Островные порты, как видно из названия, располагаются на островах и не имеют сухопутной связи с берегом. Они создаются для перевалки грузов с судов одного типа на другие или для при­ема судов, которые ввиду большой осадки не могут подойти к при­чалам главного порта.

По годовой продолжительности эксплуатации порты на внут­ренних водных путях подразделяют на постоянные и временные. Постоянные порты эксплуатируются в течение всей навигации. Временные сезонные порты функционируют только часть навига­ции, что обусловливается гидрологическими условиями (продол­жительностью периода высокой воды, когда возможен подход су­дов к причалам) или сезонностью груза (например, продукции сельского хозяйства). Обычно временные порты не имеют больших размеров — это, скорее, пристани. Временные порты, строя­щиеся для обслуживания крупных строек и функционирующие все­го несколько лет, за время своей эксплуатации принимают иногда миллионы тонн грузов.

По отношению к уровню воды морские порты бывают откры­тые и закрытые. Закрытые морские порты располагаются в бас­сейнах, отделенных от моря шлюзами или полушлюзами. Благо­даря этому, на закрытой акватории путем поддержания повышен­ного уровня воды снижается амплитуда приливных колебаний, что значительно удешевляет причальные сооружения и облегчает об­работку судов.

По отношению к международной торговле морские порты раз­деляются на порты мирового, международного и внутреннего зна­чения.

Порты мирового значения являются центрами мировой торгов­ли и принимают суда, плавающие по всем морям и океанам. Пор­ты международного значения принимают суда, плавающие в пре­делах того бассейна, на котором расположен сам порт. Порты внутреннего значения, или каботажные порты, обслуживают внутренние перевозки между портами одной лишь страны.

2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЕСТЕСТВЕННОГО РЕЖИМА ПОБЕРЕЖЬЯ

2.1. ОСНОВНЫЕ ПРИРОДНЫЕ ФАКТОРЫ

Транспортные узлы, связывающие водный и сухопутный виды транспорта,—порты—размещаются на речных и морских побе­режьях, где соприкасаются все три среды — атмосфера, вода и су­ша. Соответственно этому основные природные факторы можно подразделить на три группы: метеорологические, гидрологические и геологические.

К метеорологическим и климатическим факторам относятся все явления, происходящие в атмосфере, причем наибольшее зна­чение для портостроения имеют ветры, температуры воздуха и воды, осадки и туманы. Важнейшие гидрологические факто­ры — колебания уровней воды, волнение, течения и ледовый режим.

Помимо основных геологических и геоморфологических фак­торов—геологического строения района, изменяемости берегов и дна, движения наносов и свойств грунтов — большое, а иногда и решающее, значение оказывает и топография района.

Для решения ряда вопросов портостроения важно знать уров­ни грунтовых вод и их дебит, а также химический состав воды и жизнедеятельность водных живых организмов.

Совокупность всех природных факторов в данном районе объ­единяется понятием естественный режим побережья. Для того чтобы при наименьших капитальных вложениях на строительство порта получить наибольший экономический эффект, а также пра­вильно скомпоновать план порта и принять наиболее рациональ­ные конструкции, обеспечивающие бесперебойную работу всех элементов порта, необходимо тщательное изучение всех фак­торов естественного режима. Более того, в результате строитель­ства порта нарушается естественный режим побережья, где до этого взаимное воздействие природных факторов привело к дина­мическому равновесию, и нужно заранее прогнозировать возмож­ные последствия этого вмешательства. Практика портостроения насчитывает немало случаев, когда недостаточная изученность отдельных факторов и ошибки в их количественной оценке явля­лись причиной серьезных аварий сооружений и нарушений нор­мальной работы портов.

2.2. МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Из всех метеорологических факторов наибольшее значение для портостроения, эксплуатации портов и судоходства имеют: ветер, туманы, осадки, влажность и температура воздуха, температура воды.

Ветер. Ветровой режим характеризуется направлением, ско­ростью, продолжительностью и повторяемостью. Знание ветрово­го режима особенно важно при строительстве портов на морях и водохранилищах. От ветра зависят направление и интенсивность волнения, которые определяют компоновку внешних устройств порта, их конструкцию и направление водных подходов к порту. Господствующее направление ветра должно также учитываться при взаимном расположении причалов с разными грузами.

Температура воздуха и воды. Температуру воздуха и воды из­меряют на гидрометеостанциях в те же сроки, что и параметры ветра. Данные измерений оформляют в виде годовых графиков хода температуры. Основное значение этих данных для порто­строения состоит в том, что они определяют сроки замерзания и вскрытия бассейна, от чего зависит длительность навигации.

