Водохранилища, озёра и морские устья рек в судовождении

3. Образование и виды морских устьев рек

Устья крупных рек, впадающих в моря, находятся на стыке речных и морских путей, поэтому они имеют большое значение для судоходства и хозяйственной жизни любой страны. В устьях расположены многие крупнейшие морские и речные порты (Ленинград -- в устье р. Невы, Астрахань -- в устье р. Волги, Архангельск -- в устье р. Северной Двины и т. д.).

Речные воды, поступающие в моря, выносят большое количество наносов, которые осаждаясь в устьях, создают песчаные подводные отмели различных видов.

Устьевая область реки -- это переходная зона от реки к морю, для которой характерно взаимодействие и смещение вод реки и моря и дельтообразование.

Дельтообразование -- процесс отложения и переотложения речных и морских наносов, приводящий к формированию гидрографической сети и подводного и надводного рельефа устьевой области реки.

Устьевая область реки включает устьевой участок реки с частью ее бассейна и устьевое взморье.

Устьевой участок реки -- это часть нижнего течения реки, на которой проявляется влияние моря и происходит дельтообразование.

Устьевое взморье -- часть прибрежной зоны моря, в которой проявляется влияние речного стока и происходит формирование подводной части дельты.

Устьевые взморья могут быть нескольких видов.

Открытое устьевое взморье -- устьевое взморье, расположенное за пределами общей линии морского побережья. - Закрытое устьевое взморье -- устьевое взморье, включающее полностью или частично залив, лиман или эстуарий.

Приглубое взморье -- устьевое взморье, на котором речной поток отрывается от дна и растекается по поверхности более плотных морских вод.

Отмелое взморье -- устьевое взморье, на котором речной поток занимает всю толщу воды до дна.

Бороздина -- подводное русло потока на устьевом взморье.

Свал глубин -- зона резкого увеличения глубин на устьевом взморье.

Различают морские устья рек четырех видов.

Дельта реки (рис. 1) -- устьевой участок реки, в пределах которого происходит ее деление на водотоки.

Морской край дельты реки -- это переходная зона между дельтой и устьевым взморьем, затапливаемая в период половодья,. при нагонах и приливах, а вершина дельты реки -- место отделения от реки первого дельтового рукава.

Дельтовый рукав -- это крупный постоянно действующий дельтовый водоток, отделяющийся непосредственно от реки и имеющий свою гидрографическую сеть. Остальные дельтовые водотоки рекомендуется именовать дельтовыми протоками.

Дельты создаются путем заполнения наносами котловин морских заливов (р. Дунай) или затопленных в результате геологических процессов долин рек (Хатанга, Анабар, Оленек и др.).

Дельты рек занимают большие площади (Лены -- 28 000 км², Дуная -- 3600, Волги -- 15000, Индигирки -- 5000 км² и т. д.). Обычно дельты низменны и болотисты, покрыты богатой растительностью. Образуясь в течение многих столетий, они постепенно продвигаются вперед и наступают на море. При каждом половодье дельты растут, меняют свою форму, расширяются и удлиняются. Например, р. Дунай ежегодно увеличивает длину дельты на 4--6 м, Терек -- на 100 м, Нева ежегодно увеличивает площадь дельты на 50 тыс. м².

Судоходство в дельтах из-за малых глубин, узости и переменчивости фарватера затруднительно. К примеру, дельта Северной Двины имеет много рукавов, но подход к Архангельску осуществляется только по одному узкому рукаву Маймаксе, который мелководен и интенсивно заносится.

Губа (рис. 2) -- это устье в виде широкого и длинного залива моря. Такие устья имеют наши северные реки (Обская губа, Мезенская, Онежская).

Губы имеют очертания продолговатой формы, являющиеся как бы продолжением речных берегов. Большое влияние на такие устья оказывают впадающие реки, вода в губе опресненная и по цвету отличается от морской. На стыке реки и начала губы образуется дельтовидный участок. Обладая в большинстве случаев большими глубинами, губы удобны для судоходства.

Устьевой лиман (рис. 3) -- часть устьевого взморья в виде залива, отделенная косой и превратившаяся в проточный водоем, сформированный при отсутствии приливных явлений.

Лиман представляет собой затопленную морем долину устьевой части реки или затопленную прибрежную низменность, заполненную Рис. 2. Дельта, Рис. 3. Губа, Рис. 4. Устьевой лиман, Рис. 5. Эстуарий речными наносами. У рек Балтийского моря такие устья называются гафами.

