Руководящий документ РД 52.10.865-2017 "Руководство по расчету режимных характеристик морского ветрового волнения" (утв. Федеральной службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды 10 июля 2017 г.)

Дата введения - 1 февраля 2019 г.
Взамен "Методические указания.
Расчет режима морского ветрового
волнения. Вып. 42"

1 Область применения

Настоящий руководящий документ устанавливает порядок проведения расчетов и представления режимных характеристик морского ветрового волнения для основных типов морских акваторий.

Настоящий руководящий документ предназначен для:

- подразделений Росгидромета, производящих наблюдения и предоставление гидрометеорологической информации в прибрежных районах и морских акваториях;

- составителей региональных климатических справочников и пособий;

- организаций, ведущих научные изыскания для работ по освоению морского шельфа Российской Федерации, в том числе для проектирования, строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений.

2 Нормативные ссылки

В настоящем руководящем документе использованы ссылки на следующие нормативные документы:

Р 31.3.07-01 Указания по расчету нагрузок и воздействия волн, судов и льда на морские гидротехнические сооружения

СП 38.13330.2012 Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)

Примечание - При пользовании настоящим руководящим документом целесообразно проверять действие ссылочных нормативных документов.

Если ссылочный нормативный документ заменен (изменен), то при пользовании настоящим руководящим документом следует руководствоваться замененным (измененным) нормативным документом. Если ссылочный нормативный документ отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины и определения

В настоящем руководящем документе применены термины с соответствующими определениями:

3.1 ветровое волнение: Колебательное движение воды, вызванное ветром при его воздействии на свободную поверхность.

3.2 гидрометеорологическая помеха: Сочетание нескольких гидрометеорологических факторов (в том числе и параметров ветрового волнения), препятствующих работам в море в течение определенного промежутка времени.

3.3 главный профиль волны (профиль волны): Линия пересечения взволнованной поверхности с вертикальной плоскостью в направлении луча волны.

3.4 дифракция волн: Искривление фронтов и изменение высот бегущих волн, огибающих препятствия (сооружения, острова, мысы и др.).

3.5 длина волны: Горизонтальное расстояние по лучу волны между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле.

3.6 длина разгона волн (разгон волн): Протяженность охваченной ветром акватории, измеренная по направлению ветра до расчетной точки.

3.7 критическая глубина: Глубина, при которой происходит обрушение волн.

3.8 луч волны: Линия, перпендикулярная фронту волны.

3.9 направление распространения волн: Направление перемещения волны, определяемое за короткий интервал времени порядка периода волны.

3.10 обеспеченность значения элемента волнения в режиме: Вероятность превышения порогового значения элементом волнения в один из сроков наблюдений или за указанный период времени.

3.11 обеспеченность значения элемента волн в системе: Вероятность превышения порогового значения элементом индивидуальной волны за период времени между сроками наблюдений.

3.12 окно погоды: Период времени с высотами волн ниже заданного уровня.

3.13 оперативные характеристики ветрового волнения: Сочетания параметров морского ветрового волнения, имеющие частую повторяемость.

Примечание - Такие характеристики также называют нормальными, фоновыми, эксплуатационными.

3.14 основные элементы волнения (элементы волны): Высота, длина, период, скорость, направление распространения волны.

3.15 период волны: Интервал времени между прохождением двух смежных вершин волн через фиксированную вертикальную плоскость.

3.16 период повторяемости: Статистически средний интервал повторения определенного события в течение длительного периода времени.

3.17 расчетные характеристики ветрового волнения: Сочетания параметров морского ветрового волнения, имеющие редкую повторяемость.

Примечание - Такие характеристики также называют экстремальными.

3.18 расчетный шторм: Шторм повторяемостью один раз в заданный период времени (например, 25, 50 или 100 лет) и характеризующийся максимальными за этот период высотами волн.

Примечание - Разным направлениям волн могут соответствовать различные расчетные штормы.

3.19 режимные характеристики морского ветрового волнения: Сочетания статистических параметров морского ветрового волнения с оценкой их повторяемости.