Туманы. Туманы возникают в тех случаях, когда упругость водяного пара в атмосфере достигает упругости насыщенного па­ра. В этом случае водяной пар конденсируется на частицах пыли или поваренной соли (на морях и океанах) и эти скопления в воз­духе мельчайших капель воды образуют туман. Несмотря на раз­витие радиолокации, движение су­дов в тумане все же ограничено, а) При очень густом тумане, когда уже на расстоянии нескольких де­сятков метров не видны даже круп­ные предметы, иногда приходится прекращать и перегрузочные ра­боты в портах. В речных условиях туманы довольно кратковременны и быстро рассеиваются, а в некото­рых морских портах они бывают затяжными и держатся неделями. Исключительным в этом отно­шении является о. Ньюфаундленд, в районе которого летние тума­ны иногда держатся 20 дней и более. В некоторых отечественных морских портах на Балтийском и Черном морях, а также на Даль­нем Востоке в году бывает 60—80 дней с туманами.

Осадки. Атмосферные осадки в виде дождя и снега следует учитывать при проектировании причалов, на которых перегружа­ются грузы, боящиеся влаги. В этом случае необходимо предус­матривать специальные устройства, предохраняющие место пере­грузки от осадков, или при оценке расчетного суточного грузообо­рота учитывать неизбежные перерывы в работе причалов. При этом имеет значение не столько общее количество осадков, как число дней с осадками. В этом отношении одним из “неудачных” портов является Санкт-Петербургский, где при общем количестве осад­ков около 470 мм в год в отдельные годы бывает более 200 дней с осадками. Данные об осадках получают от Госметеослужбы РФ.

2.3. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Колебания уровня воды. Эта важнейшая гидрологическая ха­рактеристика определяет не только высотные отметки территории порта и глубины на подходах и у причалов, но и форму крепления берега и конструкцию причальных сооружений. При значитель­ных амплитудах колебаний уровня на свободных реках становит­ся нерентабельным применение вертикального крепления берега и приходится переходить на менее удобное в эксплуатации откос­ное или полуоткосное.

Основной причиной изменения уровня на свободных реках яв­ляется сезонное изменение расхода воды, хотя на ход уровней мо­гут оказывать влияние и естественные переформирования русла реки и ледовые зажоры и заторы. В многолетнем периоде можно заметить существенное влияние деятельности людей на уровни во­ды. Так, на некоторых реках, где интенсивно проводились выправительные и дноуглубительные работы, замечается общее значи­тельное снижение уровней воды, создающее серьезные затрудне­ния в эксплуатации ранее построенных причалов.

На падение уровней могут оказать значительное влияние и большие расходы воды, забираемой на орошение и водоснабже­ние.

С образованием водохранилищ, имеющих большое зеркало водной поверхности, на ход колебаний уровня воды начинает влиять ветер. При действии ветра на поверхность воды на значи­тельном протяжении, в результате трения между воздухом и во­дой, возникает сначала движение поверхностных частиц, которое затем, передаваясь на глубину, образует ветровое течение. Это те­чение способствует повышению уровня у наветренного берега— нагону, и понижению у подветренного — сгону. Амплитуды нагонов и стонов воды на водохранилищах могут в отдельных случаях достигать 1 м и больше.

Еще более значительное влияние ветровые нагоны и сгоны имеют у отмелых берегов морей, в длинных сужающихся заливах и устьях рек. Здесь амплитуды колебания уровня достигают иног­да 2—3 м. Так в устье Волги подъем воды при нагоне достигает 2 м, а понижение при сгоне — 1 м. В устье Дона — соответствен­но 2.5 и 2 м. В устье р. Невы неблагоприятное сочетание ветрово­го нагона с влиянием циклонов приводит к наводнениям, при которых уровень реки повышается более чем на 4 м.

У берегов открытых морей происходят приливно-отливные ко­лебания уровня под действием астрономических факторов. В от­личие от нагонов и сгонов воды, которые по существу случайны, приливы и отливы строго периодичны.

Приливы и отливы на Земле формируются главным образом под действием притяжения Луны и Солнца. Каждая час­тица водной оболочки Земли будет притягиваться Луной. Кроме того, на эту же частицу действуют центробежные си­лы от вращения Земли и Луны вокруг оси, проходящей через центр тяжести системы Земля—Луна. В результате сложения этих сил водная оболочка Земли должна деформиро­ваться. В каждой точке земной поверхности в период лунных суток, равных 24 ч 50 мин, дважды наступает прилив (полная вода) и дважды отлив ('малая вода).

Так как приливообразующая сила прямо пропорцио­нальна массе и обратно пропор­циональна кубу расстояния, то нетрудно вычислить, что действие Солнца будет примерно в 2.4 ра­за слабее действия Луны. Когда Луна, Земля и Солнце находятся на одной пря­мой, приливообразующие силы.

Луны и Солнца складываются и высота прилива будет наиболь­шей: При квадратурах, когда угол между направлениями с Земли на Луну и Солнце близок к прямому (первая и последняя четвер­ти Луны), приливообразующие силы Луны и Солнца противо­действуют и высота прилива будет наименьшей.