Рис. 2

Рис. 4

Рис. 4

Рис. 5

В лиман часто впадают речные притоки. Лиманы бывают открытые -- соединенные с морем и закрытые -- отделенные от моря косой (к закрытым лиманам относятся, например, Узунларский на Керченском полуострове, Молочный на Азовском море; к открытым -- Днепро-Бугский на Черном море и Ейский на Азовском).

Эстуарий -- часть устьевого взморья в виде глубоко вдающегося в сушу залива, сформированного при воздействии приливных явлений.

Во время прилива вода с моря входит в устье реки, а при отливах, уходя обратно, уносит наносы. Обычно эстуарии имеют большие глубины и доступны для больших морских судов. Подобие эстуария представляют устья наших северных рек (Таймыра, Анабар и др.).

Река выносит в море большое количество наносов, при встрече с относительно спокойной морской водой они отлагаются на широком пространстве. Во время волнений наносы перемещаются обратно к устью реки, образуя песчаный подводный вал-бар.

Устьевой бар -- это подводные отмели, созданные в результате осаждения наносов реки и моря на устьевом взморье. Различают два типа устьевых баров: речной -- в месте втекания речных вод в море и морской -- в месте стыка стокового и морского течений.

Бар лежит на небольшой глубине и отгораживает устье от моря. Морские волны дополнительно пополняют бар наносами, перемещающимися в продольном направлении со смежных участков морских берегов.

Большое влияние на бар оказывают ветры и приливы, которые нагоняя воду, наращивают гребень бара в высоту. Проходя через бар, река разделяется на веерообразные протоки, одни из которых развиваются, а другие отмирают. При дальнейшем росте бара он делится на отдельные острова. Каждая из крупных проток дельты, выходящая непосредственно в море, имеет мелководный бар.

Глубины на баре очень малы. Например, на барах Лены, Печоры, Оби глубины составляют 2--2,5 м, Енисея -- около 6,5 м. В то же время на примыкающем участке реки глубина обычно равна 15--40 м и более.

4. Морские и устьевые побережья

Морское побережье -- полоса суши, примыкающая к морю, рельеф которой носит следы взаимодействия с морем.

Морское побережье как непосредственно в самих устьях, так и вблизи их непрерывно меняется. Это происходит по причинам геологического характера или под влиянием гидрометеорологических явлений (волн, течений, льдов, ветра, осадков, резких изменений температур воздуха и воды).

Волны, разрушая берега, перераспределяют продукты размыва и наращивают в некоторых местах сушу. Часто обломочный материал, переносимый волнами и течением, отлагается в виде отмелей и кос. Даже слабое волнение вызывает перемещение гальки вдоль берега приблизительно на 20 м в сутки.

Растительность также способствует нарастанию суши, так как среди нее непрерывно накапливаются наносы. Это характерно для дельт крупных рек.

Берега, сложенные из твердых кристаллических пород, тоже подвергаются хотя и медленному, но непрерывному разрушению. Можно выделить нижеследующие основные береговые образования.

Берег моря -- часть морского побережья, взаимодействующая с морем в настоящее время.

Лагуна -- акватория, отделенная от моря косою постоянно или временно. Она представляет собой небольшой и неглубокий залив, отделенный от моря сплошной наносной полосой (пересыпью, баром) или сообщающийся с ним узким протоком--гирлом. Лагуны встречаются на Черном море, на восточном берегу Каспийского моря, на Сахалине, Камчатке и Чукотском полуострове.

Гирла -- это рукава или протоки в дельтах крупных рек, впадающих в Черное и Азовское моря (Килийское, Сулинское, Георгиевское гирла в дельте Дуная, донские гирла в Таганрогском заливе Азовского моря и др.). Гирлами также называют проливы, соединяющие лиманы и лагуны с морем (например, на Азовском море).

Бухта--небольшой залив, защищенный от волнения береговыми мысами, выступающими в море.

Пересыпь (кошка) представляет собой скопление наносов в устье лиманов, в узких бухтах или лагунах. Пересыпи образуются в результате уменьшения силы волн моря на границе их встречи с более спокойной водой лимана или бухты. Пересыпи могут полностью перекрывать вход в лагуну, лиман или бухту (например, пересыпь лимана р. Молочной в Азовском море, пересыпь Керченского полуострова и др.). В других случаях в пересыпи остается узкая протока, соединяющая лиман или залив с морем (например, пересыпь Кизилташского лимана на Черном море).