3.20 рефракция волн: Искривление фронтов и изменение высот бегущих волн под воздействием течений или обусловленное изменением глубины на мелководье.

3.21 скорость волны: Скорость перемещения в данной точке гребня волны вдоль луча волны.

3.22 трансформация волн: Изменение высоты и длины бегущих волн, искривление их фронтов под воздействием рельефа дна, препятствий, течений.

3.23 фронт волны: Линия на плане взволнованной поверхности, проходящая по вершинам волны.

3.24 шторм: Период времени с высотами волн выше заданного уровня.

3.25 штормовой нагон/сгон: Повышение/понижение уровня воды в акватории относительно среднего уровня, вызванные воздействием ветра и уменьшением атмосферного давления в шторме.

4 Расчет элементов волн в различных акваториях

4.1 Общие положения

4.1.1 На рисунке 1 изображены главный профиль и элементы волны.

Расчетный уровень моря определяется с учетом сезонных и годовых колебаний, ветрового нагона и сгона, приливов и отливов.

Средняя волновая линия (см. рисунок 1) пересекает запись волновых колебаний так, что суммарные площади выше и ниже этой линии одинаковы.

4.1.2 Основными параметрами (статистическими характеристиками) морского ветрового волнения являются:

- средняя высота и высоты заданной обеспеченности;

- средняя длина и длины заданной обеспеченности;

- средний период и периоды заданной обеспеченности;

- направление распространения волн;

- средняя скорость распространения волн;

- средняя крутизна волн (отношение высоты волны к ее длине).

4.1.3 Статистические характеристики ветрового волнения в фиксированной точке акватории в каждый момент времени определяются распределением скорости и направления ветра над исследуемой акваторией, продолжительностью действия ветра, длиной разгона волн, глубиной места, рельефом и уклонами дна и конфигурацией береговой черты бассейна.

4.1.4 Расчеты элементов волн на открытых акваториях необходимо производить с учетом деления морей на акватории и зоны по уклонам дна и глубинам:

- глубоководная акватория - с глубиной , где дно не влияет на элементы волн, - средняя длина волн на глубокой воде;

- мелководная акватория - с глубиной , с уклоном дна или при практически горизонтальном дне;

- зона трансформации - область уменьшающихся глубин с уклонами дна i* > 0,001, по которой волны распространяются из глубоководной или мелководной акватории;

- прибойная зона - с глубинами от критической глубины до урезовой глубины , в пределах которой начинается и завершается разрушение волн;

- приурезовая зона - с глубиной менее , в пределах которой происходит накат волн на берег, т.е. поток от обрушенных волн периодически набегает на береговой откос или пляж;

- зона дифракции - акватория, огражденная одиночным молом, сходящимися молами, волноломом или комбинациями перечисленных типов сооружений.

4.1.5 Превышение вершины волны над расчетным уровнем , м, (см. рисунок 1) для перечисленных акваторий и зон, исключая приурезовую, следует принимать согласно требованиям СП 38.13330.

4.1.6 Элементы волн на открытых глубоководных и мелководных акваториях, в зоне трансформации, прибойной зоне и на огражденных акваториях необходимо определять в соответствии с 4.2-4.6 и требованиями СП 38.13330.

4.1.7 Методы расчета скорости ветра, в том числе с использованием региональных моделей атмосферной циркуляции, приведены в приложении А. Расчет изменений уровня моря и описание моделей морской гидродинамики приведены в приложении Б. Применение моделей требует верификации результатов расчетов по данным натурных изысканий.

4.1.8 Методы определения параметров волнения с использованием моделей ветровых волн приведены в приложении В. Применение численных методов требует тестовой проверки по формулам (1), (2) и верификации результатов расчетов по данным натурных изысканий.

