Text (PDF):
Read
Download
Введение В 2018 г. общий объём грузов, привезённых по трассам Северного морского пути (СМП), достиг 19,688 млн т [1]. Было перевезено 2 млн 340,1 тыс. т генеральных грузов; 290,8 тыс. т угля; 43 тыс. т руды; 7 млн 810,5 тыс. т нефти и нефтепродуктов; 805,4 тыс. т газоконденсата и 8,399 млн т сжиженного природного газа (СПГ). Основные перевозки грузов выполнялись в Карском море. Для вывоза углеводородов в 2018 г. использовалось 26 судов, которые за год выполнили около 200 рейсов. В режиме круглогодичной навигации в Карском море работали 20 крупнотоннажных танкеров и контейнеровозов с категорией ледового усиления Arc7, в том числе 5 контейнеровозов типа «Норильский Никель», 6 арктических челночных танкеров для перевозки сырой нефти типа 42К и 10 СПГ-танкеров типа Yamalmax. Существующая в акватории СМП сеть судоходных маршрутов формировалась преимущественно для плавания в летний навигационный период с относительно небольшой осадкой судов [2]. Отдельные участки традиционных маршрутов не могут использоваться крупнотоннажными судами из-за малых глубин. Кроме того, часть участков традиционных маршрутов не может использоваться в зимнюю навигацию, т. к. перегораживается льдами, для преодоления которых используются обходные маршруты. В работах [3, 4] в процессе исследования сезонной изменчивости параметров движения крупнотоннажных судов, совершающих самостоятельное плавание в акватории СМП, были зафиксированы значительные боковые отклонения судов от рекомендованных курсов и падение их скорости, связанные с наличием льда на маршруте. При отсутствии льда на маршруте суда шли по одной линии, скорость судов имела наибольшее значение. При увеличении толщины льда боковые отклонения судов от линии генерального направления увеличивались, достигая нескольких десятков миль. Время перехода судов между фиксированными точками по прямой линии во льдах в большинстве случаев превышало время перехода по криволинейным траекториям, на которых толщина льда была меньше. Известно [5], что при движении во льдах самый короткий путь не всегда является самым быстрым. Удлинение пути во льдах во многих случаях позволяет избежать ледовых повреждений и сократить время перехода между двумя точками. Вместе с тем при больших отклонениях от рекомендованных маршрутов судно может попасть в область с недостаточной гидрографической изученностью подводного рельефа и опасными глубинами. Боковые отклонения приводят к сезонному переформированию судоходной сети. Вопрос о системе безопасной сети летних и зимних судоходных маршрутов и их сезонном переформировании в акватории СМП ставится впервые. Задача поиска оптимального маршрута в такой сети имеет важное научное и практическое значение, от решения которой, в том числе, зависят выводы о преимуществах СМП по сравнению с альтернативными южными судоходными путями. В существующих методах поиска оптимальных судоходных маршрутов [6, 7] сезонное переформирование маршрутов не учитывается, что снижает их эффективность. Исследованию плавания судов во льдах посвящено значительное количество работ. В основе проводимых исследований лежат работы, посвящённые определению ледопроходимости судов [8, 9], влиянию льда на маневренные характеристики и скорость судов [10-12], а также работы, посвящённые разработке методов наблюдений, расчётов и прогнозов ледовых и океанографических условий [13, 14], влияния малых глубин и гидрографической изученности рельефа дна [15, 16] на безопасность арктического судоходства. Результаты большинства теоретических исследований подтверждены обширными данными, полученными методами имитационного моделирования, и испытаниями в опытовых бассейнах, а также сравнительно редкими данными натурных испытаний. Последнее объясняется сложностью проведения экспериментов, связанных с изменчивостью ледовых условий, их разнообразием и трудностями сбора достоверной информации о параметрах движения судов по всей акватории СМП. Доступ к архивным и оперативным базам