Стрелка -- скопление наносов (аналогичное пересыпи), вытянутое вдоль берега на очень большое расстояние (иногда на сотни километров). Стрелка может отделять лагуны от моря (например, Арабатская стрелка в Азовском море). В некоторых случаях пересыпь и стрелку называют береговым баром.

Коса -- выступающая в море низменная намывная полоса суши, сложенная из песка, гальки, мелкого ракушечника и т. д. (например, Бердянская и Обиточная косы в Азовском море). В тех случаях, когда коса имеет длину, в несколько раз превышающую ее основание, она иногда называется стрелкой (например, коса Долгая в Азовском море).

Лайда -- низменный берег с большой песчаной прибрежной отмелью в северных морях и в устьях рек. Лайда тянется иногда на расстоянии 20--30 км и имеет ширину от 300 м до 2--3 км; она заливается водой и обнажается только при самых низких уровнях воды осенью.

Шхеры -- прибрежный водный район с большим количеством небольших островов, скал и камней.

Морские устья рек имеют разные виды навигационных опасностей. Назовем основные из них.

Бар -- это, как уже говорилось, вал из наносов. Из-за малых глубин и меняющегося фарватера он очень труден для прохождения судов.

Мелководье -- обширное неглубокое пространство.

Мель -- участок дна с малой глубиной (малыми считаются глубины в 10 м и менее).

Отмель -- мель, примыкающая к берегу.

Банка -- отдельно лежащая мель. В большинстве случаев банки расположены вблизи берега и создают опасность для судоходства. Иногда банками называют обширные водные участки с меньшими, чем в окружающем их районе, глубинами.

Риф-- подводная или обсыхающая отмель или банка с твердым грунтом (камень, гравий и т. д.).

Камни -- могут быть подводными, надводными и выступающими в малую воду над водой.

Скала -- отдельное и небольшое по размерам повышение каменистого. дна.

Ямы -- незначительные по протяженности неровности дна, отличающиеся резким увеличением глубин.

На наших северных реках существуют различные местные термины, объяснение которых приведено в соответствующих лоциях. Например, голец -- песчаное отмелое место на фарватере, лешадь -- отмель, усеянная камнями, корга -- каменистая коса или остров и др.

5. Колебания уровней воды в морских устьях рек

Уровень воды при нагоне и сгоне изменяется со скоростью 0,1-- 0,3 м/ч и поднимается на 1--3 м. Нагон в устьях рек распространяется вверх по реке на сотни километров (например, в низовьях Дона подъем уровня достигает 2 м, нагон распространяется на 10 км; в устье Волги нагон доходит до Астрахани, где уровень иногда повышается на 2 м).

Сгоны и нагоны оказывают значительное влияние на судоходство, особенно на барах. При стонах воды уровни воды на баре понижаются на столько, что он становится непреодолимым для судов.

Суда стоят на барах иногда несколько суток, ожидая хотя бы малейшего подъема уровня воды.

Особенно велики стоны и нагоны в устье р. Невы в Санкт-Петербурге. При значительных подъемах уровня воды примерно пятая часть Ленинграда подвержена затоплению. Для нагонных наводнений характерны внезапность, кратковременность и высокая интенсивность подъема и спада воды.

Основной причиной наводнений можно считать следующее. Циклон проходит над морем и как бы подсасывает воду вверх. За счет этого создается гидростатический подъем воды. После того как циклон отойдет к суше, на море создается длинная волна, которая равномерно распространяется во все стороны, захватывая и Финский залив. При этом, если центр циклона уйдет севернее Финского залива, то из-за вращения циклона против часовой стрелки над заливом окажется его периферийная часть, движущаяся с запада на восток, и возникает западный (или юго-западный) ветер, который усиливает движение длинной волны к Ленинграду. А так как залив ближе к городу становится мельче, высота волны увеличивается.

При наводнениях повышается уровень воды не только в р. Неве, но и во всем Финском заливе. При этом у входа в залив высота нагонной волны может быть 30--40 см (у Санкт-Петербурга до 4 м и более метров), а длина волны несколько сот километров. Скорость движения воды в Финском заливе 40--60 км/ч, иногда она может достигать и 100 км/ч. От Таллина до Санкт-Петербурга волна доходит, как правило, за 6 ч. На этом основан эмпирический метод прогноза наводнений.

Рис. 6 Схема гидротехнических сооружений для защиты г. Санкт-Петербурга от наводнений.

