68197
2658-4255
Российская Арктика
5
2019
1-43
3-3
EDI
ЗМИЕВА
КИРА
ЖУРНАЛ «РОССИЙСКАЯ АРКТИКА»
ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР НАУЧНОГО ЖУРНАЛА
Слово редактора
Editor’s word
5-Й ВЫПУСК НАУЧНОГО И ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО ЖУРНАЛА «РОССИЙСКАЯ АРКТИКА» ПОСВЯЩЕН ВОПРОСАМ КОРАБЛЕСТРОЕНИЯ ДЛЯ АРКТИКИ Указом Президента России В.В. Путина от 7 мая 2018 г. № 204 «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года» поставлена задача развития Северного морского пути и установлены показатели такого развития -обеспечение грузопотока по нему до 80 млн тонн в год к 2024 году. Задача усложняется необходимостью организации круглогодичной навигации по северным морям, а также ужесточением экологических требований к арктическим судам. Для достижения поставленных амбициозных целей необходима разработка новых подходов к проектированию и созданию современных крупнотоннажных арктических транспортноледокольных судов, а также создание инновационных интеллектуальных систем оценки ледовых условий и вероятностей возникновения аварийных ситуаций по маршруту Северного морского пути в условиях круглогодичной эксплуатации. Авторы текущего выпуска журнала представили как оценку современного состояния отечественного транспортно-ледокольного флота, так и пути дальнейшего развития арктического кораблестроения для реализации минеральносырьевого и логистического потенциала Арктической зоны Российской Федерации.
Ледовые условия плавания в Арктике
Ice conditions in the Arctic
4-11
RAR
Третьяков
В.Ю.
Санкт-Петербургский государственный университет; ФГБУ «Арктический и Антарктический НИИ»
v_yu_tretyakov@mail.ru
Санкт-Петербург
Tretyakov
V.Yu.
St. Petersburg State University; Federal State Budgetary Institution "Arctic and Antarctic Research Institute "
St. Petersburg
Фролов
С.В.
ФГБУ «Арктический и Антарктический НИИ»
svf@aari.ru
Санкт-Петербург
Frolov
S.V.
Federal State Budgetary Institution "Arctic and Antarctic Research Institute "
St. Petersburg
Сарафанов
М.И.
Санкт-Петербургский государственный университет; ФГБУ «Арктический и Антарктический НИИ»
mik_sar@mail.ru
Санкт-Петербург
Sarafanov
M.I.
St. Petersburg State University; Federal State Budgetary Institution "Arctic and Antarctic Research Institute "
St. Petersburg
РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЕРОЯТНОСТИ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ ИЗ-ЗА СЖАТИЙ СУДОВ ДРЕЙФУЮЩИМИ ЛЬДАМИ НА УЧАСТКЕ СЕВЕРНОГО МОРСКОГО ПУТИ
THE RESULTS OF COMPUTER SIMULATION OF THE PROBABILITY OF ACCIDENTS DUE TO SHIP COMPRESSIONS BY DRIFTING ICE ALONG THE NORTHERN SEA THROUGHWAY
Представлены результаты тестирования компьютерной имитационной модели оценки вероятности возникновения аварийных ситуаций с танкерами из-за сжатий дрейфующих льдов. Тестирование выполнено для маршрута плаваний «Сабетта - Карские Ворота - Мурманск» в первую декаду мая, т.е. при наиболее тяжёлых ледовых условиях плавания. Рассчитаны вероятности возникновения аварийных ситуаций, выполнен анализ чувствительности модели к изменениям значений её параметров.
Results of testing of computer simulation model for assessment of probability of accidents with tankers due to pressure by drifting ice are presented. The testing was carried out for the navigation route «Sabetta Port - Kara Gate Strait - Murmansk Port» and for the first ten-days period of May, during the most difficult ice conditions of the navigation. The probabilities of the accidents were calculated. There was analyzed the model response to variations of its parameters values.
Введение. Современная цивилизация является углеводородной: энергетика и химическая промышленность в основном базируются на использовании нефти, нефтепродуктов и природного газа. Исчерпание старых месторождений вынуждает осваивать новые в Заполярье и на шельфе российских арктических морей. Это требует развития систем транспортировки углеводородов, в частности, морских транспортных систем Северного морского пути [1, 2, 3]. В соответствии с проектом «Ямал СПГ» в Сабетте на полуострове Ямал уже запущена третья технологическая линия крупнейшего завода по сжижению природного газа. В ближайшее время планируется увеличить его мощность и выйти на уровень производства около 17,4 млн тонн сжиженного природного газа в год [4]. Проект основывается на переработке запасов Южно-Тамбейского месторождения более чем в 1 триллион кубических метров природного газа. Вывоз сжиженного газа уже сейчас осуществляется шестью современными танкерами по стандартным маршрутам плаваний [5,6]. При выходе завода на полную мощность потребность в перевозках только возрастет. Также по Северному морскому пути транспортируются большие объёмы нефти. В настоящее время вывоз углеводородов наливными судами осуществляется из расположенных в Печорском море (юго-восточная часть Баренцева моря) прибрежного терминала Варандей и Морской ледостойкой платформы «Приразломная», в Карском море - из расположенного на западном побережье полуострова Ямал терминала Харасавэй, портов Сабетта и Новый Порт на восточном побережье Ямала в Обской губе. Транспортировка осуществляется современными танкерами и газовозами. Ледовые усиления высокой арктической категории (Агс7) позволяют им самостоятельно преодолевать льды толщиной до 2.1 метра при движении кормой вперед [7, 8]. При работе любой транспортной системы возможны аварии, и как следствие - аварийные разливы сжиженного газа и нефти с загрязнением окружающей среды [9, 10, 11]. В условиях ледового плавания причинами возникновения аварийных ситуаций могут быть столкновение судна с другим судном, посадка на мель, навал судна на береговой терминал или платформу, столкновение с ледяными образованиями и айсбергами [12]. Перечисленные причины вызываются человеческим фактором, т.к. при соблюдении правил безопасного судоходства и исправном радиолокационном оборудовании вероятности аварий по этим причинам могут быть снижены до близких к нулю величин. Форсмажорной причиной возникновения аварий является сжатие судна льдами. Все случаи гибели судов в Северном Ледовитом океане, за исключением военных потерь, были вызваны именно сжатиями льдов [13]. Ледяной покров - это главный источник риска при плаваниях по Северному морскому пути, он препятствует хозяйственной деятельности в Арктике [14]. Компьютерное моделирование позволяет предсказывать расположение зон возможных сжатий, их силу и вероятность, но не может на 100% исключить возможность сжатий судов дрейфующими льдами. Цель исследования заключалась в тестировании компьютерной модели оценки вероятности возникновения аварийных ситуаций на маршруте «Сабетта - Карские Ворота - Мурманск» (рис. 1) из-за сжатий судов льдами. Материалы и методы. Для оценки вероятности возникновения аварийной ситуации В. Ю. Третьяковым разработана и совершенствуется компьютерная модель, основанная на методе Монте-Карло. Данный метод применяется для моделирования случайных событий, происходящих при достижении рядом параметров модели критических значений (нахождения судна в зоне сжатий при определенной толщине ровного льда и т.д.). СТР.4 ICE CONDITIONS IN THE ARCTIC RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO s\\\\ Russian Arctic Условные обозначения Сплоченность льда, баллы *=* 4-6 О 1-2 Р 7-8 0 2-3 ! IZ3 припай О чистая вода - Маршрут плаваний 50 100 150 200 морских миль Рис. 1. Карта исследуемого маршрута. Показаны ледовые условия во вторую декаду мая 2018 года В модели аварийная ситуация наступает, если судно находится в зоне сжатий и прочность льда оказывается выше корпуса судна в его центральной части, в районе цилиндрической вставки - миделя. При торосистости более двух баллов за прочность льда принимается большая из двух величин: прочности ровного льда и прочности консолидированного слоя гряды торосов. При проведении численных экспериментов с моделью характеристики ледяного покрова не задаются детерминированными, а рассматриваются как случайные величины, имеющие свои статистические распределения, являющиеся параметрами модели. Ими служат следующие интегральные функции распределения: вероятности попадания судна в зону сжатий, суммарной протяжённости пути в сплоченных дрейфующих льдах, относительных протяжённостей пути плавания в сплоченных льдах с наличием льдов различных возрастных градаций, протяжённости однородных ледовых зон, протяжённостей участков плавания без сжатий и со сжатиями, толщин льдов различных возрастных градаций, торосистости, отношения грядовой торосистости к общей, длины прямолинейных участков гряд, ширины гряд, отношения ширины гряды к её высоте, толщины консолидированного слоя гряды торосов. При использовании метода Монте-Карло генератор случайных чисел выдаёт дробную величину в пределах от 0 до 1, рассматриваемую как значение интегральной функции распределения данной характеристики ледяного покрова. По этому значению определяется квантиль - конкретное значение характеристики. В модели рассматривается только статическое взаимодействие между корпусом судна и ледяным покровом. Прочность элементов корпуса судна рассчитывается в соответствии с требованиями Российского Морского Регистра. Если при данном сочетании значений характеристик ледяного покрова, полученных с помощью генератора случайных чисел и их статистических распределений, прочность льда оказывается больше прочности судна, то происходит разрушение корпуса судна и наступает аварийная ситуация. Статистические распределения характеристик ледяного покрова строятся на основании ледовых карт архива Арктического и антарктического научноисследовательского института (ААНИИ), результатов экспедиций ААНИИ и данных литературных источников. Прочность льда при его сжатии зависит от многих факторов. Исследования прочностных свойств льда при его контакте с различными конструкциями весьма востребованы и проводятся как отечественными [15-19], так и зарубежными специалистами [20-24]. Прочность ровного льда зависит от его толщины. В период от начала устойчивого ледообразования и до начала летнего таяния толщина льда определяется его возрастной категорией. Торошению в основном подвергаются молодые и тонкие однолетние льды. Свежие торосы состоят из отдельных, не скреплённых между собой блоков, имеющих такую же толщину, как и ровный лёд, из которого они образовались. Поэтому молодые торосы не представляют опасности при сжатии судна дрейфующими льдами. Ситуация меняется, когда часть отдельных блоков гряды торосов смерзается в монолит - так называемый консолидированный слой. При торосистости, не превышающей 2 баллов по российской пятибалльной шкале, предполагается, что судоводитель имеет возможность обходить торосы. В этом случае учитывается прочность только ровного льда, при этом рассчитывается как прочность раздробления, так и излома [25], и в качестве прочности льда берётся меньшая из этих двух величин. В соответствии с работами [26, 27] доля грядовой торосистости составляет 50% от общей. Пространственная ориентация гряд считается хаотической [27, 28], поэтому распределение направлений гряд принято равномерным и средний угол между генеральным курсом судна и грядой составляет 45%. Подготовка статистических распределений суммарных протяжённостей участков маршрута, отвечающих определённым характеристикам ледяного покрова была выполнена на основании векторных карт ледовой обстановки из архива ААНИИ. Эти карты были созданы в Центре ледовой гидрометеорологической информации ААНИИ на основе данных дистанционного зондирования Земли [29]. Обработка векторных карт выполнялась в среде ГИС ArcGIS следующим образом: полигональные объекты слоёв ледовых карт пересекались линейным объектом маршрута плаваний. В результате по маршруту плаваний создавался слой линейных объектов с наследованием атрибутов пересекаемых полигонов ледовых карт. Затем происходил выбор объектов по значениям атрибутов и расчёты протяжённостей объектов. Выделялись объекты с общей сплоченностью дрейфующих льдов 9 и более баллов при условии присутствия льдов более возрастных категорий, чем начальные, и записывались в новый слой участков маршрута в сплоченных льдах. Затем из него в отдельные слои записывались объекты с наличием льдов различных возрастных категорий. Рассчитывались протяжённости отдельных объектов и суммарные протяжённости всех объектов, удовлетворяющих определённым условиям. Так были получены подекадные ряды протяженностей пути в сплоченных льдах, в сплоченных льдах при наличии начальных (толщина до 10 см), серых (10-15 см), серо-белых (15-30 см), тонких (30-70 см), средних (70-120 см), толстых (более 120 см) однолетних льдов. Также были рассчитаны подекадные ряды суммарных протяженностей участков маршрута в сплоченных льдах с частной концентрацией толстых однолетних льдов 5 и более баллов и суммарных протяженностей участков СТР. 5 ICE CONDITIONS IN THE ARCTIC RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO /** vS Russian / \\ \\ Arctic маршрута в сплоченных льдах с суммой частных концентраций толстых однолетних льдов и однолетних льдов средней толщины 5 и более баллов. Исходный набор числовых значений для построения статистического распределения значений параметра модели должен быть однороден. Поэтому был выполнен анализ полученных числовых рядов на наличие межгодового тренда методом интегральных кривых. Метод интегральных кривых или накопленных (кумулятивных) сумм первоначально применялся в гидрологии для проверки наличия или отсутствия направленных изменений (трендов) в межгодовой динамике годовых расходов рек [30]. Впоследствии он стал применяться для предварительного анализа межгодовой изменчивости любых параметров окружающей среды. Сущность метода заключается в следующем. Строится график: по оси абсцисс откладываются обозначения лет, по оси ординат -накопленные суммы значений параметра, относящихся к определённым годам. В данном случае это значения, относящееся к одной и той же внутригодовой декаде различных лет. Накопленная сумма для данного года -это сумма значений ряда от самого его начала до данного года включительно. Для первого года ряда - это само значение, для второго года - сумма значений первого и второго года и т.д. Точки накопленных сумм на графике соединяются линией. Если направленная межгодовая изменчивость отсутствует, то линия должна быть близка к прямой. Если же на линии присутствуют изломы и/или изгибы, то это может свидетельствовать о наличии тренда и неоднородности ряда значений. Если на интегральной кривой отсутствуют явные изломы, и форма линии близка к прямой, то для проверки его однородности исходный числовой ряд делится пополам. Когда на интегральной кривой есть изломы и/или изгибы, то исходный числовой ряд подразделяется на части по местам этих изломов и изгибов. Если изломов или изгибов несколько, но число элементов в отдельных частях ряда оказывается меньшим того количества, которое необходимо для выполнения статистического анализа, то разделение исходного числового ряда на две части проводится по месту самого выраженного излома. Далее выполняется проверка нулевой гипотезы о принадлежности двух частей числового ряда к одной генеральной совокупности, т.