акватории используются:

– продолжительность штормов, осредненная за год, представленная в таблице 1; – данные по ветровому режиму за год, приведенные в таблице 2.

– класс проектируемого гидротехнического сооружения (ГС); – количество дней навигационного периода: для рассматриваемого второго квадрата Черного моря – 365 дней:

Таблица 1. Продолжительность штормов, осредненная за год (часы) V (м/с) Продолжительность (сутки) Продолжительность (часы) 5 1,44 34,6 10 0,65 15,6 15 0,42 10 20 0,30 7,2 25 0,24 5,8 5 Таблица 2. Повторяемость скоростей ветра за год,% Градации скорости ветра, м/с Направление ветра, румбы С СВ В ЮВ Ю ЮЗ З СЗ Сумма 0-4 3,9 4,1 2,7 1,9 2,4 3,3 3,9 3,7 25,9 4-8 5,2 6,3 3,6 2,2 3 4,9 5,8 4,9 35,9 8-12 3,3 5,1 2,3 1 1,8 4 4,2 3,2 24,9 12-16 1,1 2,5 0,8 0,2 0,5 1,9 1,7 1,3 10,0 16-20 0,2 0,8 0,2 0,02 0,1 0,5 0,5 0,3 2,62 20-24 0,02 0,2 0,03 - 0,01 0,09 0,07 0,04 0,46 ≥ 24 + 0,02 + - + + + + 0,02 Сумма 13,7 19,1 9,6 5,32 7,81 14,69 16,3 13,5 100 Pw – повторяемость волноопасного направления ветра в долях единицы Pw 0,1370,1900,096 0,053 0,078 0,147 0,162 0,134 На рисунке 2 представлена роза ветров, построенная на основе таблицы 2. Рисунок 2. Роза ветров за год Далее, для основных волноопасных направлений:

– по данным таблицы 2, согласно указанной методике в [1] рассчитывается обеспеченность скоростей ветра в исследуемом районе, которая приведена в таблице 3; – используя данные таблицы 3 вычисляется обеспеченность ветра по градациям скорости каждого направления, приведенная в таблице 4.

– используя данные таблицы 4, строятся режимные функции распределения скоростей ветра по каждому волноопасному направлению, представленные на рисунке 3; – на основе данных по непрерывной продолжительности штормов, повторяемости волноопасного направления ветра, и данных по продолжительности навигационного периода, по формуле [1] определяется расчетная обеспеченность ветра, заданной повторяемостью, которая в свою очередь определяется в зависимости от класса ГС. Расчет производился для ГС 3 класса капитальности, которые в соответствии со СП 58.13330.2012 определяются на воздействие волн шторма, повторяемостью один раз в 25 лет [3]; – на основе расчётных обеспеченностей ветра и рисунка 3 определяются расчетные скорости ветра поэтапно, методом последовательных приближений (третье приближение принимается за окончательное).

Таблица 3. Повторяемость (%) скорости ветра по волноопасным направлениям Градации скорости ветра, м/с Направление ветра, румбы ЮВ Ю ЮЗ З 0-4 35,714 30,730 22,464 24,119 4-8 41,353 38,412 33,356 35,869 8-12 18,797 23,047 27,229 25,974 12-16 3,759 6,402 12,934 10,513 16-20 0,376 1,280 3,404 3,092 20-24 0,000 0,128 0,613 0,433 Таблица 4. Обеспеченность скоростей ветра (%) Градации скорости ветра, м/с Направление ветра, румбы Юго-восточный Южный Юго-западный Западный 0-4 100,000 100,000 100,000 100,000 4-8 64,286 69,270 77,536 75,881 8-12 22,932 30,858 44,180 40,012 12-16 4,135 7,810 16,950 14,038 16-20 0,376 1,408 4,016 3,525 20-24 0,000 0,128 0,613 0,433 5 Рисунок 3. Режимные функции распределения скорости ветра Средняя продолжительность ветра в первом приближении для морей принимается равной 12, а второе и последующие значения определяются из графика зависимости средней продолжительности штормов от скорости ветра [1], построенного по таблице 1 для данного 2 района.