4.2 Элементы волн на глубоководной акватории

4.2.1 Среднюю высоту волны на глубоководной акватории , м, при простых условиях волнообразования (ветер постоянной скорости и направления, прямолинейный берег) необходимо определять с учетом скорости ветра, а также длины разгона или продолжительности действия ветра, согласно Р 31.3.07, по формулам

, (1)

, (2)

где - скорость ветра, м/с, на высоте 10 м с осреднением 10 мин;

g - ускорение свободного падения, ;

L - длина разгона, м;

t - продолжительность ветра, с.

Способы определения приведены в А.1.3 (приложение А).

По значениям безразмерных параметров и , следует вычислять значения и принимать меньшую величину.

4.2.2 Средний период волн , с, и среднюю длину волны , м, следует определять по формулам

(3)

(4)

4.2.3 Высоту волны i %-й обеспеченности в системе волн , м, необходимо определять по формуле

,

(5)

где - обеспеченность высоты волны (доли единицы);

d - фактическая глубина места, м;

- коэффициент перехода к высоте волны i %-й обеспеченности.

4.2.4 При сложной конфигурации береговой черты среднюю высоту волны , м, необходимо определять по формуле

, (6)

где , м, (при n = 1; ; ; ) - средние высоты волн, которые должны приниматься согласно формулам (1), (2), по расчетной скорости ветра и проекциям лучей , м, на направление главного луча, совпадающего с направлением ветра. Лучи проводятся из расчетной точки до пересечения с линией берега с интервалом от главного луча. Конфигурация береговой черты считается сложной, если величина , где и - наибольший и наименьший отрезки лучей, проведенных из расчетной точки в секторе от направления ветра до пересечения с подветренным берегом.

При наличии перед расчетным створом большого количества препятствий в виде островов с угловыми размерами менее 22,5° и суммой угловых размеров более 22,5° среднюю высоту волн в секторе n необходимо определять по формуле

, (7)

где , - соответственно угловые размеры i-го препятствия и j-го промежутка между соседними препятствиями, отнесенные к углу 22,5° (; ) в пределах n-го сектора, назначаемого в интервале от направления луча.

4.3 Элементы волн на мелководной акватории

4.3.1 Среднюю высоту волны на мелководной акватории, , м, с уклонами дна i* < 0,002 необходимо определять по формуле

, (8)

где d - глубина воды в расчетной точке.

Параметр , и высоту волны , м, необходимо определять по формулам (1) и (2), при этом используют наименьшее значение.

4.3.2 Средний период на мелководной акватории необходимо определять по формуле (3) с учетом вычисленных значений . Среднюю длину волны на мелководной акватории , м, необходимо определять по формуле (14) с учетом вычисленных значений .

4.3.3 Высоту волны i %-й обеспеченности в системе волн необходимо определять по формуле (5).

4.4 Элементы волн в зоне трансформации

4.4.1 Высоту волн i %-й обеспеченности в зоне трансформации с уменьшающимися глубинами при уклонах дна необходимо определять по формуле

, (9)

где - коэффициент трансформации;

- коэффициент рефракции;

- коэффициент перехода к высоте волны i %-й обеспеченности, определяемый по формуле (5);

- исходная средняя высота волны на глубоководной акватории.

Коэффициент трансформации , необходимо вычислять по формулам

, (10)

, (11)

Коэффициент рефракции должен определяться по формуле

, (12)

где - расстояние между смежными волновыми лучами в глубоководной зоне, м; a - расстояние между теми же лучами по линии, проходящей через заданную точку мелководной зоны, м.

Лучи волн на плане рефракции в глубоководной зоне необходимо принимать по заданному направлению распространения волн, а в мелководной зоне их следует продолжать в соответствии со схемой а и графиками б рисунка 2 согласно штриховой линии со стрелками.

Рефракцию участков дна со сложной топографией рекомендуется рассчитывать по численным моделям, приведенным в приложении В.

4.4.2 Высоту волн i %-й обеспеченности в зоне трансформации с уменьшающимися глубинами при уклонах дна необходимо определять по формуле

, (13)

где - обобщенный коэффициент потерь.

Обобщенный коэффициент потерь должен определяться по заданным значениям величины и уклону дна i* в соответствии с таблицей 4.1. При следует принимать .