е. об отсутствии существенных различий между этими двумя наборами числовых значений. Проверка выполнялась в среде системы Mathcad с использованием ранговых непараметрических критериев однородности Уилкоксона-Манна-Уитни и Зигеля-Тьюки. Статистические распределения параметров модели строились в среде Mathcad по методам Хазена, Крицкого-Менкеля, Чегодаева и Грингортена. Сравнения полученных с помощью разных методов расчётов статистических распределений показали несущественность различий между результатами. Поэтому в модели применяются статистические распределения параметров, рассчитанные по методу Грингортена, который совмещает специфику трёх остальных методов (рис. 2). її-1-1-г 0«-1-1-1- 200 300 400 500 600 Протяженность, морские мили -Хазена -Крицкого-Менкеля -Чегодаева Грингортена Рис. 2. Интегральная функция распределения протяженности маршрута в сплоченных льдах в первую декаду мая, рассчитанная разными методами Статистические распределения параметров записывались в файлы текстового формата, к которым при проведении численных экспериментов с моделью выполнялись многократные обращения для расчётов значений параметров. Модель реализована на алгоритмическом языке Delphi. В ней предусмотрено как автоматическое, так и принудительное прекращение отдельного численного эксперимента (серии плаваний). Пользователь задаёт число экспериментов в одном компьютерном расчёте. В рамках одного расчёта статистические распределения параметров модели остаются неизменными. Автоматическое прекращение численного эксперимента (серии плаваний) происходит в случае стабилизации отношения числа аварийных ситуаций к числу плаваний. Если А - отношение числа аварий к числу плаваний по завершении данного модельного плавания, B -отношение числа аварий к числу плаваний при предыдущей аварии, то численный эксперимент прекращается при условии: | A - B | <(A * 0.001). Также численный эксперимент прекращается, если произойдет 10001 безаварийное плавание. Однако возможна ситуация, когда за весь период функционирования транспортной системы максимальное число плаваний, приходящееся на внутригодовую декаду, оказывается существенно меньше числа плаваний, при котором происходит стабилизация отношения числа аварий к числу плаваний. В этом случае в одном численном эксперименте (группе плаваний) задаётся максимальное число плаваний, равное ожидаемому числу плаваний, приходящемуся на данную декаду за весь период эксплуатации этой морской транспортной системы. При выполнении этого числа плаваний этот численный эксперимент принудительно завершается вне зависимости от того, стабилизировалось или нет отношение числа аварий к числу плаваний. В обоих случаях, и при автоматическом, и при принудительном завершении численных экспериментов пользователь заранее задаёт число выполняемых численных экспериментов в одном компьютерном расчёте. Отношение числа аварий к числу плаваний рассматривается как вероятность возникновения аварийной ситуации. Поскольку в одном компьютерном расчёте выполняется ряд численных экспериментов, то сама вероятность возникновения аварийной ситуации должна рассматриваться как случайная величина со СТР. 6 ICE CONDITIONS IN THE ARCTIC RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO s\\\\ Russian Arctic своим математическим ожиданием (МО) и средним квадратичным отклонением (СКО). В соответствии с первой предельной теоремой её статистическое распределение должно быть близким к нормальному распределению, т.к. на её величину влияют множество различных факторов. В качестве оценки сверху вероятности аварии предлагается использовать сумму МО и утроенного СКО при выполнении серии из не менее чем 30 численных экспериментов с их принудительным завершением. В этом случае вероятность большей аварийности в соответствии с «правилом трёх сигм» составит всего 0.15%. Поэтому для оценки ожидаемого ущерба следует использовать вероятность аварии, рассчитанную этим способом. Результаты и обсуждение. Апробация модели была произведена для ледовых условий в первую декаду мая, когда они являются наиболее тяжёлыми. Отношение числа аварий к общему числу плаваний при автоматическом завершении численных экспериментов для судна ледового класса Arc7 водоизмещением 70 тыс. тонн составило 0.023. Важнейшим этапом использования имитационной модели в научных исследованиях является проверка её чувствительности к изменению значений параметров. Для этого был выполнен ряд экспериментов, в которых задавались фиксированные минимальные и максимальные в соответствии со статистическими распределениями значения параметров модели. Например, для выяснения чувствительности модели к изменению общей торосистости сравниваются результаты экспериментов с отсутствием торосов и максимальной торосистостью в 4.5 баллов, когда до 90% площади ледяного покрова покрыто торосами. Эта процедура необходима для верификации модели: если изменение значений какого-либо параметра, влияние которого на вероятность аварий очевидно, не влияет на результат моделирования, то в алгоритме модели или в программном коде есть явные ошибки. Также это исследование позволяет выявить наиболее чувствительные параметры модели, уточнение значений которых требует выполнения дополнительных натурных исследований и/или специализированной обработки результатов прошлых экспедиций, экспериментов, спутниковых снимков и т.п. Результаты экспериментов по определению наиболее влияющих на поведение модели параметров представлены в таблице 1. «Эталонный» вариант моделирования означает, что значения всех параметров модели определялись с помощью файлов статистических распределений и генератора случайных чисел. В остальных случаях значения того параметра, чувствительность модели к изменениям значений которого проверялась, задавались как детерминированные величины. Обработка и осреднение результатов выполнена с помощью языка R. Таблица 1 - Результаты моделирования при различных значениях параметров Параметр модели Минимум и максимум параметра Вероятность возникновения аварии (среднее по 30 расчетам) «Эталонный» вариант - 0.023 Протяженность маршрута в min - 255 м. миль 0.016 сплоченных льдах max - 567 м. миль 0.028 Общая торосистость min - 0 баллов 0 max - 4.5 балла 0.030 Вероятность сжатий min - 0 0 max - 0.02 0.044 Длина участков пути со min - 2.9 м. миль 0.017 сжатиями max - 69.7 м. миль 0.027 Длина участков пути без сжатий min - 6.2 м. миль 0.441 max - 1609.7 м. миль 0.009 Таким образом, сильнее всего на вероятность аварии влияют следующие параметры модели: протяженность маршрута в сплоченных льдах, общая торосистость, вероятность сжатий и длина участков пути со сжатиями. Выполнено 450 численных экспериментов с варьированием ледовых классов и водоизмещения судов. Их результаты представлены в таблице 2. ICE CONDITIONS IN THE ARCTIC СТР.7 RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO s\\\\ Russian Arctic Таблица 2 - Результаты моделирования плаваний судов различных ледовых классов и водоизмещении Ледовый класс судна Водоизмещение, тыс. тонн Вероятность аварийной ситуации (среднее по 30 расчетам) Arc5 45 0.025 70 0.025 85 0.024 Arc6 45 0.025 70 0.024 85 0.025 Arc7 45 0.024 70 0.024 85 0.023 Arc8 45 0.022 70 0.024 85 0.023 Arc9 45 0.022 70 0.022 85 0.020 Результаты визуализированы на рисунке 3. Видно, что с повышением ледового класса судна вероятность аварии снижается. Следовательно, модель верно учитывает увеличение прочности корпуса судна при повышении класса его ледовых усилений. о.0 го CD го о л \\- о О X Iгс о.0 О) 00 Л 0275 0250 0225 0200 0175 Агс5 45 Агсб Агс7 • • • • • • Агс8 Агс9 • • • • * • 70 85 45 70 85 45 70 85 45 70 85 Водоизмещение, ТЫС. ТОНН 45 70 85 Рис. 3. Результаты моделирования для судов различных ледовых классов Также произведено около 600 модельных расчетов Число плаваний различалось - 30, 100, 500 и 1000 в одном с принудительным заданием числа плаваний в одном эксперименте для категорий ледовых усилений Arc5, Arc6, Arc7, Arc8, Arc9 с водоизмещением 70000 тонн. эксперименте. Результаты расчётов представлены в таблице 3. Таблица 3 - Результаты моделирования с принудительным заданием числа плаваний в эксперименте Ледовый класс судна Число плаваний в одном эксперименте Вероятность аварийной ситуации (среднее по 30 расчетам) Arc5 30 0.104 100 0.040 500 0.026 1000 0.023 Arc6 30 0.091 100 0.046 500 0.025 1000 0.024 Arc7 30 0.132 100 0.051 500 0.024 1000 0.023 Arc8 30 0.257 100 0.043 500 0.023 1000 0.023 Arc9 30 0.097 100 0.039 500 0.024 1000 0.022 ICE CONDITIONS IN THE ARCTIC СТР. 8 RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO s\\\\ Russian Arctic Заключение. Выполнено тестирование компьютерной модели оценки вероятности возникновения аварийных ситуаций из-за сжатий судов льдами на маршруте «Сабетта - Мурманск». Для проведения численных экспериментов были подготовлены распределения параметров модели -характеристик ледяного покрова: толщины консолидированного слоя торосов, отношения ширины гряд торосов к их высоте, доли грядовой торосистости, общей торосистости, длины участков маршрута плаваний со сжатиями, длины участков пути без сжатий, протяженности маршрута в сплоченных льдах, относительной протяженности маршрута в сплоченных льдах при наличии толстых однолетних льдов, однолетних льдов средней толщины, тонких однолетних льдов и молодых льдов. Для подготовки данных была произведена подекадная обработка электронных векторных карт ледовой обстановки из архива ААНИИ по маршруту за период 1997-2018 гг. Полученные ряды протяженностей были проверены на наличие тренда методом интегральных кривых и проверены на однородность при помощи ранговых непараметрических критериев Уилкоксона-Манна-Уитни и Зигеля-Тьюки. Статистические распределения построены по методам Хазена, Крицкого-Менкеля, Чегодаева и Г рингортена. По результатам моделирования получены следующие выводы: 1) Наиболее сильно на вероятность аварии влияют следующие параметры модели: протяженность маршрута в сплоченных льдах, общая торосистость, вероятность сжатий, длина участков пути со сжатиями; 2) При расчётах с принудительным завершением численных экспериментов при небольшом числе плаваний вероятность аварии оказывается в несколько раз больше, чем при более чем 100 плаваниях в одном эксперименте или при его автоматическом прекращении; 3) При эксплуатации морской транспортной системы «Сабетта - Карские Ворота - Мурманск» вероятность аварии судна ледового класса Arc7 из-за сжатий льдами составляет 0.023 для первой декады мая, когда наблюдаются наиболее тяжелые ледовые условия на маршруте. Оценка рисков аварийности крайне важна при стратегическом планировании логистических систем при добыче и транспортировке углеводородов в Арктике. Необходимо заметить, что исследования в данном направлении продолжаются. Так, уже рассчитаны протяженности пути плавания в различных категориях льдов для другого востребованного маршрута - «Сабетта - Берингов пролив» и планируется моделирование рисков по этому маршруту.
504.42
10.24411/2658-4255-2019-10051
моделирование
вероятность аварий
сжатия льдов
simulation
accident probability
nips
Бабич С.В., Яковлева А.А., Транспортно-логистический потенциал Северного Морского Пути в Евроазиатском экономическом пространстве // Российская Арктика; Москва, № 4, с. 5-14, 2019
Minyang Zhang, Di Zhang, Shanshan Fu, Xinping Yan, Chi Zhang, A Method for Planning Arctic Sea Routes Under Multi-Constraint Conditions // Proceedings of the 24th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions June 11-16, 2017, Busan, Korea
Chi Zhang, Di Zhang, Shanshan Fu, Mingyang Zhang, Interpretative Structural Modeling of Ship Energy Efficiency in Arctic Navigation // Proceedings of the 24th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions June 11-16, 2017, Busan, Korea
http://yamallng.ru/press/news/37034/ - Сайт проекта «Ямал СПГ», дата обращения 20.06.2019
https://www.ashipping.ru/geo/49/ - Сайт компании «ASCO», осуществляющей транспортировку сырья при разработке месторождения в Сабетте, дата обращения 20.06.2019
Frederic Jean Louis Hannon, Shipping LNG from the Arctic: A True Story // Proceedings of the Twenty-ninth (2019) International Ocean and Polar Engineering Conference, Honolulu, Hawaii, USA, June 16 21, 2019, р. 866-874
https://www.vestifinance.ru/articles/103595 - Сайт информационного агентства «Вести Экономика», дата обращения 20.06.2019
Hyeok Geun Ki, Joong Hyo Choi, Sung Gun Park, Sung Kon Han, Ice Collision Analysis and Alternative Full Scale Impact Test for ARC 7 LNG Carrier // Proceedings of the 24th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions June 11-16, 2017, Busan, Korea
Liyanarachchi W. A. de Silva, Hajime Yamaguchi, Numerical Study of Oil Spilled Behavior under Ice-Covered Area in the East Siberian Sea // Proceedings of the 24th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions June 11-16, 2017, Busan, Korea
Hossein Babaei, David Watson and Richard Burcher, Verification and Validation of An in-Ice Oil Spill Trajectory Model Based on Satellite-Derived Ice Drift Data // Proceedings of the 24th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions June 11-16, 2017, Busan, Korea
Megan O’Sadnick, Chris Petrich, Nga Dang Phuong, The Entrainment and Migration of Crude Oil in Sea Ice, the Use of Vegetable Oil as a Substitute, and Other Lessons from Laboratory Experiments // Proceedings of the 24th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions June 11-16, 2017, Busan, Korea
Aleksandr Tezikov, Andrei Afonin, Vitaly Kljuev, Research of Quantitative Indicators of Tightness of the Northern Sea Route (NSR) // Proceedings of the 24th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions June 11-16, 2017, Busan, Korea
Третьяков В.Ю., Фролов С.В., Терентьева Д.В., Моделирование экологических рисков загрязнения окружающей среды углеводородами при их транспортировке в Карском море танкерами // Метеорологический вестник; Санкт-Петербург, Том 8, № 1, с. 59-87, 2016
G.W. Timco, W.F. Weeks, A review of the engineering properties of sea ice // Cold Regions Science and Technology, Volume 60, Issue 2, February 2010, Pages 107-129. DOI: 10.1016/j.coldregions.2009.10.003
Гольдштейн Р.В., Осипенко М.Н., Некоторые вопросы механики прочности морского льда // Физическая мезомеханика, том 17, № 6, с. 59-69, 2014
Тимофеев О.Я., Сазонов К.Е., Добродеев А.А., Бокатова Е.А., Саперштейн И.А., Исследование прочностных свойств морского льда в обеспечение создания программных комплексов для расчета ледовой нагрузки // Труды Крыловского государственного научного центра. № 4 (386), с. 41-49, 2018
Политько В.А., Кантаржи И.Г., Исследуемые характеристики льда, необходимые для определения ледовых нагрузок // Вестник МГСУ, № 12, с. 106-117, 2015
Roman B. Guzenko, Yevgeny U. Mironov, Ruslan I. May, Viktor S. Porubaev, Victor V. Kharitonov, Stepan V. Khotchenkov, Konstantin А. Kornishin, Yaroslav О. Efimov, Petr А. Tarasov, Morphometry and Internal Structure of Ice Ridges in the Kara and Laptev Seas // Proceedings of the Twenty-ninth (2019) International Ocean and Polar Engineering Conference, Honolulu, Hawaii, USA, June 16-21, 2019, р. 647-654
Alexey K. Naumov, Elena A. Skutina, Nikolay V. Golovin, Nikolay V. Kubyshkin, Igor V. Buzin, Yuri P. Gudoshnikov, Andrey A. Skutin/Peculiarities of morphometric features and inner structures of the ridged formations in the Ob’ Bay // Proceedings of the Twenty-ninth (2019) International Ocean and Polar Engineering Conference, Honolulu, Hawaii, USA, June 16-21, 2019, р. 684-890
Pernas-Sanchez J, Pedroche D, Varas D, Lopez-Puente J, Zaera R., Numerical modeling of ice behavior under high velocity impacts // International Journal of Solids and Structures (2012) 49(14), p. 19191927, DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2012.03.038
Hopkins M, Tuhkuri J, Compression of floating ice fields // Journal of Geophysical Research: Oceans (1999) 104(C7), p. 15815-15825, DOI: 10.1029/1999jc900127
Mikko Suominen, Arttu Polojärvi, Annu Oikkonen, Ridge Profile Measurements for Understanding Ridge Resistance // Proceedings of the 24th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions June 11-16, 2017, Busan, Korea
Evgenii Salganik, Knut Vilhelm H0yland, Aleksey Shestov, Thermodynamics and Consolidation of Ice Ridges for Laboratory Scale // Proceedings of the 24th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions June 11-16, 2017, Busan, Korea
Hanyang Gong, Arttu Polojärvi, Jukka Tuhkuri, Preliminary 3D DEM Simulations on Ridge Keel Resistance on Ships // Proceedings of the 24th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions June 11-16, 2017, Busan, Korea
Meng Zhang, Harsha Cheemakurthy, Karl Garme & Magnus Burman, An Analytical Model for Ice Impact Load Prediction // Proceedings of the Twenty-ninth (2019) International Ocean and Polar
Лебедев А.А., Романов И.П., Уралов Н.С., Оценка приращения толщины ледяного покрова Арктического бассейна за счёт торосистых образований // Труды ААНИИ, том 396 «Исследование ледяного покрова полярных областей», Ленинград, ГМИ, 1985, с. 6-22
Миронов Е.У., О сезонной изменчивости торосистости // Труды ААНИИ, том 396, «Исследование ледяного покрова полярных областей», Ленинград, ГМИ, 1985, с. 38-45
Марченко А.В. Особенности формы и пространственного распределения торосов / Ледяные образования морей Западной Арктики. Под. ред. Г.К. Зубакина. СПб, ААНИИ, 2006. 272 с. С. 198-201
Бресткин С.В., Быченков Ю.Д., Девятаев О.С., Фоломеев О.В. Обеспечение гидрометеорологической безопасности в Арктическом регионе // Материалы международной научнопрактической конференции «Проблемы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций в Арктическом регионе. Безопасный город в Арктике.». 2016. МЧС России. С. 68-72
Государственное учреждение «Государственный гидрологический институт» Стандарт организации СТО ГГИ 52.08.41-2017, «Основные гидрологические характеристики при нестационарности временных рядов, обусловленной влиянием климатических факторов, Рекомендации по расчету» // СПб: 2017
12-22
RAR
Думанская
И.О.
