К вопросу об инструментальных измерениях деформаций рельефа дна во время шторма

Проведен анализ современных методов и приборов, используемых для измерения деформаций рельефа береговой зоны, возникающих под воздействием штормового волнения. Описана новая методика, позволяющая проводить измерения положения поверхности дна, сложенного подвижными грунтами, в любой точке береговой з...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2013
Автор:	Удовик, В.Ф.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Морський гідрофізичний інститут НАН України 2013
Назва видання:	Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
Теми:	Современные методы и средства мониторинга и исследования процессов формирования и эволюции экосистемы Азово-Черноморского бассейна
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56912
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	К вопросу об инструментальных измерениях деформаций рельефа дна во время шторма / В.Ф. Удовик // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2013. — Вип. 27. — С. 43-48. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-56912
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-569122014-03-02T03:01:14Z К вопросу об инструментальных измерениях деформаций рельефа дна во время шторма Удовик, В.Ф. Современные методы и средства мониторинга и исследования процессов формирования и эволюции экосистемы Азово-Черноморского бассейна Проведен анализ современных методов и приборов, используемых для измерения деформаций рельефа береговой зоны, возникающих под воздействием штормового волнения. Описана новая методика, позволяющая проводить измерения положения поверхности дна, сложенного подвижными грунтами, в любой точке береговой зоны непосредственно во время прохождения шторма. Приводится описание действующего прототипа прибора для непрерывного измерения положения границы раздела двух сред с различной плотностью. Представлены результаты использования данного прибора в качестве электронной мерной рейки. Описаны дополнительные возможности применения модифицированных вариантов прибора в качестве волнографа и мареографа. Проведено анализ сучасних методів і приладів, що використовуються для вимірювання деформацій рельєфу берегової зони, які виникають під впливом штормового хвилювання. Описано нову методику, яка дозволяє проводити вимірювання розташування поверхні дна, що складається з рухомих ґрунтів, в будь-якому місці берегової зони безпосередньо під час шторму. Наведено опис діючого прототипу приладу для безперервного вимірювання розташування межі розділу двох середовищ різної щільності. Представлено результати використання даного приладу як електронної мірної рейки. Описано додаткові можливості застосування модифікованих варіантів приладу як хвилеграфа і мареографа. The analysis of modern methods and instruments used to measure the deformation of the relief of the coastal zone caused by the action of storm waves was carried out. A new technique that enables to measure the position of bottom surface, which consist of the moving soils, anywhere in the coastal zone directly in the storm was described. There was done a description of the working prototype of the device for the continuous measurement of the position of the interface between two substances with different densities. The results of the use of this device as an electronic measuring rod are presented. Additional possibilities of using modified versions of the instrument as a wave recorder and tide gauge were described. 2013 Article К вопросу об инструментальных измерениях деформаций рельефа дна во время шторма / В.Ф. Удовик // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2013. — Вип. 27. — С. 43-48. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1726-9903 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56912 551.4.012(014) ru Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу Морський гідрофізичний інститут НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Современные методы и средства мониторинга и исследования процессов формирования и эволюции экосистемы Азово-Черноморского бассейна Современные методы и средства мониторинга и исследования процессов формирования и эволюции экосистемы Азово-Черноморского бассейна
spellingShingle	Современные методы и средства мониторинга и исследования процессов формирования и эволюции экосистемы Азово-Черноморского бассейна Современные методы и средства мониторинга и исследования процессов формирования и эволюции экосистемы Азово-Черноморского бассейна Удовик, В.Ф. К вопросу об инструментальных измерениях деформаций рельефа дна во время шторма Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
description	Проведен анализ современных методов и приборов, используемых для измерения деформаций рельефа береговой зоны, возникающих под воздействием штормового волнения. Описана новая методика, позволяющая проводить измерения положения поверхности дна, сложенного подвижными грунтами, в любой точке береговой зоны непосредственно во время прохождения шторма. Приводится описание действующего прототипа прибора для непрерывного измерения положения границы раздела двух сред с различной плотностью. Представлены результаты использования данного прибора в качестве электронной мерной рейки. Описаны дополнительные возможности применения модифицированных вариантов прибора в качестве волнографа и мареографа.
