Александр Козлов
Михаил Козлов
Фото: ocean.ru Сергей Куклев
МНОГОУРОВНЕВАЯ БЕРЕГОЗАЩИТНАЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ДАМБА
SHORE PROTECTING MULTILEVEL INTELLECTUAL DAM
М-р Александр Козлов
Mr. Alexander Kozlov
Ашдод, Израиль
Ashdod, Israel
Email: kavkas@ukr.net tел.: +(972)535320164
Ph.D. Михаил Козлов
Ph.D. Michail Kozlov
Директор Института интеграции и профессиональной адаптации, Нетания, Израиль
Director of Institute integration and professional adaptation, Netanya, Israel
E-mail: 19mike19k@gmail.com tel.: +(972)527 052 460
Ph.D. Куклев Сергей
Ph.D. Kuklev Sergey
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Директор Южного отделения,
Москва, Россия
Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences, Director of the Southern Branch, Moscow, Russia
Email: kuklev@ocean.ru tел.: +7(918)4443754
АННОТАЦИЯ:
На основе базовой концепции развития прибрежной зоны Израиля рассмотрена многоуровневая берегозащитная интеллектуальная дамба, проходящая вдоль побережья от Нагарии до Ашкелона, состоящая, в зависимости от местных условий, из серии эстакад с размещенными под ними преобразователями и дополнительными диссипаторами энергии морских волн, а также серии искусственных подводных рифов с преобразователями энергии морских волн. По всей протяженности интеллектуальной дамбы, по эстакадам, или в туннелях, проложенных в теле подводных рифов, проходит скоростная многополосная автомагистраль, соединяющая все города побережья. В зависимости от автомобильного трафика сообщение с прибрежной дорожной сетью осуществляется с помощью надводных развязок на эстакадах или подводных туннелей.
Ключевые слова: Интеллектуальная дамба, искусственный подводный риф, преобразователи энергии волн, подводный автомобильный тоннель.
SUMMARY:
Based on the basic concept of the development of the coastal zone of Israel, a chore protecting multilevel intellectual dam is considered that runs along the coast from Nahariya to Ashkelon, consisting, depending on local conditions, of a series of bridges with placed under them converters and additional sea waves energy dissipators , as well as a series of artificial underwater reefs with energy converters of sea waves . Throughout the length of the intellectual dam, on overpasses, or in tunnels laid in the body of underwater reefs, a high-speed multi-lane highway has been laid connecting all the cities of the coast. Depending on the volume of car traffic, communication with the coastal road network is carried out using interchanges on bridges or at underwater tunnels.
Key words: Intellectual dam, submerged artificial reef, wave energy converters, underwater car tunnel.
Повышение температуры мирового океана приводит к более сильным штормам. Такая ситуация увеличивает разрушительное влияние волн на побережье [1], в связи с чем повышается актуальность работ по созданию берегозащитных сооружений.
В качестве развития концепции многопрофильной интеллектуальной дамбы (ИД) [2] предлагается многоуровневая берегозащитная ИД, проходящая вдоль побережья от Нагарии до Ашкелона, состоящая, в зависимости от местных условий, из серии эстакад с размещенными под ними преобразователями и дополнительными диссипаторами энергии морских волн, а также серии искусственных подводных рифов (волноломов распластанного профиля с глубоким затоплением гребня) с преобразователями энергии морских волн. По всей протяженности ИД, по эстакадам, или в туннелях, проложенных в теле подводных рифов, проходит скоростная многополосная автомагистраль, соединяющая все города побережья. В зависимости от автомобильного трафика сообщение с прибрежной дорожной сетью осуществляется с помощью надводных развязок на эстакадах или подводных туннелей.
Такое расположение ИД позволит не заслонять вид на морской пейзаж около прибрежных городов и мест курортно-рекреационного назначения, а глубокое затопление гребня волнолома не создаст помехи для плавания маломерным судам.
В местах побережья, где не желательно нарушение подводного берегового склона или где влияние на морской пейзаж не критично (за пределами населенных пунктов), возможно применение расположенной над поверхностью моря ИД. Так как перепад по высоте между автомагистралью в подводном тоннеле и автомагистралью на эстакаде ИД составит не более 20 м, это не повлияет на скоростной режим движения автотранспорта.
Защита берега от разрушительного воздействия морских волн достигается за счет создания на удалении от береговой линии, на подводном береговом склоне, приподнятого участка дна (искусственного подводного рифа), критическая глубина которого достаточна для разрушения волны. При прохождении волны над шероховатой поверхностью гребня рифа происходит ее обрушение, а потери на турбулентное трение приводят к диссипации энергии волны. За счет этого, зона обрушения удаляется от берега, что создает благоприятные условия для накопления песка на пляже.