По проекту защиты Санкт-Петербурга от наводнений одиннадцать каменно-земляных насыпных дамб пересекут Финский залив от ст. Горская через о. Котлин к г. Ломоносову. Общая их длина составит 25,4 км. Между дамбами разместятся два пролета для прохода судов и шесть водопропускных сооружений.

Непериодические колебания уровней воды в устьях вызываются: также изменением атмосферного давления, заторами льда, неравномерностью стока реки и т. д.

Заторы льда, образующиеся в рукавах дельты, вызывают резкий подъем уровня, например в Архангельске на 5--6 м. В Обской губе подъему способствует ледяной покров в средней и северной частях губы, препятствующий распространению воды.

6. Понятие о приливных явлениях

Приливные явления -- это динамические и физико-химические процессы в водах морей и океанов, вызванные приливообразующими силами.

Приливные колебания уровня воды могут быть от нескольких сантиметров до десятка и более метров в течение суток. В открытой части океанов величина колебания составляет около 1 м, у побережий материков достигает 3--4 м, в вершинах узких заливов иногда доходит до -10 м.

Наибольшая высота прилива, м, в морях:

Балтийском (Киль) . . . . . . 0,07

Баренцевом (Мурманск) . . . . . . 4,0

При плавании вблизи берегов необходимо знать величину прилива на каждый час в данном месте. Сведения о приливах опубликованы в специальных навигационных пособиях. Судоводители обязаны хорошо представлять природу явления и знать терминологию приливов, чтобы, пользуясь пособиями, безошибочно использовать даваемые ими сведения для решения навигационных задач.

Приливы по своей природе можно отнести к волнам. Длина приливной волны достигает 2000 км, а скорость распространения -- 160 км/ч. Благодаря большой длине волна прилива в открытом море остается незаметной для наблюдателя. В приливных волнах частицы воды движутся по очень вытянутым в горизонтальном направлении замкнутым орбитам, причем вертикальная составляющая движения создает приливные колебания уровня, а горизонтальная -- приливные течения.

В настоящее время существуют несколько теорий образования и методов расчета приливных явлений.

Схема расположения приливообразующих сил на поверхности Земли

При вращении Земли вокруг оси О на каждую ее точку действуют силы притяжения Луны Л и центробежные силы Ц, которые возникают от движения Земли и Луны вокруг оси, проходящей через центр тяжести Oi системы Земля--Луна. Таким образом, в каждой точке земной поверхности l, 2, 3 и т. д. образуются две силы Л и Ц, равнодействующую которых П можно определить. Эта равнодействующая называется приливообразующей силой.

Приливообразующая сила в точках /, 3, 5, 7 (вертикальна к поверхности воды и поэтому вызывает лишь изменение ее веса. В точках 2, 4, 6, 8 эта сила направлена по касательной поверхности воды и поэтому вызывает с обеих сторон смещение воды по направлению к точкам 3 и 7, где наступит прилив. В то же время в точках 1 и 5 наступит отлив, и поверхность океана примет форму вытянутого эллипсоида.

Очевидно, что наибольшую величину приливообразующие силы будут иметь в точках зенита .3 и надира 7, а наименьшую -- в точках / и 5. В центре Земли Приливообразующая сила равна нулю.

Кроме Луны, на Землю оказывает воздействие и Солнце. Схема образования приливообразующей силы Солнца такая же, как и для Луны. Приливообразующая сила Солнца (несмотря на его большую массу) в 2,17 раза меньше, чем Луны, так как Солнце удалено от Земли в 390 раз дальше, чем Луна. Обе системы приливообразующих сил существуют независимо друг от друга, но в природе они оказывают взаимное воздействие на образование приливов, поэтому на Земле наблюдается лунно-солнечный прилив.

Наибольший уровень прилива бывает после прохождения Луны через меридиан данного места. Когда Луна находится близко у горизонта, уровень имеет наименьшее значение. Повышение уровня воды происходит при дальнейшем движении Луны под горизонтом. Новый наивысший уровень наступает в момент, когда Луна проходит противоположный меридиан данного места. Затем до восхода Луны происходит понижение уровня и после этого около начала восхода начинается новое повышение уровня воды.

Следовательно, прилив имеет периодический характер, т. е. положения уровня повторяются почти через одинаковые промежутки времени, приблизительно через 12,5 ч. Такого вида приливы называются полусуточными. Они наблюдаются чаще всего в океанах.

При суточном вращении Земли в одной и той же ее точке прилив и отлив будут периодически сменяться два раза в сутки через равные промежутки времени.