format	Article
author	Удовик, В.Ф.
author_facet	Удовик, В.Ф.
author_sort	Удовик, В.Ф.
title	К вопросу об инструментальных измерениях деформаций рельефа дна во время шторма
title_short	К вопросу об инструментальных измерениях деформаций рельефа дна во время шторма
title_full	К вопросу об инструментальных измерениях деформаций рельефа дна во время шторма
title_fullStr	К вопросу об инструментальных измерениях деформаций рельефа дна во время шторма
title_full_unstemmed	К вопросу об инструментальных измерениях деформаций рельефа дна во время шторма
title_sort	к вопросу об инструментальных измерениях деформаций рельефа дна во время шторма
publisher	Морський гідрофізичний інститут НАН України
publishDate	2013
topic_facet	Современные методы и средства мониторинга и исследования процессов формирования и эволюции экосистемы Азово-Черноморского бассейна
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56912
citation_txt	К вопросу об инструментальных измерениях деформаций рельефа дна во время шторма / В.Ф. Удовик // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2013. — Вип. 27. — С. 43-48. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
series	Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
work_keys_str_mv	AT udovikvf kvoprosuobinstrumentalʹnyhizmereniâhdeformacijrelʹefadnavovremâštorma
first_indexed	2025-07-05T08:10:56Z
last_indexed	2025-07-05T08:10:56Z
_version_	1836793784719900672
fulltext	43 УДК 551 .4 .012(014) В .Ф .Удовик Морской гидрофизический институт НАН Украины, г.Севастополь К ВОПРОСУ ОБ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ ДЕФОРМАЦИЙ РЕЛЬЕФА ДНА ВО ВРЕМЯ ШТОРМА Проведен анализ современных методов и приборов, используемых для измере- ния деформаций рельефа береговой зоны, возникающих под воздействием штормо- вого волнения. Описана новая методика, позволяющая проводить измерения поло- жения поверхности дна, сложенного подвижными грунтами, в любой точке берего- вой зоны непосредственно во время прохождения шторма. Приводится описание действующего прототипа прибора для непрерывного измерения положения грани- цы раздела двух сред с различной плотностью. Представлены результаты использо- вания данного прибора в качестве электронной мерной рейки. Описаны дополни- тельные возможности применения модифицированных вариантов прибора в каче- стве волнографа и мареографа. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА : береговая зона, деформации рельефа дна, измеритель положения поверхности дна, электронная мерная рейка, волнограф, мареограф. Получение натурных данных об изменениях рельефа дна на подводном береговом склоне (ПБС), сложенном подвижными грунтами, непосредст- венно во время воздействия ветрового волнения (ВВ) является одной из важнейших задач при исследовании литодинамических процессов в берего- вой зоне (БЗ). Цель настоящей работы: представить результаты разработки прибора для непрерывного измерения положения поверхности дна в любой точке БЗ непосредственно во время шторма. В настоящее время для исследования деформаций рельефа ПБС исполь- зуются различные методы и средства [1, 2]. Наибольшее распространение получили точечные либо площадные измерения высотных отметок дна по схеме «до шторма – после шторма», не предусматривающей проведение измерений in situ непосредственно во время его прохождения. В основном это обусловлено значительными трудностями, связанными с тем, что инст- рументальные измерения во время шторма должны проводиться в жестких гидролитодинамических условиях, характеризующихся большими придон- ными скоростями волновых течений, перемещением больших объемов вле- комых наносов различной крупности, значительной концентрацией взве- шенных наносов и т. д. Необходимость работы измерительной техники в подобных экстремальных условиях в первую очередь существенно сужает круг физических принципов, которые могут быть использованы при разра- ботке датчиков и вариантов конструкции корпусов приборов, а так же тре- бует полной автоматизации процесса измерений и накопления информации либо передачи данных в режиме реального времени. В связи с этим, в настоящее время существует достаточно узкий круг приборов, позволяющих проводить измерения деформаций рельефа дна при © В .Ф .