Росгидромет
dumansk@rambler.ru
Dumanskaya
I.O.
Roshydromet
ЗАВИСИМОСТЬ РАБОТЫ СОВРЕМЕННОГО ЛЕДОКОЛЬНОГО ФЛОТА ОТ ЛЕДОВЫХ УСЛОВИЙ НА РОССИЙСКИХ МОРЯХ
Dependence of the modern icebreaker fleet from ice conditions on the Russian seas
В статье рассматривается современное состояние российского ледокольного флота. Доказана возможность использования такого параметра, как сумма градусодней мороза, для характеристики легких, средних и тяжелых ледовых условий на российских морях. Выполнен анализ ограничений по режиму ледового плавания судов разных ледовых категорий для легких, средних и тяжелых ледовых условий. Показано, что мощность современного ледокольного флота позволяет в целом осуществлять судоходство в российских морях одинаково успешно как в условиях мягкой и умеренной, так и в условиях суровой и экстремально суровой зим. На основе выполненного анализа строительства и эксплуатации ледокольного флота в XXI веке сделан вывод о том, что реальные сложности зимнего мореплавания в неарктических морях связаны, прежде всего, не с толщиной льда, а с увеличением количества и габаритов судов, проводимых ледоколами.
The article considers the current state of the Russian icebreaker fleet. The possibility of using such a parameter as the sum of degree-days of frost to characterize light, medium and heavy ice conditions in the non-Arctic seas is proved. The analysis of restrictions of the regime of ice navigation of vessels of different ice categories in the waters of the non-Arctic seas for light, medium and heavy ice conditions is carried out. A quantitative assessment of the compliance with technical specifications of the icebreaker fleet on the seas with different ice conditions in these seas. It is shown that the power of the modem icebreaker fleet allows navigation on the Russian seas to be equally successful in conditions of mild and moderate, and in conditions of severe and extremely severe winters. At the same time, the increase in the power of the icebreakers under construction and design and the decrease in the thickness of ice due to sustainable warming in all Russian seas increase the guarantees of safety of the navigation of ships and icebreakers in ice and reduce the dependence of ice navigation on the severity of ice conditions. Based on the analysis of the construction and operation of the icebreaker fleet in the XXI century, it is concluded that the real difficulties of winter navigation in the non-Arctic seas are associated primarily with an increase in the number and size of vessels which participate in icebreaking operations.
Введение Для планирования морских операций в российских морях в ледовый период необходимо составление долгосрочных ледовых прогнозов на предстоящий ледовый сезон. К выполнению этой задачи со стороны Росгидромета привлекаются Арктический и антарктический научно-исследовательский институт (ААНИИ) для подготовки фонового прогноза по арктическим морям на июнь-сентябрь и Гидрометцентр России (ГМЦ России) для подготовки фонового прогноза по неарктическим морям на октябрь - июнь предстоящего ледового сезона. Заблаговременность прогнозов ААНИИ для арктических морей, выполняемых в марте и июне, составляет от 1 до 4 месяцев. Заблаговременность прогноза ГМЦ России для неарктических морей, выполняемого в начале октября, составляет от 2 до 8 месяцев для разных элементов ледового режима (дат появления льда и очищения моря ото льда; максимальных за зиму толщин льда; ледовитости морей и продолжительности ледового периода на акваториях портов). Оправдываемость долгосрочного прогноза ГМЦ России составляет 70-75 % (при обеспеченности методов по зависимым рядам 80 % и более) [2]. Многолетние дискуссии, касающиеся целесообразности составления долгосрочных прогнозов со ссылками на отказ от них наших зарубежных коллег, не привели пока к решению Росгидромета прекратить разработку долгосрочных прогнозов. Долгосрочные прогнозы ААНИИ и ГМЦ России используются в ФГБУ «Администрация Северного морского пути» и ФГУП «Росморпорт» при планировании расстановки ледокольного флота в период летней арктической и зимней неарктической навигаций. Главной практической задачей составления долгосрочного ледового прогноза является попытка предупреждения морского сообщества об ожидаемой на конкретном море степени тяжести ледовых условиях. При этом предполагается, что эти условия могут быть легкими (Л), средними (С) или тяжелыми (Т). Понятие «тяжелые ледовые условия» субъективно и во многом зависит не только от географической широты и мощности ледокольного флота, но и от характера климатической эпохи, в условиях которой привыкли работать судоводители. Судоходные компании в последнее десятилетие существенно поменяли стереотипы, связанные с «тяжелыми» ледовыми условиями. Несколько раз (например, в январе 2008 года и в марте 2012 года) специалисты Минтранса России обращались в Росгидромет с просьбой определить, следует ли считать ледовые условия в Азовском море экстремально сложными для судоходства. Действительно, в январе 2008 года в Керченском проливе около 150 судов ожидали ледокольной проводки у кромки льда. При этом в соответствии с типизацией зим по сумме градусодней мороза (СГДМ), зима 2007/2008 гг. (так же, как и зима 2011/2012 гг.) на Азовском море соответствовала критериям умеренной зимы по стереотипу XX века, для которого суровыми в Азовском море считаются такие зимы, когда толщины припайного льда достигают 45-60 см [3]. Подобные проблемы возникали и в Финском заливе, где суровая зима (по меркам XX века) не наблюдалась уже 30 лет (последняя была в 1986/1987 гг.). Так, например, в навигацию 2010/2011 гг. (умеренная зима) суда проводились десятью ледоколами, тем не менее в связи с «тяжелой» ледовой обстановкой в СТР. 12 ICE CONDITIONS IN THE ARCTIC RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO s\\\\ Russian Arctic Финский залив впервые в истории был заведен атомный ледокол «Вайгач». Услуги ледокола требовались для сопровождения супертанкеров с нефтепродуктами из порта Приморск. Практика использования атомных ледоколов для проводки судов в Финском заливе была сохранена и в 2012 г. (а/л «Россия» и а/л «50 лет Победы»), и в 2013 г. (а/л «Россия»). Целью статьи является оценка соответствия технических характеристик ледокольного флота на разных морях России ледовым условиям этих морей, не только для современного периода потепления климата, но и для самых суровых зим, наблюдавшихся в XX веке. 1. Использованные данные о гидрометеорологических условиях и состоянии ледокольного флота. В табл. 1 приведены данные о рядах наблюдений за характеристиками природной среды, использованные для анализа легких, средних и тяжелых ледовых условий в различных морях. Таблица 1 - Ряды наблюдений за характеристиками природной среды Море Район моря или пункт наблюдений Характеристика Период наблюдений, годы Число лет наблюдений Карское море о. Диксон СГДМ 1921-2018 98 ТЛ 1926-2018 93 Белое море Архангельск СГДМ 1813-2018 206 о. Мудьюг ТЛ 1914-2018 105 Балтийское море Санкт-Петербург СГДМ 1811-2018 208 Кронштадт ТЛ 1911-2018 108 Выборг ТЛ 1930-2018 89 Азовское море Ростов-на-Дону СГДМ 1882-2018 137 Таганрог ТЛ 1924-2018 95 Каспийское море Астрахань СГДМ 1846-2018 173 о. Большой Пешной ТЛ 1930-2018 89 о. Искусственный - Лагань ТЛ 1953-2018 66 Берингово море Анадырь СГДМ 1916-2018 103 ТЛ 1963-2018 56 Охотское море Магадан СГДМ 1933-2018 86 ТЛ 1933-1994 65 Поронайск СГДМ 1909-2018 110 Аян ТЛ 1934-2018 85 Японское море Александровск-Сахалинский СГДМ 1891-2018 128 ТЛ 1953-2018 66 Примечание. СГД М - сумма градусодней мороза, ТЛ - толщина припайного льда. В статье часто будет упоминаться ледовая классификации судов, поэтому в табл. 2 приводятся характеристики ледовых категорий ледоколов и судов. В табл. 3 - принятые на практике соответствия разрешенных действий судоводителей типам ледовых условий в арктических морях и в суровом неарктическом Беринговом море. В табл. 4 - действующие ограничения плавания на акватории неарктических портов. Таблица 2 - Характеристики для ледовых категорий ледоколов (ЛКЛ) и судов (ЛКС) Символ ЛКЛ и ЛКС Характеристика операций, разрешенных во льдах Мощность, кВт Ледокол, ЛЛ1 В АМ по прибрежным и высокоширотным заприпайным трассам в течение всего года. Непрерывный ход в сплошном льду толщиной более 2,0 м. 47807 кВт и более. Ледокол, ЛЛ2 В АМ в летний период, а в зимний период по прибрежным трассам. Непрерывный ход в сплошном льду в сплошном льду толщиной менее 2,0 м. от 22065 до 47807 Ледокол, ЛЛ3 В АМ, в мелководных и устьевых участках рек, впадающих в АМ, в зимний период самостоятельно, а также в АМ по прибрежным трассам с ледоколами высших категорий. Непрерывный ход в сплошном льду до 1,5 м. от 11032 до 22065 Ледокол, ЛЛ4 В портовых и припортовых акваториях в течение всего года самостоятельно, а также в НАМ в зимний период совместно с ледоколами высших категорий. Непрерывный ход в сплошном льду толщиной до 1,0 м. Менее 11032 Судно, Arc9 В АМ в сплоченных льдах толщиной до 3,5 м в зимне-весеннюю навигацию и до 4,0 м в летне-осеннюю навигацию. - Судно, Arc8 В АМ в сплоченных льдах толщиной до 2,1 м в зимне-весеннюю навигацию и до 3,1 м в летне-осеннюю навигацию; за ледоколом во льдах толщиной до 3,4 м в зимне-весеннюю навигацию и в летне-осеннюю навигацию. - Судно, Arc7 В АМ в сплоченных льдах толщиной до 1,4 м в зимне-весеннюю навигацию и до 1,7 м в летне-осеннюю навигацию; за ледоколом во льдах толщиной до 2,0 м в зимне-весеннюю навигацию и во льдах толщиной до 3,2 м в летне-осеннюю навигацию. Судно, Arc6 В АМ в разреженных льдах толщиной до 1,1 м в зимне-весеннюю навигацию и до 1,3 м в летне-осеннюю навигацию; за ледоколом во льдах толщиной до 1,2 м в зимне-весеннюю навигацию и до 1,7 м в летне-осеннюю навигацию. - Судно, Arc5 В АМ в разреженных льдах толщиной до 0,8 м в зимне-весеннюю навигацию и до 1,0 м в летне-осеннюю навигацию; за ледоколом во льдах толщиной до 0,9 м в зимне-весеннюю навигацию и до 1,2 м в летне-осеннюю навигацию. - Судно, Arc4 В АМ в разреженных льдах толщиной до 0,6 м в зимне-весеннюю навигацию и до 0,8 м в летне-осеннюю навигацию; за ледоколом во льдах толщиной до 0,7 м в зимне-весеннюю навигацию и до 1,0 м в летне-осеннюю навигацию. - Судно, Ice3 Самостоятельное плавание в мелкобитом разреженном льду в НАМ и в сплошном льду в канале за ледоколом при толщине льда до 0,7 м. - Судно, Ice2 Самостоятельное плавание в мелкобитом разреженном льду в НАМ и в сплошном льду в канале за ледоколом при толщине льда до 0,55 м. - Судно, Ice1 Самостоятельное эпизодическое плавание в мелкобитом разреженном льду в НАМ и в сплошном льду в канале за ледоколом при толщине до 0,4 м. - Судно, UL Самостоятельное плавание в АМ в летне-осенний период навигации в легких ледовых условиях и в замерзающих неарктических морях круглогодично. - Судно, ULA Самостоятельное плавание во всех районах Мирового океана в летне-осенний период навигации. - Примечание. АМ - арктические моря, НАМ - неарктические моря. ICE CONDITIONS IN THE ARCTIC СТР. 13 RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO s\\\\ Russian Arctic Таблица 3 - Ограничения для судов по режиму ледового плавания в арктических морях и в Беринговом море Тип ледовых условий Ледовая обстановка Суда, допускаемые к плаванию во льдах самостоятельно под проводкой ледоколов Легкий Начальные, молодые и однолетние тонкие льды (до 0,7 м), возможно появление и присутствие однолетних средних льдов (мене 1,2 м) в количестве до 25 %_ Суда категории Arc 4 и выше Суда категории Arc 4 и выше Средний Однолетний средний лед (до 1,2 м) в количестве от 25 % и более, возможно присутствие однолетних толстых льдов (более 1,2 м) в количестве до 25 % Суда категории Arc 7 и выше Суда категории Arc 6 и выше Тяжелый Однолетний толстый лед (более 1,2 м) и старые льды (2 м и более) в количестве от 25 % и более. Суда категории Arc 8 - Arc 9 Суда категории Arc 7 и выше Таблица 4 - Ограничения для судов по режиму ледового плавания в неарктических морях Тип ледовых условий северные моря южные моря Толщина ледяного покрова Суда, допускаемые к плаванию во льдах самостоятельно под проводкой ледоколов не допускаются Легкий Легкий 10-15 см Суда категории Ice1 и выше Суда без ледовых усилений и выше Буксирно-баржевые составы Средний Средний 15-30 см Суда категории Ice2 и выше Суда категории Ice1 Суда без ледовых категорий, буксирно-баржевые составы Средний Тяжелый 30-50 см Суда категории Ice3 и выше Суда категории Ice1 и Ice2 Суда без ледовых категорий, буксирно-баржевые составы Тяжелый Экстремально тяжелый более 50 см Суда категории Arc4 и выше Суда категории Ice2 и Ice3 Суда без ледовых категорий и категорий Ice1, буксирно_баржевые составы_ Примечание. К северным морям условно отнесены Белое море, Финский залив, дальневосточные моря; к южным морям - Азовское и Каспийское моря Из табл. 4 следует: - судам с категориями ледовых усилений Arc 4 и Arc 5 разрешено совершать самостоятельное плавание только при легком типе ледовых условий; - судам с категорией ледовых усилений Arc 6 разрешено совершать самостоятельное плавание при легких ледовых условиях и под проводкой ледоколов при средних ледовых условиях; - судам с категорией ледовых усилений Arc 7 разрешено совершать самостоятельное плавание при средних ледовых условиях и под проводкой ледоколов при тяжелых ледовых условиях; - судам с категорией ледовых усилений Arc 8 и Arc 9 разрешено совершать самостоятельное плавание при любом типе ледовых условий. Сравнение табл. 3 и 4 показывает, что легкие ледовые условия для арктических морей и для Берингова моря являются экстремально тяжелыми для Азовского и Каспийского морей. Для южных и северных морей по-разному характеризуются понятия «легкие» и «тяжелые» ледовые условия. Ледовые качества судов, участвующих в плаваниях во льдах, и мощности ледокольного флота, работающего в этих морях, также существенно