Таблица 4.1 - Значения коэффициента потерь при различных уклонах дна

Относительная глубина	Значения коэффициента при уклонах дна i*
	0,025	0,002-0,02
0,01	0,82	0,66
0,02	0,85	0,72
0,03	0,87	0,76
0,04	0,89	0,78
0,06	0,9	0,81
0,08	0,92	0,84
0,10	0,93	0,86
0,20	0,96	0,92
0,30	0,98	0,95
0,40	0,99	0,98
0,50 и более	1,00	1,00

Коэффициент перехода к высоте волны заданной i %-й обеспеченности необходимо определять по формуле (5).

4.4.3 Длину волн , м, перемещающихся из глубоководной акватории в зону трансформации, необходимо определять по формуле

, (14)

где принимается по формуле (4).

4.5 Элементы волн в прибойной зоне

4.5.1 Глубину первого обрушения волн , м, в прибойной зоне при постоянном уклоне дна необходимо определять по формуле

, (15)

где при

4.5.2 Глубину последнего обрушения волн , м, начиная с которой происходит накат волн на берег, допускается при постоянном уклоне дна i* вычислять по формуле

, (16)

Значение параметра и число обрушений волн n необходимо определять по таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Определение параметров обрушения

Уклоны дна i*	От 0,01 до 0,014 включ.	От 0,015 до 0,033 включ.	От 0,034 до 0,049 включ.	От 0,05 до 0,2 включ.
Параметр	0,755	0,59	0,40	-
Число обрушений n	4	3	2	1

При уклонах дна и значении n = 1 критическая глубина .

При уклонах дна 0,001 < i* < 0,01 необходимо принимать

(17)

4.5.3 Глубину последнего обрушения волн , м, при переменных уклонах дна допускается принимать по результатам последовательного определения глубин для участков с постоянными уклонами дна i*.

4.5.4 Высоту волн в прибойной зоне 1%-й обеспеченности , м, при необходимо определять по формуле

, (18)

где коэффициент , следует принимать в соответствии с 4.5.1.

4.5.5 Длину волны в прибойной зоне , м, следует вычислять по формуле

(19)

4.5.6 Высоту волны i %-й обеспеченности в прибойной зоне , м, необходимо определять по формуле

(20)

Коэффициент перехода к высоте заданной обеспеченности следует принимать по таблице 4.3.

Таблица 4.3 - Зависимость коэффициента перехода от значения обеспеченности

Обеспеченность высоты волны i, %	0,1	1	5	13
Коэффициент	1,15	1	0,9	0,85

4.6 Элементы волн на огражденной акватории

4.6.1 Высоту дифрагированной волны , м, на огражденной акватории необходимо определять по формуле

(21)

где - коэффициент дифракции волн;

- высота исходной волны i %-й обеспеченностью перед входом на акваторию, м.

В качестве расчетной длины волны следует принимать исходную длину на входе в акваторию.

4.6.2 Коэффициент дифракции волн для акватории, огражденной одиночным молом, схема которой приведена на рисунке 3, следует вычислять по формуле

, (22)

где ,

r - расстояние от головы мола до расчетной точки, м;

- угол между лучом исходной волны и осью мола в радианах;

- угол между границей волновой тени и лучом, проведенным от головы мола в расчетную точку в радианах, в зоне волновой тени угол считается положительным, вне зоны тени - отрицательным (см. рисунок 3).

4.6.3 Рекомендуется использовать численные модели (см. приложение В) для акваторий со сложной донной топографией для учета дифракции, отражения и интерференции волн у сооружений различных конструкций, в т.ч. проницаемых. При этом необходимо выполнять тестовую проверку моделей с использованием формулы (22).

5 Режимные характеристики морского ветрового волнения

5.1 Общие положения

5.1.1 Определение режимных характеристик морского ветрового волнения (далее - режимные характеристики) проводится для средних высот, периодов и длин волн, генерального или среднего направления волнения, а также высот, периодов и длин волн i %-й обеспеченности в системе.