Расчетные скорости ветра для 2 квадрата Черного моря приведены в таблице 6.

Таблица 5. Расчетные скорости ветра для 2 квадрата Черного моря, протяженностью от Ялты до Сочи Румбы tv,час Pw Fn,% V, м/с ЮВ 8,2 0,053 0,070 18,4 Ю 6,7 0,078 0,039 21,8 ЮЗ 5,6 0,147 0,017 26,0 З 5,7 0,162 0,016 25,3 Полученный результат с использованием данных из [2] является частным ответом, который необходимо сравнить с результатом на основе многолетний измерений и обобщений, приведенными в справочнике [4]. Причем, в указанном справочнике, натурные измерения проводились с учетом мелкого дроблениями моря на секторы, и поэтому сведения о характеристики ветра даны по одноградусным квадратам акватории Черного моря. Схема квадратов Черного моря представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема квадратов открытого моря Поскольку исследуемым участком берега является г. Анапа, то в качестве исходных данных из Справочника [4] рассмотрим данные по повторяемости ветра, указанные в нескольких квадратах, прилегающих к рассматриваемому участку берега: 18, 19, 29 и 30.

В таблице 6 приведена осредненная по указанным четырем квадратам открытого моря повторяемость ветра (%) по основным волноопасным направлениям.

Таблица 6. Осредненная по четырем квадратам открытого моря повторяемость ветра (%) по основным волноопасным направлениям Градации скорости ветра, м/с Направление ветра, румбы ЮВ Ю ЮЗ З 1-5 6,725 5,278 6,068 5,815 6-9 3,693 2,965 3,063 3,328 10-15 1,575 0,968 1,655 1,313 16-20 0,120 0,093 0,360 0,193 21-25 0,000 0,000 0,028 0,043 Сумма 12,113 9,303 11,173 10,690 Рw– в долях единицы 0,121 0,093 0,112 0,107 5 Согласно приведенному выше алгоритму и методики [1] по данным таблицы 6 по каждому волноопасному направлению выполнен расчет по градациям повторяемости скорости ветра, вычислена обеспеченность ветра по градациям скорости, построены режимные функции распределения скоростей ветра, вычислены расчетные обеспеченности и скорости ветра в первом приближении, во втором приближении и в третьем приближении с учетом средней продолжительности ветра в каждом приближении.

В таблице 7 представлены значения по продолжительности ветра, обеспеченность ветра и скорость ветра в третьем приближении, которое принимается за окончательное.

Таблица 7. Расчетные скорости ветра над акваторией моря, повторяемостью 1 раз в 25 лет Румбы t, час Pw Fn,% Vn, м/с ЮВ 6,7 0,121 0,025 21,7 Ю 6,8 0,093 0,034 21,6 ЮЗ 5,5 0,112 0,023 26,4 З 5,6 0,107 0,024 26,1 Таким образом, расчетные скорости ветра, определенные на основе данных из [2] и [4] отличаются, что обусловлено крупностью дробления акватории моря на участки, в которых проводились измерения. В данном случае рассматривался весь второй район Черного моря. Если же стоит задача о определении скорости ветра над акваторией определенного участка берега, то надо использовать исходные данные по повторяемости ветра в квадратах, которые прилегают к рассматриваемому участку берега или использовать усредненные расчетные скорости ветра.

Список литературы

1. Бондарева Е.В. Методика расчета скорости распространения волн на черноморском побережье при преподавании курса «Гидрологии» в высшей школе для строительных специальностей // Вестник ГГУ. 2023. № 1. С. 110-117
2. Российский морской регистр судоходства «Справочные данные по режиму ветра и волнения Балтийского, Северного, Черного, Азовского и Средиземного морей», С-Пб, 2006. 450с.
3. СП 38.13330.2018 «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)». Актуализированная редакция СНиП 2.06.04-82*. М., 2019.
4. Справочник по климату Черного моря. Гидрометеоиздат, М., 1974. 406 с.

Скачать