отличаются. Причем, исторически так сложилось, что сообщество судов и ледоколов, традиционно работающих в том или ином море, ориентировано, как правило, на средние ледовые условия в этом море. В табл. 5 приведена реальная расстановка ледокольного флота в российских морях, утвержденная Минтрансом на период ледокольной проводки 2017/2018 гг., и рассчитаны средние мощности ледоколов (на валах или гребных электродвигателях для ледоколов с винто-рулевыми колонками (ВРК). Таблица 5 - Расстановка ледоколов, утвержденная Минтрансом, на период ледокольной проводки 2017/2018 гг. в замерзающих портах России Море, Район работы Ледокол, Мощность, Средняя мощность, кВт район Буксир кВт трасса порты Карское Карское море, Сабетта а/л «50 лет Победы» 49000 40750 16000 море Карское море, Сабетта а/л «Ямал» 49000 Обская губа, Сабетта а/л «Вайгач» 32500 Енисейский залив а/л «Таймыр» 32500 Акватория порта Сабетта л/к «Москва» 16000 Белое Море, трасса л/к «Диксон» 7000 16750 3200 море Море, трасса л/к «Адмирал Макаров» 26500 Порты Архангельск, Онега л/к «Кап. Евдокимов» 3800 Порты Архангельск, Кандалакша л/к «Кап. Косолапов» 2500 Порты Архангельск, Онега л/к «Кап. Чадаев» 3300 Финский Залив, трасса л/к «Кап. Сорокин» 16200 18480 3970 залив Залив, трасса л/к «Ермак» 26500 Залив, трасса л/к «Мурманск» 18000 Залив, трасса л/к «Кап. Николаев» 16200 Залив, трасса л/к «Новороссийск» 18000 Залив, трасса л/к «Санкт-Петербург» 16000 Порт Санкт-Петербург л/к «Мудьюг» 7000 Порт Санкт л/к «Семен Дежнев» 3450 Порт Санкт л/к «Иван Крузенштерн» 3900 Порт Усть-Луга л/к «Кару» 4160 Порт Усть-Луга л /к «Кап. Плахин» 3300 Порты Выборг, Высоцк л/к «Кап. Измайлов» 2500 Порты Выборг, Высоцк л/к «Юрий Лисянский» 3500 Азовское Море, трасса л/к «Кап. Мошкин» 3800 3600 1180 море Море, трасса л/к «Кап. Демидов» 3800 Море, трасса л/к «Кап. Чудинов» 3800 Море, трасса л/к «Кап. Зарубин» 3300 Море, трасса л/к «Кап. Крутов» 3300 Порт Таганрог б/л «Кама» 1660 СТР.14 ICE CONDITIONS IN THE ARCTIC RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO /** vS Russian / \\ \\ Arctic Море, Район работы Ледокол, Мощность, Средняя мощность, кВт район Буксир кВт трасса порты Порты Азов, Ростов-на-Дону б/л «Кап. Харчиков» 1660 Порты Азов, Ростов-на-Дону «Фанагория» 544 Порт Ейск «Техфлотец» 1180 Порт Ейск «Колгуев» 860 Каспийское Море, порты Оля, Астрахань л/к «Кап. Чечкин» 3300 3470 3470 море Море, порты Оля, Астрахань л/к «Кап. Букаев» 3300 Море, порты Оля, Астрахань л/к «Кап. Мецайк» 3800 Охотское море Море, трасса, порт Магадан л/к «Магадан» 7000 11600 11600 Море, трасса, Пригородное л/к «Кап. Хлебников» 16200 Пролив, трасса л/к «Красин» 26500 1610 3320 Татарский пролив Пролив, трасса, Порт Ванино мфсс «Спас. Кавдейкин» 5760 Порт Ванино буксир «Хасанец» 884 Залив Петра ЗПВ, Порт Владивосток буксир «В. Мухортов» 883 1490 1490 Великого ЗПВ, Порт Восточный буксир «Олимп» 1910 ЗПВ, Порт Ольга буксир «Бархат-1» 600 ЗПВ, Порт Посьет буксир «Хасан» 2029 ЗПВ, Порт Посьет Буксир Алеут 2029 2. Принципы деления ледовых условий на легкие, средние и тяжелые для арктических и неарктических морей. Исследования показывают, что на неарктических морях мягким с точки зрения температурного режима зимам соответствуют легкие ледовые условии, умеренным зимам - средние ледовые условия, суровым зимам - тяжелые ледовые условия [1]. Способ выделения групп мягких, умеренных и суровых зим по СГДМ традиционен и хорошо зарекомендовал себя при характеристике ледовых условий на различных морях. Этот подход в качестве основного использовал в своих работах крупнейший специалист по теории ледовых плаваний, в частности, по ледопроходимости судов в арктических и неарктических морях, П. А. Гордиенко [9 11]. В работах Гордиенко П.А. ледопроходимость судов исследовалась на примере движения во льдах различной толщины дизельного ледокола «Москва» 1960 года постройки с очень большой для того времени мощностью на гребных винтах - 16000 кВт (общей мощностью 19000 кВт). Новая серия из пяти дизельных ледоколов, вступивших в строй в 2008-2016 гг. (головной ледокол серии также назван «Москва»), имеют показатели по общей мощности 21000-27840 кВт. В последнее время наблюдается рост мощности ледоколов на фоне устойчивого потепления. И в этих условиях важно не только выяснить, достаточно ли использовать сумму градусодней мороза для характеристики различных типов ледовых условий, но и определить, соответствуют ли мощности ледокольного флота на разных морях наблюдаемым в них ледовым условиям, а также понять, что в этой ситуации означает термин «тяжелые ледовые условия». При современном ледокольном оснащении, например, Северо-Западного бассейнового филиала Росморпорта говорить о «тяжелых» ледовых условиях в Финском заливе можно лишь условно. Основной причиной привлечения атомного флота в Финский залив послужила все-таки не суровость зим, а необходимость прокладки широких каналов для крупногабаритных танкеров. Однако вероятность наступления настоящих суровых зим, сведения о которых сохранили уникальные материалы наблюдений за ледяным покровом, выполненные в XX веке, все-таки существует. Наблюдения за ледовыми условиями для наиболее суровых за весь период наблюдений зим, соответствующие самым тяжелым ледовым условиям, имеют большую практическую ценность. Проектировщики гидротехнических сооружений и ледоколов закладывают в расчеты именно данные экстремальных зим. В частности, при строительстве Керченского моста для расчета возможных ледовых нагрузок на опоры использовалась толщина льда в Тамани, наблюдавшаяся в самую суровую зиму на Азовском море в 1954 году и составлявшая 64 см. Также, используя информацию об экстремальных ледовых условиях в Арктике, наблюдавшихся в 50-90-х гг. прошлого века, проектировщики атомных ледоколов увеличивают мощность атомных ледоколов. Проектная ледопроходимость для наиболее мощных на сегодняшний день работающих атомных ледоколов «50 лет Победы» и «Ямал» составляет 2,2-2,9 м (реальная -2,25 м). В 2012 году АО «Балтийский завод» начало постройку головного корабля новой серии ледоколов -проект 22220 (ЛК-60Я). Отличие этой серии от предыдущей серии «Арктика» состоит, например, в увеличении ширины корпуса на 4 метра (до 34 м). Это необходимо для проводки крупнотоннажных танкеров. Кроме того, ледокол новой серии может совмещать функции глубокосидящего ледокола, способного работать в Центральной Арктике, и мелкосидящего ледокола, работающего в устьях сибирских рек. Это двухосадочный ледокол, который может принимать на борт 9 тыс. тонн балластной воды и, освобождаясь от нее, уменьшать осадку с 10,5 м до 8,5 м. Мощность ледоколов этой серии достигает 60000 кВт. Предполагается, что первый ледокол серии с легендарным названием «Арктика» будет введен в эксплуатацию в 2020 году, за ним будут введены, а/л «Сибирь» (2021 г.) и а/л «Урал» (2022 г.). В настоящее время обсуждается проект а/л «Лидер» мощностью 120000 кВт, шириной 47,7 м с проектной ледопроходимостью 4,3 м. Таковы планы отечественных судостроителей, которые каждое десятилетие повышают гарантированную надежность плавания в любых ледовых условиях. Вот только хорошо бы соблюдать баланс между желанием получения больших средств на строительство суперледоколов и реальной необходимостью строительства таких ледоколов. Многолетняя практика гидрометеорологического и ледового обслуживания судоходства в холодный период времени на неарктических морях показывает, что отклонение средней СГДМ конкретного ледового сезона в сторону суровой зимы, тем не менее, может создавать проблемы для судоходства во льдах любого моря. Основы принципа деления ледовых условий на легкие, средние и тяжелые для арктических морей в течение многих лет разрабатываются в ААНИИ. К необходимости создать такую типизацию привели расширение районов промышленного освоения севера, увеличение продолжительности навигации, ожидаемое увеличение в несколько раз грузопотока в Арктике уже к 2024 году. СТР. 15 ICE CONDITIONS IN THE ARCTIC RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO s\\\\ Russian Arctic Особенностью зимних ледовых условий в Арктике является, прежде всего, наличие остаточного льда на момент начала нового сезонного ледообразования. В ледовые сезоны 60-80-х гг. прошлого века этот фактор в равной мере со степенью выхолаживания (характеризуемого СГДМ) влиял на тяжесть ледовых условий не только в предстоящую летнюю навигацию, но и в последующий (наступающий через год) ледовый сезон. Основным принципом, положенным в основу типизации в Арктике, является однозначность выделения одного из трех типов ледовых условий - легкий, средний или тяжелый. Указаний на то, какие ледовые условия можно считать легкими, средними, тяжелыми в нормативных документах Росморречфлота и Росгидромета отсутствуют. Существует ряд документов, в которых приведены указания по допуску судов на трассу Северного морского пути (СМП) в различных ледовых условиях [8] и осредненная информация о допускаемых районах эксплуатации и условиях ледового плавания [7]. Большой помощью при определении Л, С и Т ледовых условий является накопленный опыт зимних навигаций во время плавания судов ПАО «ГМК «Норильский Никель» в юго-западной части Карского моря и в Енисейском заливе. Для анализа возможности использования единой характеристики - суммы градусодней мороза (СГДМ) при определении тяжести ледовых условий на различных морях были изучены линейные зависимости между СГДМ и рядом ледовых параметров. Эти зависимости показаны в табл. 6. Таблица 6 - Данные о зависимостях между СГДМ (SG) и ледовыми характеристиками на семи неарктических морях Море, район Зависимость между параметрами Формула К Карское море СГДМ в Диксоне и Emax в районе ГМС Диксон 0,0301 SG+29,7 0,72 СГДМ в Диксоне и Lix в Карском море 0,0172SG-50,4 0,55 Белое море СГДМ в Архангельске и Kmax в районе ГМС Мудьюг 0,0276 SG+31,1 0,70 СГДМ в Архангельске и Lmax в Воронке моря 0,0223 SG+50,4 0,61 Балтийское море СГДМ в С-Петербурге и Ншги в районе ГМС Кронштадт 0,0321 SG +29,9 0,76 СГДМ в С-Петербурге и Ншги в районе ГМС Выборг 0,0296'SG +33,2 0,72 СГДМ в С-Петербурге и Lmax Финского залива 0,0696 SG+36,2 0,78 СГДМ в С-Петербурге и Lmax Балтийского моря 0,0683 SG+0,1 0,87 Азовское море СГДМ в Ростове-на-Дону и ^ax в районе ГМС Таганрог 0,0589'SG +11,7 0,86 СГДМ в Ростове-на-Дону и Lmax Азовского моря 0,1116SG+30,4 0,76 Каспийское море СГДМ в Астрахани и ^ax в районе ГМС Пешной 0,0589'SG +11,7 0,86 СГДМ в Астрахани и ^ax в районе ГМС о. Искусственный 0,0449 SG +7,5 0,84 СГДМ в Астрахани и Lmax Северного Каспия 0,0347 SG+65,3 0,77 Берингово море СГДМ в Анадыре и ^ax в районе ГМС Анадырь 0,0356 SG +3,2 0,75 СГДМ в Анадыре и Lmax Берингова моря 0,0088 SG+5,5 0,62 Охотское море СГДМ в Магадане и ^ax в районе ГМС Аян 0,0473 SG +4,2 0,68 СГДМ в Магадане и L max Охотского моря 0,0298 SG+6,6 0,68 СГДМ в Поронайске и Lmax Охотского моря 0,0428 SG+3,5 0,74 СГДМ средняя для Поронайска и Магадана и Lmax Охотского моря 0,0421 SG-8,5 0,77 Японское море, Татарский пролив СГДМ в Ал.Сах. и ^ax в районе ГМС Ал. Сах. 0,0473'SG +4,2 0,68 СГДМ в Ал.Сах. и Lmax Татарского пролива 0,0298 SG+6,6 0,68 Примечание. ^ax - наибольшая за ледовый сезон толщиной льда в см; Lmax - наибольшая за ледовый сезон среднемесячная ледовитость в %, К - коэффициент корреляции между расчетными и фактическими характеристиками. Анализ табл. 6 показывает довольно тесную связь СГДМ с характеристиками ледовых условий на неарктических морях (период обобщения с 1950 по 2018 год). При этом изменчивость коэффициентов корреляции для разных морей и ледовых характеристик варьирует от 0,6 до 0,8. Для арктического Карского моря выявлена слабая связь между СГДМ и средней сентябрьской ледовитостью моря (K=0,55), что свидетельствует о необходимости привлечения дополнительных параметров, описывающих степень тяжести ледовых условий в арктических морях. В ААНИИ используют данные о возрастных характеристиках дрейфующего льда или о состоянии арктических ледяных массивов [12]. В табл. 7 приведена осредненная количественная информация о допустимой толщине льда, при которой судно может двигаться в канале за ледоколом с малой скоростью (от 2 до 5 узлов), не подвергаясь повышенному риску получения повреждений в результате взаимодействия корпуса со льдом. В табл. 8 приведена информация о допустимой скорости, которую суда арктических категорий могут развивать в указанных ледовых условиях, в режиме самостоятельного плавания. Таблица 7 - Допустимые соответствия ледовых категорий судов и толщина льда для ледокольных проводок Ледовая категория судна Возрастная характеристика, толщина льда, м Зимне-весенняя навигация Летне-осенняя навигация Arc4 Тонкий однолетний, до 0,7 м Средний однолетний, до 0,9 м Arc5 Средний однолетний, до 0,8 м Средний однолетний, до 1,2 м Arc6 Средний однолетний, до 1,2 м Толстый однолетний, до 1,5 м Arc7 Толстый однолетний, до 1,8 м Многолетний, до 3,2 м Arc8 Многолетний, до 3,2 м Многолетний, до 3,4 м Arc9 Многолетний, до 3,5 м Многолетний, более 3,5 м Таблица 8 - Допустимые скорости (Удоп.) судов различных ледовых категорий (ЛКС) при самостоятельном плавании в различных ледовых условиях ЛКС ^доп, Сплоченность (баллы), Возраст Толщина льда, м Узлы льда Зимне-весенняя навигация Летне-осенняя навигация Arc4 6-8 1-6 однолетний 0,6 0,8 Arc5 « 1-6 однолетний 0,8 1,0 Arc6 « 1-6 однолетний 1,1 1,3 Arc7 « 7-8 однолетний 1,4 1,7 Arc8 10 7-8 многолетний 2,1 3,0 Arc9 12 9-10 многолетний 3.5 4,0 СТР. 16 ICE CONDITIONS IN THE ARCTIC RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO /** vS Russian / \\ \\ Arctic Из приведенных сведений можно установить, что ориентировочная предельная толщина ледяного покрова для судов с категориями ледовых усилений Arc 4 - Arc 6, при которой им разрешено самостоятельное плавание со скоростью до 6-8 узлов (легкие ледовые условия), составляет 0,6-1,1 м при частной сплоченности такого льда до 6 баллов. Различные