Такой искусственный подводный риф можно разместить на глубине 7 – 10 м, на удалении от берега на 300 — 400 м. Гребень рифа может быть с ровной поверхностью, также ему можно придать дополнительную макрошероховатость для увеличения турбулентного трения. Для этого можно использовать старые автомобильные покрышки, проницаемые пирамиды, рифовые шары Reef Balls. На рис.1. изображен рифовый шар Reef Balls полусферической формы [3]. Высота такой конструкции составляет 1 – 2 м. Шероховатости и отверстия в ней создают благоприятные условия для колонизации морскими животными и водными растениями.
Рис.1. Рифовый шар Reef Balls [3].
На рис.2. изображена схема искусственного рифа c ровной поверхностью (распластанного волнолома) [4].
Рис.2. Искусственный риф с ровной поверхностью (распластанный волнолом) [4].
На рис.3. изображена схема искусственного рифа с полусферическими шарами Reef Balls [4].
Рис.3. Искусственный риф с полусферическими шарами Reef Balls [4].
Создание непрерывного искусственного подводного рифа (волнолома распластанного профиля с глубоким затоплением гребня) вдоль береговой линии также:
— обеспечивает водообмен в заволноломном пространстве и благоприятные условия для развития живых морских организмов;
— препятствует появлению разрывных течений;
— препятствует оттоку прибойного потока, увеличивая скорость вдольберегового течения, переносящего песок;
— создает полосу ослабленного волнения, что облегчает условия для судоходства на маломерных судах.
По данным [5] в прибрежных водах Израиля приблизительно 90% годовых ветров – слабые, со скорость ветра ниже 6 м/с. При таких скоростях ветра высота волн не превышает 1,6 м. Около 9% годовых ветров являются свежими (скорость ветра от 6 до 10 м/с). В целом, только 1,2% годовых ветров — сильные и превышают 10 м/с. Максимальная скорость ветра 21,8 м/с была зафиксирована во время зимнего шторма 12.12.2010. Во время этого шторма высота волны была больше 6,0 м. Анализ событий экстремальных волн показывает, что раз в 50 лет высота волны составляет около 7,2 м, раз в 100 лет высота волны составляет около 7,6 м, и раз в 200 лет — около 8,0 м.
Исходя из вышеуказанных высот волн, предварительные расчеты понижения высоты волны, после прохождения волны над подводным искусственным рифом с полусферическими шарами Reef Balls были проведены по формуле Armono [4] (1) и формуле (2):
где: KT — коэффициент прохождения волны; Hi — высота подходящей волны, м; T — период волны, с; B – ширина гребня искусственного рифа, м; h – высота искусственного рифа, м; d – глубина воды, относительно поверхности моря, м; g — ускорение свободного падения, 9,81 м/с².
Ht = KT*Hi (2)
где: Ht – высота прошедшей волны, м.
Для расчета приняты следующие параметры подводного рифа: B – ширина гребня искусственного рифа, 50 м; h – высота искусственного рифа, 8 м; d – глубина воды, относительно поверхности моря 10 м.
Расчеты проведены по значениям высот и периодов волн, приведенных в таблице 3 работы [6]. Результаты предварительных расчетов приведены в таблице 1.
Табл. 1. Результаты предварительных расчетов.
На рис.4. показан разрез искусственного подводного рифа с предполагаемыми размерами в м. Угол наклона откосов рифа составляет 26°.
Рис. 4. Разрез искусственного подводного рифа.
В теле подводного рифа проложен туннель для скоростной автомагистрали. Стандартная габаритная высота туннеля составляет 5 м. Для обеспечения безопасности в случае затопления туннель должен быть разделен на отсеки с возможностью герметизации. Также желательно разделить автомагистраль на два параллельных туннеля. В каждом туннеле размещается 5 – полосная дорога. Общая ширина двух туннелей составит до 50 м. Соответственно ширина гребня подводного рифа — волнолома также составит 50 м. Для повышения турбулентного трения проходящих волн на гребне установлены рифовые шары Reef Balls.
Для извлечения энергии морских волн и солнечной энергии на мористой стороне вдоль гребня подводного рифа на сваях устанавливаются преобразователи энергии волн WEC и стойки с солнечными панелями. Для охлаждения поверхности солнечных панелей на них периодически (при достижении критической температуры нагрева) насосом подается морская вода.