Удовик , 2013 44 сильном волнении, которые к тому же имеют существенные ограничения по условиям применения, а также определенную зависимость диапазона и точ- ности измерений от параметров окружающей среды. При проведении изме- рений деформаций рельефа дна во время шторма в основном используются приборы, датчики которых устанавливаются в одной точке на фиксирован- ном расстоянии от поверхности дна. Наиболее распространена установка акустических приборов различных типов [3, 4], в том числе работающих по принципу локатора бокового обзо- ра и позволяющих проводить не только высокоточные измерения уровня дна, но и фиксировать параметры микроформ рельефа. Однако данное обо- рудование является дорогостоящим и устанавливается преимущественно на стационарных сооружениях, что снижает возможности получения опера- тивной информации в экспедиционных условиях. Помимо этого имеются существенные ограничения точности измерений, зависящие от количества и состава взвешенного вещества в придонном слое жидкости. Датчик уровня донных отложений ЮО ИО РАН [5] представляет собой электронно-механический прибор для измерения мгновенных значений толщины донных отложений в фиксированной точке. Установка прибора производится путем помещения в грунт на глубину 20 – 40 см. При этом прибор имеет следующие ограничения: максимальный допустимый изме- ряемый вес грунта над мембраной 5 кг; диапазон измерения толщины пес- чаного грунта 0,0 – 0,4 м; максимальная толщина грунта над датчиком в процессе измерения (связана с “арочным” эффектом) 0,25 м. Линейная за- висимость выходного сигнала датчика от толщины слоя песка над ним на- блюдается до толщины слоя 220 мм. При увеличении толщины слоя линей- ность зависимости сохраняется только для крупного песка. Датчик прибора SediMeter [6] представляет собой прозрачный стержень диаметром 20 мм, в который встроен линейный массив из 36 инфракрасных детекторов обратного рассеяния общей длиной 35 см. После последователь- ного включения детекторов аналого-цифровой преобразователь измеряет количество отраженного света. Эти данные позволяют определить положе- ние поверхности дна, а так же получить оценки мутности в придонном слое, как функции отраженного в воде сигнала. В условиях, близких к идеаль- ным, потенциальная точность определения изменения положения границы вода – дно может достигать 0,1 мм. Однако данные, получаемые при натур- ных измерениях в потоках с большой мутностью, не позволяют даже четко определить само положение твердой поверхности дна [7]. Качество полу- чаемой информации также существенно снижается при загрязнении и об- растании прозрачной поверхности корпуса. Метод подвижных шайб [8] основан на измерениях положения метал- лической шайбы, надетой на металлический стержень, заглубленный в грунт, до шторма (L0) и после его окончания (L1), а также измерении поло- жения поверхности дна после шторма (L2) (рис.1). Это позволяет точно за- фиксировать самое низкое положение поверхности дна во время шторма (L1) и условно определить толщину подвижного слоя наносов (h1). Услов- ность заключается в том, что если на определенной фазе процесса деформа- ции рельефа дна происходила аккумуляция донных отложений и отсчиты- 45 Р и с . 1 .Схема перемещения подвижной шайбы и возможный вариант изменения положения поверхности дна во время шторма. ваемая от верхнего конца стержня глубина становилась меньше h2, то фак- тическая толщина подвижного слоя (h2) может существенно отличаться от рассчитанной по результатам измерений (h1). В некоторых случаях, посредством дополнительной установки подвиж- ной рейки с маркерами, так же удавалось с помощью теодолита проводить фиксацию положения шайбы через определенные промежутки времени, что при однонаправленном размыве дна позволяло определить скорости размы- ва в различные фазы шторма [8]. Таким образом, данный метод занимает некоторое среднее положение между измерениями по схеме «до шторма – после шторма» и регистрацией отметок дна во время шторма. В свою очередь, несмотря на указанные недостатки, данный способ из- мерений, помимо низкой себестоимости самого прибора, а также затрат на его установку и обслуживание, имеет следующие дополнительные преиму- щества при сравнении с другими описанными приборами: – положение шайбы всегда достаточно точно отслеживает положение поверхности дна при размыве