вариации скорости движения, толщины и частной сплоченности льда могут дать несколько наборов разных сочетаний скорость-толщина-сплоченность, но определяющими в этом случае все равно остаются толщины льда, в которых судам разрешено находиться. С учетом принципа более строгой оценки для выбора критерия типизации можно установить, что легкими ледовыми условиями для судов с категориями ледовых усилений Arc 4 - Arc 6 и тем более для судов с более высокими категориями (Arc 7 - Arc 9) могут считаться условия, при которых преобладают начальные, молодые и однолетние тонкие льды (льды толщиной до 0,7 м). Используя аналогичный подход можно установить, что граница средних ледовых условий, при которых разрешено плавание судов с категориями ледовых усилений Arc 6 под проводкой ледокола и самостоятельное плавание для судов с категориями ледовых усилений Arc 7 являются соответственно толщины льда до 1,2 м и 1,4 м. С учетом принципа более строгой оценки для выбора критерия можно установить, что средними ледовыми условиями для судов с категориями ледовых усилений Arc 6 - Arc 7 и для судов с более высокими категориями (Arc 7 - Arc 9) могут считаться условия, при которых преобладают льды возрастной градации не более однолетних средних льдов (льды толщиной до 1,2 м). Тяжелыми ледовыми условиями, в которых без ограничения разрешено плавать судам с категориями ледовых усилений Arc 8-Arc 9 и ограниченно - судам с категорией ледовых усилений Arc 7, могут считаться условия, при которых в районах плавания наблюдаются однолетние толстые и старые льды (льды толщиной более 1,2 м). Эти границы хорошо совпадают с основными возрастными градациями льда, которые надежно выделяются на картах распределения льда и предусмотрены международной и национальной символикой для морских ледовых карт и номенклатурой морских льдов. Это означает, что определение этих возрастных градаций общепринято, не вызывает затруднений и хорошо знакомо капитанам и штурманскому составу судов и ледоколов. Однако необходимо учитывать, что ледяной покров по мере нарастания толщины льда переходит в следующую возрастную градацию толщины льда не одномоментно. Исследования показали, что переход ледяного покрова из однолетних тонких в однолетние средние и далее в однолетние толстые может занимать от 1 до 4-5 декад. Первое появление более толстого льда не должно означать однозначную смену типа ледовых условий. Это может существенно уменьшить продолжительность навигационных периодов. Появление более старшей возрастной градации льдов должно быть надежно определяемым по данным ИСЗ и судовым наблюдениям. Опыт проводки судов и обеспечения навигации показывает, что пока судоводитель имеет возможность при движении судна с помощью маневрирования избегать критических льдов, возможность плавания должна сохраняться. Опыт навигаций и статистические расчеты показывают, что при частной сплоченности в 1-2 балла судно при движении и маневрировании может свободно избегать встречи с льдами, критичной для него возрастной градации. При частной сплоченности более 2 3 баллов избежать встречи со льдами критичной для него возрастной градации гораздо труднее, а при сплоченности более 4-5 баллов - практически невозможно. Это позволяет несколько расширить границы выбранных критериев для определения типа ледовых условий. Но необходимо учитывать, что точность при дешифрировании спутниковых снимков и определении возраста льдов и границ распространения льдов составляет около ±1 балла. Поэтому предлагается установить границу возможного присутствия нежелательных льдов в 3 балла (30 % от общего количества всех льдов). Это гарантирует, что количество нежелательных льдов при ошибке дешифрирования (что случается правда достаточно редко) не превысит 4 баллов (40 %) общего количества льдов, т.е. сплоченности, при которой избежать встречи с такими льдами будет невозможно. В юго-западной части Карского моря припайные льды расположены узкой полосой вдоль берега на мелководье и не имеют навигационного значения. Поэтому их предлагается не учитывать в возрастном составе льдов, среди которых происходит плавание. В северо-восточной части моря припай с определенного момента перекрывает западные подходы к проливу Вилькицкого. Припай является средой активного судоходства и состав льдов в нем необходимо учитывать. С учетом вышеназванного предлагается установить следующие критерии (граничные условия) для определения типов ледовых условий в Карском море для зимнего периода. Легкий тип ледовых условий - на акватории района наблюдаются начальные, молодые и однолетние тонкие льды (до 0.7 м), возможно появление и присутствие однолетних средних льдов в количестве до 30 % ^средн < 30 %); Средний тип ледовых условий - на акватории района наблюдаются однолетние средние льды (до 1,2 м) в количестве от 30 % и более ^средн > 30 % ), возможно появление и присутствие однолетних толстых льдов в количестве до 30 % (S толст < 30 %); Тяжелый тип ледовых условий - на акватории района наблюдаются однолетние толстые льды (более 1,2 м) и старые льды в количестве от 30% (Stotcx > 30 %) и более. В зимне-весенний период в Арктике в XXI веке (в условиях потепления) для условий, когда на трассах преобладает только однолетний лед осеннего образования, имеет смысл, как и для неарктических морей, установить связь между типами ледовых условий и СГДМ. В табл. 9 в качестве примера показаны результаты, полученные с помощью формулы из табл. 6 для толщины льда (Н) и СГДМ в см (SG) в районе ГМС Диксон (степень связи определяется коэффициентом корреляции К=0,72). Формула обратной связи выглядит так: SG= 33,2H-987. СТР.17 ICE CONDITIONS IN THE ARCTIC RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO s\\\\ Russian Arctic Таблица 9 - Допустимые соответствия ледовых категорий судов и ледовых условий для плавания в зимне-весеннюю навигацию Ледовая категория судна Возрастная характеристика, толщина льда, см СГДМ, °С Arc4 Тонкий однолетний, до 70 см Менее 1340 Arc5 Средний однолетний, до 80 см Менее 1670 Arc6 Средний однолетний, до 120 см Менее 2300 Arc7 Толстый однолетний, до 180 см Менее 4990 Arc8 Многолетний, более 200 см Более 5650 Arc9 Многолетний, более 200 см Более 5650 Примечание: максимальная наблюденная СГДМ на о. Диксон (1968/1969 гг.) равна 5800 °С. Опыт предыдущих исследований [1] показывает, что зависимости между СГДМ и ледовыми характеристиками льда на неарктических морях сохраняются в радиусе 600-700 км относительно расположения ГМС, принятой в качестве репрезентативной. Это условие соблюдается для ГМС Архангельск в Белом море, имеющем меридиональную протяженность около 500 км; для ГМС Ростов-на-Дону в Азовском море, имеющем меридиональную протяженность около 180 км; для ГМС Астрахань на Северном Каспии, имеющем меридиональную протяженность около 270 км; для ГМС Александров-Сахалинский в Татарском проливе, имеющем меридиональную протяженность около 650 км. Меридиональная протяженность Балтийского моря составляет 1200 км. Зависимость между СГДМ в Санкт-Петербурге и максимальной ледовитостью Финского залива определяется коэффициентом корреляции К=0,78. Эту связь можно считать хорошей для Финского залива. Однако необходимо проверить, работает ли она для всего Балтийского моря. Нас интересует в большей степени его наиболее ледовитая северная часть, включающая Ботнический залив, северное побережье которого располагается почти в 700 км от Санкт-Петербурга. Для проверки дальней связи определена зависимость между СГДМ в Санкт-Петербурге и максимальной ледовитостью всего Балтийского моря. В этом случае использованы данные наблюдений FIMR (Finnish Institute of Marine). Оказалось, что степень связи в этом случае даже выше, чем с ледовитостью Финского залива: К= 0,87, что вполне объяснимо, т.к. при расчете ледовитости залива мы искусственно ограничиваем его площадь западной границей, заведомо понижая степень зависимости. Меридиональная протяженность Берингова моря составляет около 1600 км. Однако лед сосредоточен обычно в северной половине моря. Наибольшая протяженность ледовой трассы от Залива Креста до кромки льда составляет около 800 км. Расчет СГДМ выполнялся по данным ГМС Анадырь. Следует учитывать, что на положение кромки льда (и, следовательно, на ледовитость) во всех дальневосточных морях сильное действие оказывают теплые тихоокеанские воды. Это, безусловно, уменьшает зависимость ледовитости от СГДМ. Зависимость между СГДМ в Анадыре и максимальной ледовитостью Берингова моря определяется коэффициентом корреляции К=0,62 и ее можно считать удовлетворительной. Зависимость между СГДМ и толщиной льда в Анадыре довольно высокая, определяемая коэффициентом корреляции К=0,76. Охотское море занимает площадь, равную 1583 тыс. км2, меридиональная протяженность его составляет около 2200 км. Лед может наблюдаться в любом районе моря. Это наиболее сложное море для классификации степени тяжести ледовых условий для судоходства. Его большая протяженность обусловливает отличия в температурном и ледовом режиме северной, центральной и южной частей моря. Так, экстремально суровая зима для северной части Охотского моря, наблюдавшаяся в 1965/1966 гг., сохраняла свои аномальные свойства до широты Шантарских островов, южнее наблюдалась умеренная зима. Ситуация, когда почти все море покрыто льдом, типична для суровых зим центральной и южной частей Охотского моря. Так было в 2001 году, когда от о-ва Большой Шантар до Южно-Курильска наблюдалась суровая зима, а на севере Охотского моря (по данным Охотска и Магадана) была умеренная зима. В данном случае целесообразно разделить море на два района: северный - к северу от параллели 54° с.ш. и центральноюжный - к югу от этой параллели. Для северного района Охотского моря расчет СГДМ выполнялся по данным ГМС Магадан, а для центрально-южного - по данным ГМС Поронайск. В табл. 10 приведены критерии различных ледовых условий на неарктических морях. Таблица 10 - Критерии различных ледовых условий на неарктических морях Море, район ГМС Критерии по СГДМ, °С Легкие условия (мягкая зима) Средние условия (умеренная зима) Тяжелые условия (суровая зима) Белое Архангельск <1140 1140-1710 >1710 Балтийское, Финский залив Санкт-Петербург <480 480-940 >940 Азовское Ростов-на-Дону <215 215-585 >585 Каспийское, северная часть Астрахань <265 265-640 >640 Берингово, Анадырский залив Анадырь <3310 3310-3940 >3940 Охотское, северный район Магадан <2150 2150-2575 >2575 Охотское, центрально-южный район Поронайск <1530 1530-1960 >1960 Японское, Татарский пролив Александровск Сахалинский <1635 1635-2015 >2015 3. Связь СГДМ с мощностью ледокольного флота на российских морях. Сумму градусодней мороза можно использовать не только для характеристики ледовых условий. Покажем возможность использования прямых зависимостей между СГДМ и техническими характеристиками ледоколов при планировании морских операций. Практический положительный опыт использования ледоколов для обеспечения зимних навигаций в неарктических российских морях, а также для обеспечения круглогодичных плаваний во льдах Арктики в течение многих лет позволяет Минтрансу РФ грамотно осуществлять расстановку ледоколов. При этом самые мощные ледоколы работают в Арктике, а наименее СТР.18 ICE CONDITIONS IN THE ARCTIC RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO /** vS Russian / \\ \\ Arctic мощные - на южных неарктических морях. В табл. 11 приведено соответствие средних мощностей ледоколов, используемых в конкретном море, средних СГДМ для этого моря, средних толщин припайного (Нпр) и дрейфующего льда (Ндр) на момент максимального развития ледяного покрова. Для правильной оценки ледовых условий моря важно установить связь между толщиной припайного и дрейфующего льда. Д.Б. Карелин [4] на основе анализа данных измерений толщины льда во время дрейфа л/к «Ленин» в 1937/1938 гг. в Арктике и сопоставления их с толщиной припайного льда показал, что толщина ровного дрейфующего льда на 5-25% меньше, чем толщина припайного льда. Е.У. Миронов в работах [5, 6] показывает, что по данным наблюдений в море Лаптевых в апреле-мае 1988 г. разница между толщиной дрейфующего и припайного льда составила порядка 2530%. Толщина дрейфующего льда в табл. 11 рассчитана как толщина припайного льда минус 20%. Данные табл. 11 (графы 4 и 6) позволяют построить обобщенный график зависимости между СГДМ и толщинами дрейфующего льда на российских морях (рис. 1) с тесной связью (К=0,97). Таблица 11 - Соответствие средних мощностей ледоколов (Sср), используемых на российских морях, средним ледовым характеристикам этих морей Море, район Sср, кВт Данные ГМС (для СГДМ/Нпр) СГДМ, °С см Ндр, см 1 2 3 4 5 6 Карское море 40750 Диксон/ Диксон 4400 158 126 Белое море 16750 Архангельск/о. Мудьюг 1480 70 56 Балтийское море, Финский залив 18480 С-Петербург/ Кронштадт 770 51 41 Азовское море 3600 Ростов-на-Дону/Таганрог 400 37 30 Северный Каспий 3470 Астрахань/о. Искусственный 460 28 22 Охотское море, северный район 11600 Магадан/Аян 2300 118 94 Японское море, Татарский пролив 1610 Александров-Сахалинский/ Сов. Гавань 1790 100 80 Японское море, ЗПВ 1490 Владивосток/Владивосток 1120 55 50 Рис. 1. Зависимость толщины дрейфующего льда на российских морях от значений СГДМ. Формула для этой зависимости: Ндр = 0,026-SG +21 (1), где Ндр - средняя толщина дрейфующего льда в см, SG - СГДМ в °С. Формула обратной зависимости: SG = 36,023-Ндр - 657 (2). Данные табл. 11 позволяют также построить графики зависимости средних мощностей, используемых ледоколов от: - толщин дрейфующего льда, соответствующих средним ледовым условиям на различных морях (рис. 2а); - средних фактических сумм градусодней мороза (рис. 2б). Формулы линейных трендов описывают зависимость мощности от толщины льда и СГДМ для исторически сложившегося соответствия. Мощность ледоколов для различных толщин льда можно, таким образом, получить по формуле: Sср = 254,5 Hw - 3655,7 (3), где Sср - средняя мощность ледоколов в кВт, Ндр - средняя толщина дрейфующего льда в см. Мощность ледоколов (So) для различных СГДМ можно получить по формуле: Sср = 8,071SG - 614,2 (4). График на рис. 2б показывает возможность использования данных о температуре воздуха для оценки необходимой средней мощности ледокольного флота. а) б) Рис. 2. Зависимость средних мощностей, используемых на различных морях ледоколов, от толщин дрейфующего льда (а) и сумм градусодней мороза (б). В табл. 12 приведены данные о проектной ледопроходимости ледоколов, участвующих в морских операциях на различных российских морях. Соответствующие проектной толщине льда значения СГДМ (графа 7, табл. 12), получены по формуле 2. СТР. 19 ICE CONDITIONS IN THE ARCTIC RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO s\\\\ Russian Arctic Таблица 12 - Проектная ледопроходимость российских ледоколов и соответствующая СГДМ № Ледокол Вид, символ класса Мощность на валах, кВт Общая мощность ПУ, кВт Учв, узлы Н^мак^ м СГДМ, °С 1 2 3 4 5 6 7 1. «50 лет Победы» а/л, ЛЛ1 49000 55200 22 2,2-2,9 7268 2. «Ямал» а/л, ЛЛ1 49000 55200 22 2,2-2,9 7268 3. «Таймыр» а/л, ЛЛ2 32500 36800 18,5 1,7-2,0 5467 4. «Вайгач» а/л, ЛЛ2 32500 36800 18,5 1,7-2,0 5467 5. «Красин» л/к, ЛЛ2 26500 30420 19,8 1,6-1,7 5107 6. «Адм.