автоматизированных идентификационных систем (АИС) и географических информационных систем (ГИС) [17-20] позволяет осуществлять непрерывный контроль параметров движения всех судов в акватории СМП при различных ледовых условиях и тем самым преодолевать недостатки, присущие традиционным методам проведения натурных морских испытаний. Использование АИС и ГИС позволяет исследовать воздействие ледовых условий на параметры движения одного судна, групп однотипных судов, а также морских транспортных потоков в целом. Целью настоящей работы является исследование процессов переформирования сети судоходных маршрутов в акватории СМП при переходе от летнего навигационного периода к зимнему. Методы и материалы исследования Проводились исследования отклонений пути СПГ-танкеров класса Yamalmax на переходе Карского моря от линии генерального направления между проливом Карские Ворота и линией, расположенной к северу от полуострова Ямал, в ледовых условиях, сложившихся в сентябре, январе и в марте 2018 г. Соответствующие схемы траекторий движения судов приведены на рис. 1. а б в Рис. 1. Маршруты в 2018 г.: а - в сентябре; б - в январе; в - в марте Траектории судов строились по координатам, получаемым с АИС, с дискретностью около 10 мин. Протяжённость прямолинейного участка маршрута между проливом Карские Ворота и островом Белый составила 270 миль. В период наблюдений скорость юго-западного течения не превышала 1 уз. В сентябре на переходе лёд отсутствовал (см. рис. 1, а). Скорость судов изменялась от 13,9 до 16,7 уз при средней скорости 15,3 уз. Все суда двигались параллельными курсами в полосе шириной около 10 миль. Время перехода изменялось от 16,2 до 19,4 ч. Среднее время перехода составило 18 ч. В январе переход был покрыт тонким льдом (см. рис. 1, б). Путевая скорость судов упала на 30 %. Длина пути в среднем увеличилась на 6 %. Ширина полосы движения судов возросла до 30 миль. Время перехода по маршрутам, совпадающим с генеральной линией и отклоняющимся от неё в северном направлении, увеличилось до 30 ч; по маршрутам, отклоняющимся в южном направлении - до 23 ч. В марте переход был покрыт льдом (см. рис. 1, в). Длина пути увеличилась до 56 %. От генеральной линии суда отклонялись преимущественно в южном направлении. Величина отклонений достигала 70 миль. Время перехода по маршрутам, проходящим вблизи генеральной линии, увеличилось до 52 ч. Минимальное время перехода составило 36 ч, достигнуто по пути, длина которого составила 319 миль. Средняя путевая скорость на удлинённом пути - 8,8 уз. Путь, соответствующий минимальному времени перехода, на рисунке обозначен полосой. Для обоснования причин отклонения судна от линии генерального направления разработана модель движения судна во льдах с изменяющейся толщиной льда. Точки А и В обозначают границы прямолинейного участка пути. Направление АВ совпадает с направлением оси Oy. Ось Ox перпендикулярна направлению АВ. Расстояние между точками А и В по прямой линии равно l0. Фактическая протяжённость пути между точками А и В может отличаться от l0 на величину Δl. Схема отклонения судна от линии генерального направления A-B представлена на рис. 2. Рис. 2. Cхема отклонения судна от направления A-B Время перехода по чистой воде между точками А и В определяется выражением где V0 - скорость судна на чистой воде. В случае, когда акватория покрыта льдом, h = ˃ 0, и толщина льда на всей акватории имеет постоянное значение, h = const, путевая скорость судна падает пропорционально отношению толщины льда h и ледопроходимости судна, заданной величиной критического значения толщины льда hкр [5]: Время, затраченное на переход во льдах, описывается выражением (1) Формула (1) соответствует множеству линий, отличающихся между собой удлинением пути Δl, величина которого может изменяться в пределах от 0 до Δlmax→∞. Из выражения (1) следует, что минимальное время перехода во льдах min{ΔTh} затрачивают суда, путь которых проходит по прямой линии, соединяющей точки А и В. При