5.1.2 Для получения режимных характеристик используются многолетние ряды наблюдений за ветровым волнением на гидрометеорологических станциях или расчеты по полям ветра, используются 4- или 8-срочные данные наблюдений или расчетов.

ГАРАНТ:

Нумерация пунктов приводится в соответствии с источником

5.1.4 Общая продолжительность наблюдений или расчетов должна охватывать период не менее 30 лет.

5.1.5 Режимные характеристики разделяют на 2 группы: частой повторяемости (далее - оперативные характеристики) и редкой повторяемости (далее - расчетные характеристики). К последним относятся, например, шторма или окна погоды, а также гидрометеорологические помехи.

При определении оперативных характеристик допустимо использовать 10-летние ряды наблюдений или расчетов.

5.1.6 При наличии льда длина разгона в формуле (1) рассчитывается не от кромки берега, а от границы неподвижного льда.

5.2 Оперативные характеристики морского ветрового волнения

5.2.1 Важнейшими оперативными характеристиками являются:

- обеспеченности высот h, периодов T волн и длин волн;

- квантили высот h, периодов T и длин волн с вероятностью появления до одного года включительно;

- условные (ассоциированные) P(x|y) статистики волнения, определяемые как вероятность появления периодов волн при данном значении высот волн или направлений распространения волнения при данном значении высот волн.

5.3 Шторма и окна погоды

5.3.1 Шторма и окна погоды характеризуют синоптическую изменчивость ветрового волнения и могут быть представлены системой из четырех величин:

- продолжительность S шторма (положительного выброса траектории высоты волны h(t) за фиксированный уровень Z);

- продолжительность W окна погоды (отрицательного выброса траектории h(t) ниже фиксированного уровня Z);

- максимальное значение , м, высоты волны в шторме уровня Z;

- минимальное значение , м, высоты волны в окне погоды уровня Z.

5.4 Гидрометеорологические помехи

5.4.1 Гидрометеорологическая помеха (далее - помеха) представляет собой набор гидрометеорологических факторов (включающих в себя ветровое волнение), препятствующих работам в море в течение определенного промежутка времени. Режимными характеристиками помех являются: средняя длительность и средний квадрат длительности действия помех , а также вероятность их возникновения . Величины , , и получают по данным наблюдений (не менее 5 лет) за гидрометеорологическим режимом в акватории. Для этого:

а) определяются предельные значения скорости ветра, допустимой температуры воздуха и высоты волнения для данного типа работ. Строится совмещенный хронологический график скорости ветра, температуры воздуха и параметров волнения;

б) полученные значения наносятся на совмещенный график в виде прямых линий, параллельных оси времени;

в) интервалы времени, когда значение хотя бы одного гидрометеорологического фактора выходит за допустимые границы, проецируются на общую ось времени. Если в течение некоторого промежутка времени работы в море прерываются одним или несколькими гидрометеорологическими факторами, то данный промежуток времени необходимо считать длительностью действия помехи;

г) по полученным значениям длительности помех рассчитываются величины , , и по формулам

; ; ; (23)

где T - длительность рассматриваемого периода, сут;

- длительность i-й помехи, сут;

m - количество помех за период Т.

5.5 Расчетные характеристики морского ветрового волнения

5.5.1 Определение расчетных характеристик (редкой повторяемости) должны проводиться на основе данных многолетних наблюдений и/или решения численной гидродинамической задачи генерации и распространения ветрового волнения. Модель ветрового волнения должна учитывать известные процессы, влияющие на генерацию и распространение ветровых волн и зыби. К ним относятся: распространение и рефракция ветрового волнения, взаимодействие ветра и волн, нелинейные взаимодействия в спектре ветрового волнения, диссипация ветрового волнения, донное трение и обрушение ветрового волнения в приурезовой зоне. Исходные поля ветра задаются с учетом неоднородности и нестационарности ветрового потока над морем.

5.5.2 Расчетные режимные характеристики ветрового волнения в глубоководных и мелководных акваториях рассчитываются по вероятностным моделям, приведенным в приложении Г, на основании штормовых или годовых максимумов ветрового волнения.