Макаров» л/к, ЛЛ2 26500 30420 19,8 1,6-1,7 5107 7. «Ермак» л/к, ЛЛ2 26500 30438 19,5 1,6-1,7 5107 8. «Мурманск» л/к, ЛЛ3 18000* 27840 17 1,0-1,5 2945 9. «Владивосток» л/к, ЛЛ3 18000* 27840 17 1,0-1,5 2945 10. «Новороссийск» л/к, ЛЛ3 18000* 27840 17 1,0-1,5 2945 11. «Кап.Драницын» л/к, ЛЛ3 16200 18240 13 1,0-1,5 2945 12. «Кап.Николаев» л/к, ЛЛ3 16200 18240 19 1,0-1,5 2945 13. «Кап. Сорокин» л/к, ЛЛ3 16200 18270 19 1,0-1,5 2945 14. «Кап.Хлебников» л/к, ЛЛ3 16200 18264 19 1,0-1,5 2945 15. «С-Петербург» л/к, ЛЛ3 16000* 21000 17 1,0-1,5 2945 16. «Москва» л/к, ЛЛ3 16000* 21000 17 1,0-1,5 2945 17. «Тор» л/к, ЛЛ4 8200 10172 15 0,8-1,0 2224 18. «Диксон» л/к, ЛЛ4 7000 9560 16,5 0,8-1,0 2224 19. «Мудьюг» л/к, ЛЛ4 7000 9560 16,5 0,8-1,0 2224 20. «Магадан» л/к, ЛЛ4 7000 9560 16,5 0,8-1,0 2224 21. «Кару» л/к, ЛЛ4 4160 5550 13 0,8-1,0 2224 22. «Кап. Евдокимов» л/к, река-море 3800 4815 14 0,7-0,9 1865 23. «Кап. Мецайк» л/к, река-море 3800 4815 14 0,7-0,9 1865 24. «Кап. Мошкин» л/к, река-море 3800 4815 14 0,7-0,9 1865 25. «Кап. Демидов» л/к, река-море 3800 4815 14 0,7-0,9 1865 26. «Кап. Чудинов» л/к, река-море 3800 4815 14 0,7-0,9 1865 27. «Кап. Чадаев» л/к, река-море 3300 4650 14 0,7-0,9 1865 28. «Кап. Чечкин» л/к, река-море 3300 4650 14 0,7-0,9 1865 29. «Кап. Букаев» л/к, река-море 3300 4650 14 0,7-0,9 1865 30. «Кап. Крутов л/к, река-море 3300 4638 14 0,7-0,9 1865 31. «Кап. Зарубин» л/к, река-море 3300 4650 14 0,7-0,9 1865 32. «Кап. Плахин» л/к, река-море 3300 4650 14 0,7-0,9 1865 33. «Иван Крузенштерн» л/к, ЛЛ4 3900 4500 14 0,7-0,9 1865 34. «Семен Дежнев л/к, ЛЛ4 3450 4500 14 0,7-0,9 1865 35. «Юрий Лисянский л/к, ЛЛ4 3500 3975 14 0,7-0,0 1865 36. «Кап. Михаил Измайлов» л/к, ЛЛ4 2500 3912 13 0,6-0,7 1504 37. «Кап. Косолапов» л/к, ЛЛ4 2500 4400 13 0,6-0,7 1504 38. «Севморпуть» а/лих ,УЛ 29420 20,8 0,8-1,0 2945 39. «Спас. Кавдейкин» МФАС Агс5 5760 15 0,8-1,0 2224 40. «Хасан» буксир Arc4 2029 12 0,6-0,7 1504 41. «Алеут» буксир Arc4 2019 12 0,6-0,7 1504 42. «Олимп» буксир Ice3 1910 11,5 0,5 1144 Примечание. *- для этих ледоколов термин «Мощность на валах» некорректен, т.к. на них установлены винто-рулевые колонки (ВРК) с приводом от гребных электродвигателей, правильнее термин «Мощность гребных электродвигателей»;а/л - атомный ледокол, л/к - ледокол, МФАС- многофункциональное спасательное судно, ПУ - пропульсивная установка; Vчв - скорость на чистой воде; Нмакс - максимальная проектная толщина льда при скорости 1-2 узла. На рис. 3 - графики, построенные по табл. 12, зависимости проектной мощности ледоколов от: - толщин льда, соответствующих нижней границе проектной ледопроходимости (из практики известно, что верхняя граница интервалов максимальной проектной толщины льда редко достижима); - СГДМ, соответствующих нижней границе проектной ледопроходимости. Формулы линейных трендов описывают зависимость мощности от толщины льда и СГДМ для проектных характеристик. Проектную мощность ледоколов в зависимости от различных толщин льда описывает формула: Sпроект 284,31^^^ - 14482 (5), где Sпроект - проектная мощность ледоколов в кВт, Нпроект - проектная толщина льда в см. Проектную мощность ледоколов в зависимости от СГДМ описывает формула: S проект = 7,8926 SG - 9296 (6). а) б) Рис. 3. Зависимость проектной мощности ледоколов от толщин льда (а) и сумм градусодней мороза (б), соответствующих нижней границе проектной ледопроходимости. проектной мощностью ледоколов. На рис. 4а показаны совмещенные графики связей: а) между толщиной льда и средней мощностью ледоколов реально используемого флота на различных морях; б) между толщинами льда, соответствующими нижней границе проектной ледопроходимости, и На рис. 4б показаны совмещенные графики связей: а) между СГДМ и средней мощностью ледоколов реально используемого флота на различных морях; б) между СГДМ, соответствующими нижней границе проектной ледопроходимости, и проектной мощностью ледоколов. СТР.20 ICE CONDITIONS IN THE ARCTIC RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO s\\\\ Russian Arctic 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 а) б) Рис. 4. Зависимости мощности ледоколов от а) проектной (черная линия) и средней фактической (красная линия) толщины дрейфующего льда; б) проектной (черная линия) и средней фактической (красная линия) суммы градусодней мороза. Анализ графиков на рис. 4а показывает, что средняя мощность ледоколов, традиционно расставляемых на акваториях российских морей, и соответствующая удовлетворительному (как показывает многолетняя практика) обслуживанию судоходства, значительно (примерно на 8 тыс. кВт) превышает оптимальную (проектную) мощность ледоколов для аналогичных толщин льда. Этот факт вполне объясним тем, что реальные ледокольные работы осуществляются часто в ледовых зонах, покрытых торосистыми образованиями, преодоление которых требует дополнительных мощностей. Кроме того, ледовые условия могут быть более тяжелыми, чем средние. Особый интерес представляет график на рис. 4б совмещенных зависимостей для СГДМ. Его анализ показывает, что СГДМ в зимы со средними ледовыми условиями значительно (примерно на 1000 °С) меньше суммы градусодней мороза, соответствующей мощности ледоколов, традиционно расставляемых на акваториях российских морей. То есть ледокольный флот при стандартной расстановке имеет существенный резерв (превышение) мощности на случай более тяжелых, чем средние, ледовых условий. Для того, чтобы оценить, достаточно ли будет такого резерва для работы в условиях экстремально суровых зим, приведем таблицу отклонений экстремальных значений СГДМ от средних значений (табл. 13). Данные табл. 13 показывают, что резерв в целом достаточен. Таблица 13 - Отклонения экстремальных значений СГДМmax от средних СГДМср, в °С. Море, район ГМС СГДМ max СГДМ ср А СГДМ Белое Архангельск 2325 1480 845 Финский залив Санкт-Петербург 1800 770 1030 Азовское Ростов-на-Дону 1277 400 877 Северный Каспий Астрахань 1240 460 780 Охотское, Северный район Магадан 2955 2300 655 Охотское, Центрально-Южный район Поронайск 2276 1720 556 Среднее 790 Выводы Проведенное исследование показало, что: 1. Сумма градусодней мороза в достаточно полной мере характеризует ледовые условия на неарктических морях и может быть использована в качестве единственного параметра для определения степени тяжести этих условий. Для характеристики ледовых условий на арктических морях необходимо привлекать другие параметры климатической системы. 2. Кроме общей характеристики ледовых условий на неарктических морях сумма градусодней мороза может быть использована при расстановке ледокольного флота для расчетов мощностей ледоколов, соответствующих тем или иным ледовым условиям. 3. Мощность современного ледокольного флота позволяет в целом осуществлять судоходство на российских морях одинаково успешно как в условиях мягкой и умеренной, так и в условиях суровой и экстремально суровой (по температурному режиму) зимы. 4. Расстановка ледокольного флота, как было показано в исследовании, осуществляется с большим запасом мощности ледоколов, что вполне достаточно для учета возможности отклонений температурных состояний ледовых сезонов в сторону более тяжелых ледовых условий. 5. Долгосрочный ледовый прогноз на предстоящую навигацию в последние годы в связи с тенденцией потепления, которая закономерно заложена во всех прогностических уравнениях, нацеливает мореплавателей на мягкие и умеренные зимы, что соответствует легким и средним ледовым условиям. 6. Мощность ледоколов, построенных в XX веке, существенно превышает мощность ледокольного флота второй половины XXI века, при этом наблюдается два разнонаправленных процесса: увеличение мощности строящихся и проектируемых ледоколов и уменьшение толщины льда в связи с устойчивым потеплением на всех российских морях. В связи с этим понятия легких, средних и тяжелых ледовых условий, связанные с изменчивостью температурного режима (СГДМ), имеют климатический смысл, однако на современном этапе судостроения не отражает реальные трудности ледовых плаваний. 7. В действительности сложности для осуществления судоходства во льдах возникают в следующих ситуациях: - поток судов на трассе слишком велик, не хватает ледоколов для осуществления своевременной проводки; - ширина ледокола недостаточна для проводки крупнотоннажного судна (например, танкера шириной 50 м); - основной рабочий ледокол в регионе заведомо маломощен для средних в море ледовых условий (например, ледокол «Магадан» в Охотском море); - ледокол снизил свой уровень ледопроходимости, исчерпав ресурс годности; - караван попал в локальную зону сжатий и торосов; в караване присутствуют суда с ледовыми категориями, СТР.21 ICE CONDITIONS IN THE ARCTIC RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO /** vS Russian / \\ \\ Arctic не соответствующими средним для данного моря ледовым условиям; - произошла техническая авария. 8. Использование понятий «легкие», «средние», «тяжелые» ледовые условия в зависимости от суровости зимы все еще служит судоводителям для оправдания проблем, связанных с происшествиями во время зимних плаваний, основными причинами которых часто являются отнюдь не ледовые условия. При потере хода во льдах по любой причине присутствие льда
656.61.052:551.326
10.24411/2658-4255-2019-10052
ice conditions
ice cover of the seas
ice thickness
power of the icebreaker
safety of the navigation
sum of the degree-days of frost
Думанская И.О. Ледовые условия морей европейской части России. М: ИГ-СОЦИН, 2014. 605 с.
Думанская И.О. Метод долгосрочного прогноза ледовых условий в Татарском проливе, Охотском море и Беринговом морях, основанный на использовании статистического моделирования// Информационный сборник Гидрометцентра России. 2018. №2 45. С. 117-126.
Думанская И.О., Котилевская А.М., Федоренко А.В. Ледовые условия морей европейской части России в условиях климатических изменений (уроки зимы 2007-2008 гг.)// Метеоспектр. 2008. № 2. С.134-144.
Карелин Д.Б. Влияние солености воды и течений на рост льда// Проблемы Арктики. 1943. №1. С. 144-149.
Миронов Е.У. Некоторые закономерности распределения толщины льда в Арктическом бассейне//Изв. ВГО. 1986. Т. 118. Вып. 3. С. 202-207.
Миронов Е.У., Кузнецов И.М. Некоторые особенности пространственной неравномерности толщины неподвижного и дрейфующего льда. Сб. Исследования ледовых условий Арктических морей, методы расчета и прогноза// Тр. ААНИИ. 1990. Т. 423. С. 42-53.
Правила классификации и постройки морских судов. Том 1. СПб.: Изд-во Российского морского регистра судоходства, 2015. 580 с.
Правила плавания в акватории Северного морского пути. М.: Изд-во Минтранс России, 2013. 18 с.
Учет ледовых условий при гидрометеорологическом обеспечении зимних плаваний в Азовском море. Под ред. П.А. Гордиенко. Л: Гидрометеоиздат, 1979. 106 с.
Учет ледовых условий при гидрометеорологическом обеспечении зимних плаваний в Балтийском море. Под ред. П.А. Гордиенко. - Л: Гидрометеоиздат, 1979. 167 с.
Учет ледовых явлений при гидрометеорологическом обеспечении зимних плаваний в Каспийском море. Под ред. П.А. Гордиенко. - Л: Гидрометеоиздат, 1983. 131 с.
Юлин А.В., Шаратунова М.В., Павлова Е.А., Иванов В.В. Сезонная и межгодовая изменчивость ледяных массивов Восточно-Сибирского моря// Проблемы Арктики и Антарктики. 2018. №3. С. 229-240.
Судоходство и кораблестроение
Shipping and shipbuilding
23-29
RAR
Добродеев
А.А.
ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
Санкт-Петербург
kirsaz@rambler.ru
Dobrodeev
A. A.
Krylov State Research Centre
St. Petersburg
Сазонов
К.Е.
ФГУП «Крыловский государственный научный центр»; ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет»
Санкт-Петербург
kirsaz@rambler.ru
Sazonov
K.E.
Krylov State Research Centre; St. Petersburg State Marine Technical University
St. Petersburg
ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КРУПНОТОННАЖНЫХ СУДОВ С ЛЕДОКОЛАМИ ВО ЛЬДАХ
Specific features of heavy-tonnage vessels-icebreakers interaction ice conditions
В статье показано, что при создании морских транспортных систем, ориентированных на вывоз углеводородного сырья в восточном направлении, необходимо практически постоянное использование ледоколов. Рассмотрены основные методы проводки крупнотоннажных судов ледового плавания с ледоколами. Описаны особенности применения этих методов.
This article shows that it necessary nearly constant icebreakers operation in creating of marine transportation systems directed at export of hydrocarbon row materials eastward. The main approaches for heavy-tonnage vessels escorting by icebreakers have been considered. The specific features of these approaches have been described.