грунта; – работа прибора не зависит от параметров водной среды, наличия взвеси и водорослей, а так же загрязнения и незначительного обрастания; – конструкция прибора практически исключает возможность механиче- ских повреждений, что позволяет производить его установку непосредст- венно в зоне разрушения волн. В связи с этим, при разработке нового прибора использованы и развиты основные принципы проведения измерений по методу подвижных шайб. При реализации поставленной цели были решены две основные задачи: – разработана конструкция шайбы, позволяющая ее нижней плоскости в определенные моменты находиться на поверхности дна независимо от на- правления изменения глубины под воздействием ВВ; – разработан метод измерения, позволяющий фиксировать положение шайбы на стержне в любой момент времени. Для решения первой задачи были изготовлены и испытаны различные варианты конструкции «самоподнимающейся» шайбы, которая может по- стоянно или кратковременно находиться на поверхности дна даже во время до шторма во время шторма после шторма L0 L1 L2 h1 h2 T 46 уменьшения глубины. Достигается это в ре- зультате преобразования части энергии по- ступательного движения жидкости (горизон- тальной компоненты вектора волнового по- тока) и турбулентных пульсаций скорости в подъемную силу, позволяющую шайбе от- рываться и зависать над поверхностью дна на определенных стадиях волнового цикла. По результатам проведенных испытаний наилучшие показатели достигнуты при ис- пользовании конструкции, в которой подъ- емная сила создается лопастями винта, при- водимого во вращение ротором Савониу- са (рис.2, а), и при использовании особой формы шайбы (рис.2, б), обеспечивающей ее подъем также и в результате прямого «подтекания» по нее потока влекомых наносов. Перемещение шайбы происходит вдоль герметичного полого стержня, заполненного сухим воздухом при атмосферном давлении близком к нор- мальному. Положение шайбы на стержне рассчитывается по результатам измерения времени прохождения ультразвукового сигнала от датчика до отметки нижней поверхности шайбы и обратно при известной скорости его распространения в воздушной среде. Действующий прототип прибора (рис.3) изготовлен в кабельном вари- анте и позволяет проводить измерения в ручном режиме путем считывания информации с ЖК экрана. Корпус прибора успешно прошел испытания на герметичность на глубинах до 15 м, а также на устойчивость к механиче- скому воздействию при размещении в зоне разрушения штормовых волн. В данной версии питание прибора осуществляется от батареи 1Х6LR61/9В и позволяет в ручном режиме произвести до 20000 от- счетов с точностью измерения ± 1 см в рабочем диа- пазоне температуры 0 – 40 ºС. Длина корпуса прото- типа составляет 2,3 м и может быть увеличена до 12 м без потери точности измерений, которую плани- руется довести до значений ± 1 мм, что особенно ак- туально при измерении уровня моря. Разработана схема блока для автономного опроса датчика, считы- вания и обработки информации, накопления и пере- дачи данных потребителю. В настоящее время в рамках работ по изучению и кадастровой оценке пляжей Западного Крыма прибор используется в качестве электронной мерной рейки (ЭМР) [9] для проведения детального промера про- филя ПБС в приурезовой зоне в диапазоне глубин 0 – 1,5 м. В качестве мареографа прибор протестирован на причале ЭО МГИ НАН Украины в пгт.Кацивели. Полученный ход уровня совпадает с данными ста- ционарного мареографа. Испытания прибора в каче- шайба или попла- вок стержень заглушка с датчиком и гермовводом заглушка с датчиком Р и с . 3 .Внешний вид действующего прото- типа прибора. Р и с . 2 .Основные варианты конструкции шайбы. а б 47 Р и с . 4 .