отклонении от прямой линии, когда Δl ˃ 0, время перехода превышает минимальное значение: (2) В общем случае, когда толщина льда распределяется по акватории неравномерно, h ≠ const, соотношение (2) очевидным не является. К простейшей модели относится модель, в которой толщина льда изменяется по линейному закону только в одном направлении. Допустим, что толщина льда на линии АВ во всех точках имеет значение hAB. По мере удаления от линии АВ по направлению Ox толщина льда уменьшается в соответствии с выражением (3) где hx - толщина льда на линии, удалённой от линии АВ на расстояние Δx; Gh - коэффициент изменения толщины льда по направлению Ox. Коэффициент Gh в выражении (3) представляет собой градиент толщины льда, т. к. соответствует направлению максимального её изменения. Рассмотрим два маршрута перемещения судна из точки A в точку B. Схема альтернативных маршрутов представлена на рис. 3. Рис. 3. Схема альтернативных маршрутов Маршрут 1: по прямой линии из точки A в точку B. Маршрут 2: от точки A по направлению Ox в точку C, затем по направлению Oy в точку D и по направлению xO в точку B. Точки C и D удалены от линии АВ на одинаковое расстояние Δx = AC = BD. Длина перехода CD = AB = l0. Таким образом, протяжённость маршрута 1 равна l0, протяжённость маршрута 2 составляет l0 + 2Δx. Время перехода по маршруту 1 рассчитывается по формуле (4) где hAB - толщина льда на линии АВ; VAB - скорость перехода по линии АВ. Время перехода судна по маршруту 2 определяется выражением (5) Слагаемые правой части равенства (5) вычисляются по следующим формулам: (6) (7) где hCD - толщина льда на линии CD; GV - градиент скорости, соответствующий градиенту толщины льда Gh. Формула (7) может быть представлена в другом виде: где (8) Сравнение маршрутов 1 и 2 позволяет отметить два разнонаправленных фактора, влияющих на время перехода ΔT1 и ΔT2. С одной стороны, протяжённость маршрута 1 меньше протяжённости маршрута 2 на величину, равную 2Δx. По этой причине следует ожидать, что время перехода по первому маршруту ΔT1 будет меньше времени перехода по второму маршруту ΔT2. С другой стороны, толщина льда на первом маршруте hAB превышает толщину льда любого из трёх участков второго маршрута. По этой причине скорость судна на маршруте 1 имеет наименьшее значение по сравнению со скоростью на участках маршрута 2, следовательно, можно ожидать увеличение времени перехода по первому маршруту. Очевидно, что при Gh → 0 влияние первого фактора становится превалирующим. В случае, когда на линии АВ толщина льда имеет предельно большое значение, hAB → hкр, а при удалении от неё на небольшое расстояние толщина льда резко уменьшается, hx → 0, преобладающим становится второй фактор. При этом наименьшее время перехода может достигаться за счёт значительного отклонения от линии АВ и увеличения протяжённости пути судна. Для сравнения времени перехода по маршрутам 1 и 2, установленным соотношениями (4) и (5), образуем разность: (9) Величина и знак разности ΔT12 позволяет определить, по какому из маршрутов судно пройдёт быстрее: - если ΔT12 < 0, то маршрут 1 оказывается предпочтительней; - если ΔT12 = 0, то маршруты равнозначны; - если ΔT12 ˃ 0, то по маршруту 2 судно пройдёт быстрее, несмотря на то, что длина маршрута 2 больше. С учётом выражений (4), (6)-(8) соотношение (9) примет вид: (10) Решение неравенства (10) относительно смещения Δx имеет вид: (11) Условие ΔT12 < 0 соответствует такому соотношению скоростей VCD и VAB, при котором смещение Δx превышает правую часть неравенства (11). Ниже приводятся результаты сравнения маршрутов 1 и 2 при различных количественных показателях распределения толщины льда в акватории. Результаты исследования Результаты сравнения маршрутов 1 и 2 при различных количественных показателях распределения толщины льда в акватории приведены в таблице. Результаты сравнения маршрутов 1 и 2 № Показатель Количественные характеристики маршрутов (l0 = 270 миль, V0 = 15 уз) I II III IV V VI VII VIII 1 hAB, м 1 1 1 