Введение. Экономический анализ эффективности практически любых морских транспортных систем, предназначенных для транспортировки грузов в арктических регионах, показывает, что достижение высоких показателей возможно лишь при использовании в составе таких систем крупнотоннажных судов ледового плавания [1,2]. В настоящее время наиболее развивающимися морскими транспортными системами Арктики являются системы, предназначенные для перевозки сжиженного природного газа (СПГ) из районов его добычи и, соответственно, сейчас наиболее часто плавание в арктических водах осуществляют крупнотоннажные суда для перевозки СПГ. Это подтверждает анализ структуры транспортного флота на акваториях Северного морского пути [3,4]. Теоретически существует несколько сценариев использования крупнотоннажных судов на замерзающих акваториях в морских транспортных системах, в том числе и в морях Арктики. Основное различие между этими сценариями заключается в степени самостоятельности плавания крупнотоннажного судна во льдах. Можно представить транспортную систему, основанную на практически постоянном самостоятельном плавании крупнотоннажного судна в ледовых условиях. Также вполне вероятна транспортная система, основу которой составляет мощный ледокольный флот, и движение крупнотоннажного судна в ледовых условиях в основном осуществляется под проводкой или в сопровождении ледокола. Выбор той или иной транспортной системы во многом определяет требования, предъявляемые к крупнотоннажному судну в процессе его проектирования. Основные направления вывоза СПГ из Российской Арктики. При выборе концепции, и, следовательно, подходов к проектированию крупнотоннажного судна во льдах важную роль играет стратегия развития транспортной системы, в составе которой предполагается его использование. В настоящий момент основные отгрузочные терминалы углеводородного сырья расположены в заливах (губах) Карского моря. Возможные направления транспортировки добытой продукции показаны на рис. 1. : - Протяженность коридора (морские мили) СЕВЕРНЫЙ -Объем перевозок (млн ТОНН В год) ЛЕДОВИТЫЙ ОКЕАН Порты Северо-Восточной Америки Пор™ 'ZaT* Северо-Западной СанК^етврбургО МоскваО МысР^/ П°РТЫ Печенга; Ькшао Архййільс* А>ТІнЗїй "*Т° 0 *vrr» ■ , <■> онорилыж ■' о /оЯмбург о Игарка Европы Великий Новгород °г 9Череповеч Салехард ~ 0 в _ ©Соликамск а ф Новый Уренгоя * 0 Липецк 0|катерикв^рг Ленек р ■ оЛесосибирск Z-==& н<м^0і^««р»- А Морские транспортные коридоры Железные дороги Проектируемые железные дороги Речное судоходство 1 ■ 2 ■ 3 4 ■ 5 ■ 6 □ ЭКСПОРТ Углеводороды Металлы Минеральные удобрения Лес Уголь Поошиия Нооильского ГМК Районы формирования грузовой базы для Северного морского пути #|«а ^ 10-50 Рис. 1. Морские транспортные системы России В транспортных системах вывоза СПГ, которые рассматривались до недавнего времени, основным направлением транспортировки газа являлось западное, ориентированное на европейские газовые терминалы. Такая ориентация транспортных систем предъявляла ряд требований к ледовым и мореходным качествам крупнотоннажных судов, перевозящих СПГ. Основные из этих требований сводились к следующему: - максимальное расширение возможности самостоятельного плавания крупнотоннажных судов в ледовых условиях; - обеспечение высоких показателей ходкости на чистой воде. Эти требования обуславливались двумя важнейшими факторами. Это относительно короткий участок движения крупнотоннажного судна в ледовых условиях, причем это движение должно было осуществляться не в самых суровых морях Западного сектора Российской Арктики. Наибольшие ледовые затруднения могли возникнуть лишь при переходах по Карскому морю в период наибольшего развития ледяного покрова с марта по май. Необходимо отметить, что моря Западного сектора являются наиболее изученными с точки зрения гидрологии и ледового режима, для них имеется спутниковая информация о распределении льда, разработаны надежные методы прогноза. Толщина термического ледяного покрова редко превышает 1,5 м. На все это накладывается общие снижение ледовитости арктических морей, которое наблюдается в последнее СТР.23 SHIPPING AND SHIPBUILDING RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO s\\\\ Russian Arctic время. Анализ совокупности всех этих факторов давал некоторое основание надеяться, что режим самостоятельного плавания крупнотоннажных судов в Западном секторе будет основным. Вторым немаловажным фактором является относительно короткая протяженность трассы от кромки льда до европейских портов, например, Роттердама. Это позволяло надеяться на экономическую обоснованность перевозки углеводородов одним судном в порт назначения без промежуточной перегрузки с обеспечением необходимой ритмичности поставок. При возможных нарушениях графика движения крупнотоннажного судна в ледовых условиях практически всегда имеется возможность наверстать упущенное время на чистой воде, используя имеющийся запас по мощности. Попытка удовлетворить сформулированным выше требованиям привела финских специалистов к созданию концепции судов двойного действия (DAS), которые должны были показывать хорошие экономические показатели при движении как на чистой воде, так и во льдах. Со времени провозглашения до настоящего момента концепция судов двойного действия претерпела довольно существенные изменения и теперь практически сводится к обеспечению повышенной ледопроходимости при движении крупнотоннажного судна кормой вперед. Речь о хороших показателях на чистой воде уже не ведется [2]. Первые арктические крупнотоннажные суда, созданные с учетом указанных выше требований, уже начали эксплуатироваться в Арктике в рамках проекта «Ямал СПГ» (рис.2). Всего для обслуживания нужд данного проекта «Ямал СПГ» будет построено 15 газовозов на верфи Daewoo Shipbuilding and Marine Engineering в Южной Корее. Суда имеют одинаковый дедвейт 85 тыс. т, длину 295 м и ширину 50 м. Вместимость танков газовозов класса Yamalmax Рис. 2. Крупнотоннажное судно для перевозки СПГ типа ЯмалМакс «Владимир Русанов» (фото Лобусова Д.В., dmitry-v-ch-l.livejournal.com) В последнее время активно обсуждается возможность создания морской транспортной системы, ориентированной на вывоз углеводородного сырья из районов добычи в восточном направлении в Азиатско-Тихоокеанский регион. Условия для функционирования морской транспортной системы в Восточном секторе Арктики существенно сложнее, чем в Западном [5]. Это обстоятельство накладывает определенные требования на состав такой транспортной системы. В первую очередь, по всей видимости, должно быть отброшено ранее существовавшее требование о возможности активного самостоятельного плавания крупнотоннажного газовоза при круглогодичной эксплуатации. Это следует из сопоставления протяженностей участков трасс в ледовых условиях в восточном и западном направлениях. Кроме этого по всем параметрам ледовые условия в восточном секторе Арктики являются более суровыми. При движении в восточном направлении вероятность возникновения опасной ситуации при одиночном плавании крупнотоннажного судна для перевозки СПГ резко возрастает даже в годы с легким типом арктической навигации. Поэтому несмотря на наличие высокой ледокольной способности у современных газовозов и успешные примеры их самостоятельного плавания по СМП, привлечение ледоколов для организации круглогодичной транспортировки СПГ является одной из основных задач при разработке морской транспортной системы. При этом возникает дополнительное требование обеспечения средней скорости движения судов на трассе. Она должна быть не менее 10 узлов для обеспечения ритмичности поставок [6]. Переориентация направления вывоза продукции с Запада на Восток накладывает определенные требования на ледовые качества ледоколов и крупнотоннажных судов, входящих в состав транспортной системы. Для ледоколов это возможность движения с указанными скоростями во льдах толщиной 1,5 - 2,0 м. К крупнотоннажному судну также предъявляется новое требование - возможность двигаться с указанными скоростями в канале за ледоколом. При этом, в зависимости от соотношения ширины корпуса крупнотоннажного судна и ледокола, этот канал может быть «широким» или «узким». «Широкий» канал образуется при лидировании ледокола, ширина которого больше или примерно равна ширине проводимого судна. В этом случае крупнотоннажное судно практически не взаимодействует с кромками канала, а его ледовое сопротивление определяется взаимодействием с мелкобитым льдом в канале. «Узкий» канал возникает в том случае, когда ширина танкера-СПГ больше, чем ширина проводящего его ледокола. В этом случае судно вынуждено доламывать кромки канала своим корпусом. Очевидно, что при таком движении часть корпуса судна взаимодействует со сплошным льдом, а часть с битым, который находится в канале за ледоколом. Можно ожидать, что форма корпуса крупнотоннажного судна, которую проектировали для условий самостоятельного плавания, не будет оптимальной для условий эксплуатации по «широкому» или «узкому» каналам. Интерес к использованию крупнотоннажных судов в Восточном секторе Арктики возникает еще в связи с проблемой организации транспортного коридора, связывающего Европу и Азию. В таблице 1 приведены данные ФГУП «Атомфлот» о дистанции и временных затратах на перемещение груза из Мурманска до основных портов стран тихоокеанского региона, которые демонстрируют привлекательность подобных перевозок. Далее более подробно будут рассмотрены особенности плавания во льдах крупнотоннажных судов при самостоятельном движении и под проводкой ледоколов. СТР. 24 SHIPPING AND SHIPBUILDING RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO /** vS Russian / \\ \\ Arctic Таблица 1 - Расстояние и временные затраты на перемещение груза (при средней скорости 14,0 узлов) Из Мурманска Через Суэцкий канал мили/дни По Северному морскому пути, мили/дни Кобе (Япония) 12291/36,6 6010/17,9 Пусан (Корея) 12266/36,5 6097/18,1 Нинбо (Китай) 11848/35,3 6577/19,6 Способы проводки крупнотоннажных судов ледоколами. Выше было рассмотрено влияние направления вывоза СПГ на состав и функционирование морской транспортной системы. Морские транспортные системы, ориентированные на вывоз СПГ в западном направлении, неоднократно анализировались (см, например, [2] и приведенную в этой работе литературу), поэтому представляется наиболее актуальным рассмотреть более подробно транспортную систему, ориентированную на вывоз СПГ в восточном направлении. Функционирование такой транспортной системы, также как и системы, ориентированной в западном направлении, предполагает возможность одиночного плавания крупнотоннажных судов в Восточном секторе Российской Арктики. Отличие заключается в том, что такое плавание практически становится невозможным в период максимального развития ледяного покрова. Кроме этого, в годы с тяжелым и экстремальным типом навигации самостоятельное плавание крупнотоннажных судов, по всей видимости, будет невозможно круглогодично. Таким образом, при использовании крупнотоннажных судов в Восточном секторе Арктики существенно возрастает роль ледокольного флота в функционировании морской транспортной системы. Взаимодействие ледокола и крупнотоннажного судна ледового плавания представляет собой новую задачу морской ледотехники [7], которая только совсем недавно стала активно изучаться. Долгое время подавляющее большинство специалистов считало, что основным режимом движения крупнотоннажного судна во льдах является самостоятельное плавание, которое осуществляется при движении кормой вперед (технологии двойного действия, см., например, работу [8]). Поэтому большинство исследований было сконцентрировано на изучении самостоятельного плавания крупнотоннажных судов во льдах, включая режим движения кормой вперед (см. работы [9], [10] и др.). Взаимодействию же ледокола с крупнотоннажным судном посвящено относительно небольшое количество исследовательских работ. Канал во льду для проводки крупнотоннажного судна могут прокладывать один или два ледокола. Особенности взаимодействия крупнотоннажного судна с одним ледоколом определяются соотношением ширины судна BS и ширины прокладываемого ледоколом канала BC »1.1 -И.2Bj, где Bj - ширина ледокола. Если BS < BC, то движение крупнотоннажного судна формально не отличается от движения любого судна по ледяному каналу. Будем называть такую ситуацию движением судна по «широкому» ледяному каналу. В случае же BS > BC крупнотоннажному судну приходится в процессе движения разрушать своим корпусом кромки канала. Такое движение назовем движением по «узкому» каналу. При прокладке ледяного канала двумя ледоколами может быть образован достаточно широкий канал, по которому беспрепятственно может двигаться крупнотоннажное судно (рис. 3). Такой канал может быть создан при выполнении следующего условия: 1.1 (Bj 1 + Bj 2) > BS, т.е. суммарная ширина каналов за двумя ледоколами должна превышать ширину проводимого судна. В противном случае крупнотоннажное судно будет вынуждено дополнительно расширять канал своим корпусом. Рис. 3. Моделирование проводки крупнотоннажного танкера двумя ледоколами (справа внизу - канал, сформированный двумя ледоколами) Особенности движения крупнотоннажного судна по «широкому» каналу. Необходимо отметить, что в настоящее время отсутствуют технические средства, позволяющие создавать «широкий» ледяной канал для прохода крупнотоннажных судов. Строящиеся в настоящее время атомные ледоколы третьего поколения проекта 22220, головной ледокол «Арктика», смогут создавать ледяные каналы шириной BC < 35 ^ 36 м, что явно недостаточно для уже существующих судов типа «Кристоф де Маржери». В настоящее время только проектируется атомный ледокол-лидер мощностью 120 МВт [11], способный прокладывать во льдах канал шириной 50 ^ 52 м, достаточный по ширине для проводки большинства крупнотоннажных судов. Российскими специалистами была предложена концепция создания многокорпусного ледокола, имеющего возможность создавать ледяной канал шириной более 50 м [12]. Выполненная к настоящему времени эскизная проработка этого предложения подтвердила высокие ледовые качества многокорпусного ледокола и показала принципиальную возможность его создания. В настоящее время исследования движения крупнотоннажных судов по «широким» каналам выполняются в основном в обеспечение проектирования новых технических средств, предназначенных для создания таких каналов. Тем не менее, результаты выполненных работ позволяют уже сейчас сделать некоторые выводы об особенностях движения крупнотоннажных судов по «широким» каналам. Не смотря на внешнюю схожесть процессов движения по «широкому» ледяному каналу обычного и крупнотоннажного судов, между ними существует одно крайне важное отличие. Это отличие заключается в том, что у обычного судна его ширина всегда меньше ширины канала, и между кромками канала и бортом судна имеется достаточное расстояние. Наличие этого расстояния влияет на характер взаимодействия корпуса судна с битым льдом, находящимся в канале. Этот лед при движении обычного судна частично уплотняется и раздвигается в стороны к кромкам канала. Наличие кромок канала практически не оказывает влияния на СТР. 25 SHIPPING AND SHIPBUILDING RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO /** vS Russian / \\ \\ Arctic характер взаимодействия корпуса с битым льдом. Притапливание битого льда корпусом наблюдается крайне редко при наличии ледовых сжатий и сильных подвижках льда. Крупнотоннажное судно имеет ширину корпуса, которая сопоставима с шириной канала BS » BC. При этом кромки ледяного канала препятствуют процессам раздвигания льда. Крупнотоннажное судно уплотняет и частично толкает перед собой битый лед в канале. Единственной возможностью удалить мешающий движению битый лед является его притапливание корпусом судна и пропуск под корпусом. Этот процесс является достаточно энергоемким, что приводит к возрастанию ледового сопротивления крупнотоннажного судна при движении по «широкому» каналу. Результаты модельных испытаний, выполненных в ледовом бассейне Крыловского научного центра [13], показывают, что взаимодействие с битым льдом в канале является основным препятствием повышения скорости движения крупнотоннажного судна в «широком» канале. Хорошо энерговооруженные суда типа «Ямал Макс» не могут развивать в таком канале скорость, равную скорости его прокладки. Некоторая оптимизация формы обводов корпуса крупнотоннажного судна, направленная в первую очередь на улучшение ходовых показателей в «узком» канале, не дала существенного выигрыша (см. табл.2). Таблица 2 - Скорость танкера-газовоза Arc7 с первоначальной и оптимизированной формой корпуса в свежем канале, узлы Движение крупнотоннажного судна