Структурная схема проведения измерений, накопления и передачи данных при установке серии приборов. стве волнографа производились как с причала, так и путем постановки на глубине 4 м в виде заякоренной вехи, конструкция которой разработана по принципу вертикального цилиндрического буя [10], что позволило миними- зировать вертикальную и горизонтальную качку стержня даже при значи- тельных высотах ВВ. Расстановка серии приборов в зоне заплеска по схеме, аналогичной приводимой в [11], позволяет измерять на только деформации рельефа пля- жа, но и фиксировать такие параметры потока, как скорость продвижения его передней части и высота нагона. Учитывая инвариантность показаний прибора по отношению к пара- метрам окружающей среды, возможна установка на створе серии однотип- ных приборов с непрерывным охватом береговой зоны от границы макси- мального заплеска на суше до глубины замыкания (в иностранной литера- туре depth of closure) под водой (рис.4), включая зону разрушения волн. По- становка подобных экспериментов позволит получить уникальные данные о механизме переформирования рельефа БЗ под воздействием штормового волнения. В заключение следует отметить следующее: 1. Разработанный прибор позволяет в одной точке проводить синхрон- ные измерения высотных отметок поверхности дна, сложенного подвижны- ми грунтами, и параметров волн непосредственно во время шторма. 2. Простая схема работы прибора, высокая точность измерений, надеж- ность в эксплуатации, а так же незначительные затраты на изготовление и обслуживание, делают его наиболее перспективным для получения натур- ных данных при исследовании литодинамических процессов в БЗ. 3. На базе прибора дополнительно разработаны автономный волнограф, мареограф и ЭМР, которые могут найти применение при выполнении стан- дартных гидрологических и промерных работ, а также при проведении мо- ниторинговых исследований водных объектов всех типов. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Beach erosion monitoring. Results from BEACHMED-e / OpTIMAL Project / Ed. By Enzo Pranzini & Lilian Wetzel.– Fiorentina: Nuova Grafica, 2008.– 231 p. 2. Коровин В.П. Океанологические наблюдения в прибрежной зоне. Учебное по- собие.– СПб: РГГМУ, 2007.– 434 с. 48 3. Peter D. Thorne, Daniel M. Hanes A review of acoustic measurement of small-scale sediment processes // Contin. Shelf Res.– 2002.– v.22.– Р.603-632. 4. Uchiyama Y. Hydrodynamics and associated morphological variations on an estua- rine intertidal sand flat // J. Coast. Res.– 2005.– v.22.– Р.230-243. 5. Косьян Р.Д., Подымов И.С., Пыхов Н.В. (Ред.) Динамические процессы берего- вой зоны моря.– М.: Научный мир, 2003.– 326 с. 6. http://erlingsson.com/Sedimeter/Sensor.html 7. http://www.lindorm.com/products/sed2.php 8. Руководство по методам исследований и расчетов перемещения наносов и дина- мики берегов при инженерных изысканиях.– М.: Гидрометеоиздат, 1975.– 239 с. 9. Гаиский В.А., Гайский П.В. Технологии измерения уровня моря // Морской гид- рофизический журнал.– 2010.– № 4.– С.58-73. 10. Берто Г.О. Океанографические буи.– Л.: Судостроение, 1979.– 215 с. 11. Чечик В.И., Геловани И.Л. О методе измерения скорости течения и деформаций рельефа в зоне заплеска / Проблемы изучения берегов Грузии.– Тбилиси: Мецни- ерба, 1976.– 297 с. М а т е р и а л п о с т у п и л в р е д а к ц и ю 0 5 . 0 8 . 2 0 1 3 г . АНОТАЦІЯ Проведено анализ сучасних методів і приладів, що використовуються для вимірювання деформацій рельєфу берегової зони, які виникають під впливом штормового хвилювання. Описано нову методику, яка дозволяє проводити вимірювання розташування поверхні дна, що складається з рухомих ґрунтів, в будь- якому місці берегової зони безпосередньо під час шторму. Наведено опис діючого прототипу приладу для безперервного вимірювання розташування межі розділу двох середовищ різної щільності. Представлено результати використання даного приладу як електронної мірної рейки. Описано додаткові можливості застосування модифікованих варіантів приладу як хвилеграфа і мареографа. ABSTRACT The analysis of modern methods and instruments used to measure the de- formation of the relief of the coastal zone caused by the action of storm waves was car- ried out. A new technique that enables to measure the position of bottom surface, which consist of the moving soils, anywhere in the coastal zone directly in the storm was described. There was done a description of the working prototype of the device for the continuous measurement of the position of the interface between two substances with different densities. The results of the use of this device as an electronic measuring rod are presented. Additional possibilities of using modified versions of the instrument as a wave recorder and tide gauge were described.

К вопросу об инструментальных измерениях деформаций рельефа дна во время шторма

Репозитарії

Схожі ресурси