1 0,5 0,5 0,5 0,5 2 hCD, м 0,5 0,5 0,3 0,3 0,3 0,2 0,1 0 3 Δx, мили 50 70 50 70 50 50 50 50 4 VAB, уз 5 5 5 5 10 10 10 10 5 VCD, уз 10 10 12 12 12 13 14 15 6 ΔT1, ч 54 54 54 54 27 27 27 27 7 ΔT2, ч 41 47 35 40 32 30 28 26 Исходные данные модели: - протяжённость перехода l0 = 270 миль; - скорость судна по чистой воде V0 = 15 уз; - направление градиента толщины льда соответствует направлению, перпендикулярному генеральной линии перехода. Варьируемые параметры: - толщина льда hAB (№ 1); - толщина льда hСD (№ 2); - смещение Δx (№ 3). Вычисляемые характеристики: - скорость VAB (№ 4); - скорость VCD (№ 5); - время перехода по маршруту 1 - ΔT1 (№ 6); - время перехода по маршруту 2 - ΔT2 (№ 7). В таблице приведены результаты сравнения времени перехода по маршрутам 1 и 2 для восьми вариантов варьируемых параметров. Каждому варианту соответствует столбец, обозначенный номером от I до VIII . Получены следующие результаты: 1. Маршрут 2 по времени прохождения является предпочтительней для вариантов I-IV. Несмотря на то, что протяжённость маршрута 2 превышает протяжённость маршрута 1 на 100 миль (варианты I и III) и на 140 миль (варианты II и IV), время перехода по маршруту 2 уменьшается на величину от 7 (вариант II) до 19 ч (вариант III). При уменьшении градиента толщины льда (попарное сравнение вариантов I и II, а также III и IV), связанного с увеличением смещения Δx от 50 до 70 миль, выигрыш во времени по маршруту 2 уменьшается. При увеличении градиента толщины льда (попарное сравнение вариантов I и III, а также II и IV), связанного с уменьшение толщины льда hСD с 0,5 до 0,3 м, выигрыш во времени по маршруту 2 увеличивается. 2. Маршрут 1 по времени прохождения является предпочтительней для вариантов V-VI. При увеличении градиента толщины льда (последовательное сравнение вариантов V-VIII), связанного с уменьшением hСD от 0,3 (вариант V) до 0 м (вариант VIII), преимущество по времени маршрута 1 по сравнению с маршрутом 2 уменьшается от 5-и до 1 часа. Обсуждение результатов Результаты сравнительного анализа количественных характеристик маршрутов, выполненного с использованием предложенной аналитической модели сплошного льда с изменяющейся толщиной льда, соответствуют данным объективного контроля параметров движения судов, полученным с использованием баз данных АИС. В зимний период на рассматриваемом переходе оптимальный по времени перехода маршрут для крупнотоннажных судов смещается относительно летнего маршрута примерно на 70 миль. В модели, которая использовалась для сравнительного анализа маршрутов, был сделан ряд допущений, касающихся влияния толщины льда на скорость судна, распределения льда по акватории в различные навигационные периоды, навигационных условий 2018 г. и др. В процессе исследований наряду с АИС использовались ледовые карты, по которым уточнялось распределение льда по площади акватории. Следует отметить, что по ледовым картам определить распределение толщины льда в акватории СМП с требуемой точностью не представляется возможным. По этой причине изменение толщины льда определялось по изменению путевой скорости судов обратным пересчётом. Заключение Использование АИС и ГИС позволяет на качественно новом уровне решать задачи, связанные с исследованием морских транспортных потоков в акватории СМП. Для обеспечения эффективного и безопасного плавания крупнотоннажных судов в акватории СМП в режиме круглогодичной навигации существующая сеть судоходных маршрутов нуждается в дальнейшем развитии. Результаты исследования могут быть использованы при поиске оптимальных маршрутов плавания судов в ледовых условиях, при планировании гидрографических работ и развитии перспективной сети судоходных маршрутов в арктических морях. Настоящая работа выполнена в рамках инициативного проекта по развитию методов морского геопространственного планирования и теории морских транспортных потоков в акватории СМП, реализуемого на Арктическом факультете Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова.