Изложенная выше “астрономическая” схема приливных явле­ний в значительной степени корректируется “земными” причина­ми. На общую картину этих явлений накладывается прежде все­го влияние инерции водных масс, а различные глубины моря, рельеф дна и очертания берегов в еще большей степени искажа­ют правильный периодический характер приливов и отливов. Вре­мя запаздывания момента наступления полной воды по сравне­нию с моментом прохождения Луны через меридиан называется лунным промежутком. Средний лунный про­межуток называется прикладным часом порта.

Амплитуды приливно-отливных колебаний уровня воды в от­крытых морях и океанах невелики — 1.5—2.0 м. Однако около морских берегов, в местах значительного влияния дна и берегов, и в особенности в глубине сужающихся заливов, происходит зна­чительное усиление приливно-отливных явлений. Так, например, в заливе Фунди в Северной Америке амплитуда приливов и отли­вов достигает 15 м, у Атлантического берега Франции она изменяет­ся от 2 до 12 м, у английских берегов—от 7 до 11 м. В отечест­венных морях эта амплитуда характеризуется следующими величинами: у Мурманского побережья—4.5 м, у горла Белого мо­ря—5.5 м, в Мезенском заливе—6—8 м, в Пенжинской губе Охотского моря — 11 м.

Во внутренних морях приливно-отливные явления выражены весьма слабо: в Балтийском, Черном и Каспийском морях при­ливная амплитуда измеряется всего несколькими сантиметрами.

Волнение. На поверхности любого водоема могут возникать и перемещаться волны. Причины возникновения волн различны” но главными можно считать землетрясения, силу притяжения Луны и Солнца и ветер. Землетрясения, эпицентр которых нахо­дится на дне океана, вызывают сейсмические волны, называемые цунами. Волны эти, почти незаметные для кораблей в открытом море, по мере приближения к берегу постепенно увеличиваются по высоте, и в результате на берег обрушиваются уже волны, высота которых может достигать десятков метров. Последствия воздействия таких волн катастрофичны. В 1896 г. действию цу­нами подверглась северо-восточная часть Японии. В вершинах заливов волны достигали высоты более 30 м, а на других уча­стках побережья, общей протяженностью около 320 км, высота волны была от 4 до 25 м. Волны цунами меньшей разрушительной силы возникают в различных точках земного шара ежегодно. Ввиду того, что от момента землетрясения до подхода цунами к берегу проходят часы, за по­следние годы в ряде стран, подверженных цунами, удалось на­ладить службу предупреждения. Поэтому, хотя эти волны по-прежнему производят опустошительные действия на берегах, но число человеческих жертв сводится к минимуму. Ввиду случай­ной природы цунами ясно, что учет этих волн в инженерных рас­четах сооружений затруднителен и связан с большими затратами при строительстве.

Волны приливные в большинстве случаев проявляются лишь в виде медленного подъема и спада уровней.

Наибольший интерес для портостроения представляют волны, возникающие под действием ветра. Размеры и характер ветровых волн зависят как от скорости ветра и его продолжительности, так и от протяженности водной поверхности, на которой ветер действует на воду. Поэтому на реках, если исключить устьевые участки крупнейших рек (Оби, Енисея, Лены и др.), волны не вызывают каких-либо затруднений для перегрузочных работ у причалов, а силовое воздействие волн на сооружения так мало, что его не учитывают. На крупных водохранилищах высота волн достигает 4 м, а у открытых берегов морей и океанов — 10 м и более. При отсутствии естественной защиты на водохранилищах и морях акватории портов приходится ограждать специальными сооружениями — молами и волноломами, которые подвергаются мощному силовому воздействию волн. Для правильной компонов­ки оградительных сооружений и выбора их конструкции необхо­димо знать как основные параметры волн, так и повторяемость волн по различным направлениям.

Расчеты по определению исходных параметров волн дают их средние значения: высоты Н, дли­ны К и периода Т. Для проекти­рования различных портовых объектов нужно знать высоты волн определенной обеспеченно­сти. Под обеспеченностью любо­го параметра волны в системе волн понимается выраженное в процентах количество волн, у ко­торых числовое значение пара­метра больше или равно, чем у остальных волн в ряду из 100 волн, проходящих непосредствен­но одна за другой через рас­сматриваемую точку акватории.

Большое значение для портостроения имеет дифракция волн — искривление лучей и изменение высоты бегущих волн, огиба­ющих препятствия, или проходящих через узкость. При прони­кании волн на акваторию порта волны распластыва­ются, а так как их гребни постепенно удлиняются, то высота волн довольно быстро уменьшается. На этом принципе основана за­щита акваторий портов от волнения при помощи оградительных сооружений. На акватории порта, кроме дифракции, может про­являться и рефракция волн под влиянием переменных глубин; кроме того, на волновой режим оказывает влияние отраже­ние волн от оградительных и причальных сооружений, а так­же рассеяние энергии волн на участках с малыми глуби­нами.

Течения. На свободных реках скорости течений и их направ­ления зависят от многих факторов, из которых важнейшими яв­ляются уклон реки, изменение уровня воды, плановая форма русла и распределение глубин.