5.5.3 Для мелководной акватории при глубине и с уклонами дна i* < 0,002 допустимо определять предельно большую для данной акватории среднюю высоту волны по формуле

. (24)

5.5.4 Расчетные характеристики в зоне трансформации, в прибойной зоне и на акваториях с ограждениями определяются по соответствующим расчетным характеристикам в глубоководных и мелководных акваториях. Данные характеристики используются как граничные условия с последующей трансформацией их процессами донного трения, рефракции, дифракции и обрушения волн в приурезовой зоне.

5.6 Расчетные характеристики в тропических циклонах

5.6.1 Повторяемость элементов ветровых волн в зонах действия тропических циклонов рассчитывают на основе повторяемостей направлений и скоростей ветра, формирующих эти волны.

5.6.2 Повторяемость направлений и скоростей ветра в зоне действия тропических циклонов необходимо представлять в виде суммы двух составляющих: режима фоновых ветров и режима экстремальных ветров:

, (25)

где - повторяемость скоростей фоновых ветров;

- повторяемость экстремальных скоростей ветра, формируемых тропическими циклонами.

5.6.3 Повторяемость направлений и скоростей фоновых ветров получают путем обработки многолетнего ряда наблюдений или типизации карт барической топографии, с последующим расчетом полей волн и присвоения им вероятностных характеристик соответствующих карт.

5.6.4 Повторяемость направлений и скоростей ветра, формируемых тропическими циклонами, рассчитывают на основе анализа траекторий тропических циклонов и карт барической топографии, соответствующих максимальному развитию каждого их тропических циклонов, за многолетний период по формуле

, (26)

где - количество тропических циклонов, прошедших через зону за время ;

- количество тропических циклонов, прошедших через зону за время ;

- средняя площадь области тропического циклона с данными скоростями и направлениями ветра;

- период наблюдений;

j - номер тропического циклона.

В качестве зоны следует принимать область океана, в которой зарождаются, достигают максимального развития и разрушаются тропические циклоны.

Зону следует принимать в виде квадрата размером , плотность траекторий тропических циклонов в котором за многолетний период может быть принята равномерной.

Значение средней площади области тропического циклона с данными скоростями и направлениями ветра следует определять с помощью номограммы на рисунке 4.

6 Формы представления режимных характеристик морского ветрового волнения

6.1 Повторяемость высот волн

Повторяемость высот волн (3%-й обеспеченности или значительных) по градациям, без учета направлений и с учетом направлений (8 румбов) по месяцам и/или за навигационный период представляется в виде таблицы 6.1.

Таблица 6.1 - Повторяемость высот волн

Высота волны 3%-й обеспеченности , м	Направление волн								Повторяемость без учета напр. f(h)	Обеспеченность без учета напр. F(h)
	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ
От 0 до 0,5 включ.
От 0,5 до 1 включ.
От 1 до 1,5 включ.
Св. 1,5
Всего

6.2 Совместная повторяемость высот и периодов волн

Совместная повторяемость высот и периодов волн строится для высот волн 3%-й обеспеченности и средних периодов. Результаты представляются по интервалам высот и периодов волн, в виде таблицы 6.2. После разбиения на интервалы в таблице приводятся общая повторяемость и обеспеченность высот волн f(h) F(h) и периодов волн , а также соответствующие теоретические значения обеспеченностей Ф(h) и , способ получения которых приведен в приложении Г.

Таблица 6.2 - Совместная повторяемость высот волн и средних периодов волн

, м	Средний период , с					Повторяемость f(h)	Обеспеченность F(h)	Теоретическое значение обеспеченности (h)
	От 2 до 4 включ.	Св. 4 до 6 включ.	Св. 6 до 8 включ.	Св. 8 до 10 включ.	Св. 10
От 0 до 2 включ.
Св. 2 до 4 включ.
Св. 4 до 6 включ.
Св. 6 до 8 включ.
Св. 8 до 10 включ.
Св. 10 до 12 включ.
Св. 12
Повторяемость