На экваторе приливы и отливы будут наибольшими, а при удалении от него к северу и югу величины приливов и отливов уменьшаются. На обоих полюсах колебаний уровня нет и он постоянно понижен.

Под воздействием Солнца образуется такой же приливной эллипсоид, но меньший по размерам. Таким образом, если бы Луна и Солнце вращались постоянно в плоскости экватора с одинаковой угловой скоростью и находились всегда бы на одном и том же расстоянии от Земли, то приливы отличались бы правильностью как по высоте, так и повремени. В этом случае два раза в сутки через равные промежутки времени наступал бы прилив и столько же раз отлив, причем высоты смежных полных и малых вод были бы одинаковы. В действительности природа приливов намного сложнее.

При склонении Луны, равном нулю, большая ось приливного эллипсоида направлена к Луне, поэтому приливы наблюдаются на стороне Земли, обращенной к Луне, и одновременно на противоположной ее стороне.

Любая точка Земли, совершая полный оборот вокруг земной оси, будет иметь Луну на меридиане места не через 24 ч, а через 24 ч 50 мин. Это объясняется тем, что в период оборота Земли Луна продвинется по своей орбите и пройдет еще 50 мин прежде чем для точки наступит кульминация Луны через меридиан данного места. Таким образом, если Луна находится на экваторе, то за период лунных суток будут наступать две полные и две малые воды с соответствующими промежутками между ними в 12 ч 25 мин. В этом случае приливы имеют правильный характер.

Если бы эти условия постоянно сохранялись, то приливы всегда имели бы одинаковое чередование, высоты двух соседних полных и малых вод были бы одинаковы, а промежутки времени между ними-- постоянны.

В природе происходит постоянное изменение склонения Луны и Солнца. Изменяется не только расстояние от Земли до Луны и Солнца, но и их взаимное расположение. Эти причины, влияя на правильный ход приливов, вызывают появление так называемых неравенств приливов.

При своем вращении вокруг Земли за 14 суток Луна меняет свое склонение в среднем от 23° N до 25° S. Полный оборот вокруг Земли Луна совершает за 27 1/3 сут, проходя при этом дважды плоскость экватора.

Следовательно, когда склонение Луны не равно нулю, в высотах смежных полных волн возникает суточное неравенство, носящее название суточного неравенства прилива по высоте.

Промежуток времени от первой полной воды до первой малой воды будет большим по сравнению с промежутком от первой малой воды до второй полной. Неравенство промежутков представляет суточное неравенство по времени.

В течение месяца направление от Земли к Солнцу изменяется немного, а направление от Земли к Луне -- на 360°. Два раза в месяц в периоды новолуний и полнолуний Луна находится в одной плоскости с Солнцем или в так называемой сизигии. Кроме этого, два раза Луна находится в плоскости, перпендикулярной к плоскости Солнца в периоды первой и последней четверти или в квадратуре.

Рис. 7

На рис. 7 для большей наглядности Луна и Солнце изображены в одной плоскости с земным экватором, т. е. их склонения равны нулю, причем полная солнечная вода показана белой полосой, а полная лунная вода -- черной. Легко заметить, что при сизигии приливообразующие силы Луны и Солнца складываются, поэтому прилив будет наибольшим (см. рис. 7), а в квадратуре--вычитаются, поэтому квадратурные приливы по сравнению с сизигийными становятся меньше (см. рис. 7).

Изменение величины прилива между периодами сизигий и квадратур является полумесячным (фазовым) неравенством по высоте.

Так как ежедневно Луна запаздывает с приходом на меридиан Данного места по сравнению с Солнцем на 50 мин, прилив одного дня отличается от прилива другого, что в свою очередь приводит к полумесячному неравенству по времени.

Параллактическое неравенство создается из-за изменений расстояния между Землей, Солнцем и Луной. Изменение расстояний происходит за период в 27 1/3 средних суток. Когда Луна в перигее, ее расстояние до Земли составляет около 57, а когда она в апогее, -- 63,7 земных радиуса. Приливообразующие силы изменяются в зависимости от третьей степени расстояния между светилами, поэтому величина лунных приливообразующих сил в перигее примерно на 40% больше, чем в апогее.

Когда Солнце находится в перигее (2 января), расстояние от него до Земли составляет 22249, а в момент апогея (5 июля) -- 23732 земных радиуса. Величина приливообразующих сил Солнца в перигее на 10% больше, чем при нахождении его в апогее. Период этого неравенства составляет 365,25 сут.

7. Приливы и приливные течения в устьях рек