Такой комплекс преобразователей энергии морских волн и энергии солнечной радиации можно создать на основе структуры береговой энергетической плотины «НПО Гидроэнергоспецстрой» [7], показанной на рис. 5.
Рис. 5. Общий вид структуры береговой энергетической плотины [7].
Для сообщения скоростной автомагистрали с побережьем можно сделать подводные или надводные развязки. На рис.6. показан мост через залив Циндао в КНР [8]. Как видно развязка занимает площадь около 0,48 кв. км. Поэтому более предпочтительно сооружение надводных развязок на эстакадах, так как они окажут меньшее воздействие на подводный береговой склон.
Рис. 6. Мост через залив Циндао в КНР [8].
Транспортные развязки должны обеспечивать поддержание скоростного режима автомагистрали с учетом объема трафика [9]:
— на участке Нагария – Зихрон-Яаков – 20.000 автомобилей в день;
— Зихрон-Яаков – Нетания – 100.000 автомобилей в день;
— Нетания – Ашдод – 250.000 автомобилей в день;
— Ашдод – Ашкелон – 100.000 автомобилей в день;
Транспортные развязки желательно размещать на некотором удалении от населенных пунктов, чтобы не закрывать горизонт. В местах расположения городов, где необходимо сообщение с берегом, к подводным туннелям примыкают подводные боковые помещения для съезда транспорта с автомагистрали на повороты к берегу. Повороты размещаются над водой на эстакадах. Габаритная высота эстакад не менее 8 м над уровнем моря (с учетом возможной высоты штормовой волны 7 м). Безопасный съезд с эстакад к подводному туннелю обеспечивают надводно-подводные туннели с уклоном 10%.
Также в подводном туннеле должны предусматриваться дополнительные боковые помещения для съезда с полосы движения для отдыха, располагаемые через 5 – 10 км.
Общий вид подводного искусственного рифа – волнолома с туннелями для скоростной автомагистрали и транспортными поворотами к берегу, расположенными на эстакадах, показан на рис. 7.
Рис. 7. Общий вид подводного искусственного рифа – волнолома с туннелями для скоростной автомагистрали и транспортными поворотами к берегу, расположенными на эстакадах.
Длительное движение в замкнутом пространстве негативно влияет на водителя, поэтому желательно выводить автомагистраль на поверхность через каждые 10 – 15 км.
Для вьезда на подводную автомагистраль транспорта из Ашдодского морского порта или с дорог с небольшим объемом трафика можно использовать подводные туннели с автомобильными поворотными кругами (платформами) и гидравлические поворотные лифты-подъемники. Так как средняя скорость поворота круга составляет 360° за 40-60 с, то пропускная способность составит 90 – 120 автомобилей в час.
Выводы:
Результаты предварительных расчетов показывают, что конструкция искусственного подводного рифа может обеспечить комфортный волновой режим в заволноломном пространстве даже во время шторма. Более обоснованные выводы можно сделать по результатам численных экспериментов или лабораторного моделирования на стенде.
БИБЛИОГРАФИЯ:
Damian Carrington. Ocean temperatures hit record high as rate of heating accelerates. The Guardian. 13 Jan 2020.
Козлов А., Козлов М., Полинов С. Концепции формирования локальных кластеров вдоль средиземноморского побережья Израиля // Международная научно-практическая конференция проблемы комплексного устойчивого развития прибрежной зоны сборник трудов. Нетания, Израиль. Изд-во: Print ABC. 2019. С. 25-30.
Harris, L.E., 1995. Engineering design of artificial reefs. Oceans ’95, Marine Technology Society, Washington, D.C., Vol. 2, pp. 1139-1148
Armono, H.D.,2004. Artificial Reefs as Shoreline Protection Structures. Institut Teknologi Sepuluh. Paper presented at Seminar Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan IV, Surabaya.
Marine Policy Plan for Israel: Physical Oceanography, Deep Sea and Coastal zone Overview. Technion City, Haifa. 2014.
Безруков Ю.Ф. Колебания уровня и волны в Мировом океане. Учебное пособие. — Симферополь: Таврический национальный университет им. В.И.Вернадского, 2001.
Аносов В.Н., Егурнов В.Э., Котунов В.В. Разработка методов и конструкций для преобразования энергии морского волнения и защиты морского побережья // Международная научно-практическая конференция проблемы комплексного устойчивого развития прибрежной зоны сборник трудов. Нетания, Израиль. Изд-во: Print ABC. 2019. С. 62-68.
Снимок в Google Earth моста через залив Циндао в КНР.
Statistical abstract of Israel 2012.
Иллюстрация: nizinew.co.il