по «узкому» каналу. В настоящее время использование одного ледокола для проводки крупнотоннажного судна во льдах приводит к его движению по «узкому» каналу. Долгое время при рассмотрении возможности такого движения предполагалось, что крупнотоннажное судно движется, располагаясь симметрично относительно оси канала [2]. Однако в недавно проведенных экспериментах с самоходными моделями в ледовом бассейне Крыловского центра был установлен ранее неизвестный эффект нарушения симметрии такого движения. Модель судна самопроизвольно располагалась в канале так, чтобы один из ее бортов разрушал кромку канала на необходимую ширину, а другой терся о противоположную кромку. Позже было установлено, что подобный характер движения крупнотоннажных судов наблюдается и в натурных условиях (см., например, рис. 4 [14]). Рис. 4. Проводка танкера «Пропонтис» атомным ледоколом типа «Таймыр» Обнаруженный эффект был исследован экспериментально в ледовом бассейне и теоретически. Испытания в ледовом бассейне показали, что на проявление эффекта существенное влияние оказывает наклон борта судна в районе расположения цилиндрической вставки. При нулевом угле наклона эффект проявляется очень ярко. При угле наклона 100 эффект может реализоваться или нет. Для выяснения природы эффекта была разработана простая математическая модель наблюдаемого явления, которая позволяла вычислять продольные и поперечные усилия, действующие на корпус судна при отклонениях его диаметральной плоскости от оси канала [15, 16]. Результаты расчетов показали следующее. - Положение судна симметричное относительно оси канала является устойчивым. Однако это устойчивое положение может быть легко нарушено при относительно небольших внешних воздействиях, например, при локальном изменении толщины или прочности льда. - После смещения относительно оси канала на некоторую определенную величину на судно постоянно действует все возрастающая возмущающая сила, которая приводит его в несимметричное положение. Возникновение возмущающей силы связано с особенностью формы корпуса крупнотоннажных судов в районе перехода носового заострения в цилиндрическую вставку с прямостенными бортами. - Несимметричное положение судна является устойчивым, для вывода судна из этого положения необходимо приложить существенное усилие с помощью органов управления. - У крупнотоннажного судна, имеющего наклон борта в районе цилиндрической вставки 10°, форма корпуса при переходе к вставке более оптимальная. Поэтому симметричное положение судна в канале не так легко нарушается. Это может произойти только при очень сильных случайных воздействиях. Величина возмущающей силы меньше и выход из несимметричного положения осуществляется проще. Возможность несимметричного расположения крупнотоннажного судна в канале необходимо учитывать при организации его проводок, например, при назначении безопасной дистанции между судами во время проводки. В таблице 2 приведены результаты модельных исследований движения крупнотоннажных судов по «узким» каналам, проложенным различными ледоколами. При проведении исследований изучалось взаимодействие с ледяными каналами двух очень близких по главным размерениям моделей. Основное СТР. 26 Толщина ровного льда, м Канал за ледоколом-лидером (B=47,5 м), ширина канала 52 м Канал за ледоколом ЛК-60Я (B=33 м), ширина канала 35 м Сравнение по ширине канала Канал за ледоколом ЛК-40 (B=28,5 м), ширина канала 31 м Канал за ледоколом 50 лет Победы (B=28 м), ширина канала 3031 м первон. оптим. первон. оптим. первон. оптим. 1,5 9 9,2 4,8 8,5 4,9 7,5 2,1 7,1 7,5 2,3 6,2 2,4 6,0 SHIPPING AND SHIPBUILDING RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO /** vS Russian / \\ \\ Arctic отличие между моделями заключалось в наличии у одной из них наклона борта в районе расположения цилиндрической вставки, который был равен 10°. В таблице 2 эта модель называется оптимизированной. Особенностью проведённых испытаний являлось то, что ледяной канал прокладывался соответствующей самоходной моделью ледокола, которые были выполнены в одном масштабе с моделями крупнотоннажных судов. На рис.5 представлен один из эпизодов в ходе проведения модельного эксперимента. Рис. 5. Модельные исследования движения модели крупнотоннажного судна по каналу, проложенному моделью ледокола. Результаты, представленные в таблице 2, позволяют сделать следующие выводы: - Подтверждено определяющее влияние на скорость движения крупнотоннажного судна в канале его ширины, которая зависит от ширины лидирующего ледокола. При движении судна в канале, ширина которого равна или незначительно больше его ширины, сопротивление определяется взаимодействием корпуса с битым льдом и отдельными взаимодействиями с выступами канала. - Экспериментальные данные работы убедительно показывают, что существенно повысить скорость движения крупнотоннажного судна в «узком» канале возможно путем целенаправленной оптимизации формы его корпуса. В проведенных экспериментах возрастание скорости движения оптимизированной модели составило 2 - 2.5 узла. Проводка двумя ледоколами. Этот способ проводки крупнотоннажных судов первым стал применяться в замерзающих морях арктического типа (рис.3). Такая тактика позволяет провести во льдах судно практически любой ширины. Единственное требование заключается в том, чтобы суммарная ширина ледоколов превышала ширину проводимого судна. При прокладке широкого канала во льдах ледоколы двигаются уступом, что позволяет им снизить суммарные энергетические затраты (рис.6). При движении ледоколов уступом второй ледокол осуществляет скол и сдвижку относительно больших фрагментов ледяного покрова в образованный первым ледоколом канал. Поэтому крупнотоннажное судно движется не в мелкобитых, как в обычном канале, льдах, а в крупнобитых с характерным размером льдин 20-100 м. Для определения скорости движения судна по широкому каналу необходимо иметь информацию о его ледовом сопротивлении в этих условиях. В КГНЦ разработаны эффективные методы экспериментального и теоретического определения ледового сопротивления крупнотоннажного судна при движении в крупнобитых льдах и обломках ледяных полей [2, 17]. Рис. 6. Проводка крупнотоннажного судна двумя ледоколами Проводка двумя ледоколами является предпочтительной и для преодоления зон сжатого льда. Даже при очень сильных сжатиях вероятность заклинивания крупнотоннажного судна мала. Возможно возникновение ситуации, когда часть корпуса судна может взаимодействовать со сжатым льдом (рис.7), однако в этом случае судно будет иметь возможность продолжать движение [18]. Рис. 7. Частичное взаимодействие судна с кромками канала при проводке крупнотоннажного судна двумя ледоколами в условиях сжатия Эффективность и безопасность проводки крупнотоннажных судов двумя ледоколами не подлежит сомнению. Однако из-за повышенной стоимости проводки и отсутствия необходимого числа ледоколов при массовых перевозках эта тактика проводки не может рассматриваться как основная. Заключение. Представленные в работе результаты показывают: ледокольный, в первую очередь атомный, флот является одной из основных компонент любой морской транспортной системы, предназначенной для работы в Восточном секторе Арктики. Для существенного повышения эффективности работы такой транспортной системы необходимо создавать новые технические средства, способные прокладывать во льдах «широкий» канал для крупнотоннажных судов. При проектировании новых крупнотоннажных судов, предназначенных для круглогодичной эксплуатации на всей трассе Северного морского пути, необходимо учитывать особенности их взаимодействия с проводящими ледоколами. Как показали результаты уже выполненных исследований, за счет оптимизации формы корпуса крупнотоннажного судна при сохранении его грузовместимости и потребляемой мощности можно добиться существенного возрастания скорости движения в «узком» канале.
629.561.5; 629.54; 656.61
10.24411/2658-4255-2019-10053
Крупнотоннажное судно
ледокол
ледяной канал
проводка во льдах
скорость судна
heavy-tonnage vessel
icebreaker
ice channel
ship escorting in ice
ship speed
Дехтярук Ю.Д., Добродеев А.А., Сазонов К.Е. Некоторые вопросы создания морских транспортных систем для вывоза углеводородов из Арктики. Арктика: экология и экономика, 2013, № 2(10), с.84-91.
Сазонов К.Е., Добродеев А.А. Ледовая ходкость крупнотоннажных судов. СПб.: ФГУП «Крыловский государственный научный центр», 2017, 122 с.
Ольховик Е.О. Анализ скоростных режимов СПГ-танкеров в акватории Северного морского пути в период зимней навигации 2017 - 2018 гг. Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова, 2018, т.10, № 2, с.300-308, doi: 10.2182112309-5180-10-2-300-308.
Ольховик Е.О. Исследования изменения структуры транспортного флота на акватории Северного морского пути /Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова, 2018, т.10, № 6, с.300-308, doi: 10.2182112309-5180-10-6-1225-1233.
Опасные ледовые явления для судоходства в Арктике. Под. ред. д.г.н. Е.У. Миронова. ГНЦ РФ ААНИИ, 2010, 320 с.
Пустошный А.В., Сазонов К.Е. Проблемы, связанные с увеличением скорости круглогодичной работы крупнотоннажных транспортных судов в Арктике. Арктика: экология и экономика. 2017. №3(27). С.103-110. DOI 10.25283/2223-4594-2017-3-103-110
Пустошный А.В., Сазонов К.Е. Задачи судостроительной науки на современном этапе освоения Арктики. Вестник Российской Академии наук, т.85, № 7, 2015, с.593-597. DOI: 10.7868/S0869587315070051
Цой Л.Г., Андрюшин А.В., Штрек А.А. Обоснование основных параметров перспективных крупнотоннажных газовозов для Арктики. Проблемы Арктики и Антарктики, 2013, № 3(97), с. 4656.
Su B., Skjetne R., Berg T. E. 2014. Numerical assessment of a double-acting offshore vessel's performance in level ice with experimental comparison. Cold Reg. Sci. Technol. 106-107, 96-109.
Huang Y., Sun J., Ji S., Tian Y. Experimental Study on the Resistance of a Transport Ship Navigating in Level Ice. J. Marine Sci. Appl. (2016) 15: 105-111. DOI: 10.1007/s11804-016-1351-0
Кашка М.М., Смирнов А.А., Головинский С.А., Воробьев В.М., Рыжков А.В., Бабич Е.М. Перспективы развития атомного ледокольного флота. Арктика: экология и экономика, 2016, № 3(23), с.98-109.
Пашин В.М., Апполонов Е.М., Сазонов К.Е. Новый ледокол для проводки крупнотоннажных судов. В чем преимущества? Морской флот, №1, 2012. с.50
Добродеев А.А., Сазонов К.Е. Проводка крупнотоннажных судов ледоколами с увеличенной скоростью: исследования в ледовом бассейне. Арктика: экология и экономика, 2018, № 3(31), с.76-83. DOI: 10.25283/2223-4594-2018-3-76-83
Рукша В.В., Белкин М.С., Смирнов А.А., Арутюнян В.Г. Структура и динамика грузоперевозок по Северному морскому пути: история, настоящее и перспективы. Арктика: экология и экономика, 2015, № 4(20), с.104-110.
Добродеев А.А., Клементьева Н.Ю., Сазонов К.Е. Несимметричное движение крупнотоннажных судов в «узком» канале. Проблемы Арктики и Антарктики, 2018, т.64, № 2, с. 200207. DOI: 10.20758/0555-2648-2018-64-2-200-207
Dobrodeev AA., Klementyeva N.Y., Sazonov K.E. 2018. Large ship motion mechanics in “narrow” ice channel. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 193 012017. DOI: 10.1088/1755-1315/193/1/012017
Сазонов К.Е., Добродеев А.А. Метод расчета ледового сопротивления судна при его движении в крупнобитых льдах и обломках ледяных полей. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2011, вып. 63(347), с.73-80.
Бокатова Е.А., Сазонов К.Е. Расчет скорости движения судна по ледяному каналу в условиях сжатия при частичном взаимодействии бортов с его кромками. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2012, вып. 66(350), с.43-46
30-35
RAR
Штрек
А.А.
ООО «Акер Арктик Технолоджи»
Санкт-Петербург
alexey.shtrek@akerarctic.ru
Shtrek
A. A.
Aker Arctic Technology LLC
St.Petersburg
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ И ВЫЗОВЫ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ АРКТИЧЕСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СУДОВ
Current trends and challenges for the designing of Arctic cargo vessels
Анализируется опыт создания и эксплуатации современных крупнотоннажных арктических ледокольно-транспортных судов, приводятся основные тенденции их дальнейшего развития. Новые вызовы для проектантов связаны с существенным ростом грузооборота и планами по организации круглогодичных перевозок по всей трассе Северного морского пути, с ужесточением экологических требований к арктическим судам, а также в определенной степени с изменениями в законодательстве.
The experience of the designing and operation of modern large Arctic icebreaking cargo vessels is analyzed, the main trends of their further development are given. New challenges for designers are associated with a significant increase in cargo transportation volumes and plans for organizing year-round transportation along the entire Northern Sea Route, with stricter environmental requirements for Arctic ships, as well as to some extent with changes in legislation.
Современный арктический транспортный флот России Стремление судовладельцев минимизировать зависимость от услуг ледокольного флота, а также появление новых проектов по экспорту углеводородов из Российской Арктики, привели к созданию принципиально новых типов ледокольно-транспортных судов, способных обеспечить надежное, экономически эффективное и безопасное судоходство. Транспортные суда нового поколения, оборудованные полноповоротными винто-рулевыми колонками (ВРК), появились в Арктике после того, как в 2004 г. с целью сокращения расходов на транспортировку добываемой продукции ОАО «ГМК «Норильский никель» приняло решение о строительстве собственного транспортного флота взамен судов типа СА-15 (типа «Норильск»), построенных в 1980-х гг. Проект арктического контейнеровоза вместимостью 648 TEU, предназначенного для обеспечения круглогодичных перевозок грузов Норильского ГМК на арктической линии Мурманск-Дудинка, был разработан исследовательским центром Kvaerner Masa-Yards (в настоящее время - Aker Arctic Technology) в соответствии с концепцией «судна двойного действия» (Double Acting Ship - DAS) и рассчитывался на самостоятельное плавание во льдах юго-западной части Карского моря. Г оловной дизель-электроход «Норильский Никель» (основные характеристики см. в табл.1) был построен на верфи в Хельсинки и успешно прошел сдаточные ледовые испытания весной 2006 г. [1] Затем на верфи «Нордик Ярде» было построено еще 4 судна этого проекта, и там же - арктический танкер «Енисей» по аналогичной проектной концепции, с такими же размерениями, обводами корпуса и пропульсивной установкой. Практически в это же время для вывоза сырой нефти с стационарного морского ледостойкого отгрузочного причала (СМЛОП) «Варандей» на верфи «Samsung Heavy Industries» были построены три челночных арктических танкера типа «Василий Динков», а для экспорта нефти, добываемой морской ледостойкой стационарной платформой (МЛСП) «Приразломная», «Адмиралтейскими верфями» в Санкт-Петербурге были созданы два челночных танкера типа «Михаил Ульянов». Основные характеристики обоих типов танкеров, имеющих некоторые отличия, обусловленные разными проектными подходами при одинаковом ледовом классе и дедвейте, приведены в табл.1. Компания Aker Arctic Technology выполняла модельные испытания в ледовом бассейне и создавала форму обводов корпуса этих судов, а также разработала технический проект танкеров типа «Михаил Ульянов» [2]. SHIPPING AND SHIPBUILDING СТР.ЗО RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO /''Vn Arctic" Таблица 1 - Основные характеристики ледокольно-транспортных судов для Российской Арктики, построенных в 21 веке Название головного судна Норильский Никель (Енисей) Василий Динков Михаил Ульянов Кристоф де Маржери Штурман Альбанов Б.Соколов (Ю.Кучиев) Audax Количество судов в серии 5 + 1 3 2 15 7 1 + 1 2 Г оды постройки 2006-09, 2011 2008-09 2010 2016-2019 2016-17, 2019 2018-19 2016 Страна-строитель Финляндия, Германия Корея Россия Корея Корея Китай, Финляндия Китай Ледовый класс Arc7 Arc6 Arc6 Arc7 Arc7 Arc7 Arc7/PC3 Длина наибольшая, м 169 257,3 257,7 299 245 214 (229) 206,3 Ширина, м 23,1 34 34 50 34 34 (32,5) 43 Осадка проектная, м 9,0 14,0 14,0 11,7 9,0 11,7 7,5 Дедвейт, т 14500 70000 70000 80000 38000 43400 24500 Пропульсивный комплекс 1 Azipod 2 Azipod 2 Azipod 3 Azipod 2 Azipod 2 Azipod 2 ВРШ Мощность на валах, МВт 13 20 17 45 22 22 24 Ледопроходимость, м (носом / кормой) 1,5 / 1,65 1,7 / 1,7 1,0 / 1,6 1,5 / 2,1 1,4 / 1,7 1,5 / 1,8 1,5 Следующим большим и важным шагом в развитии арктических транспортных судов стала реализация проектов по экспорту углеводородов из Обской губы. В первую очередь это проект «Ямал СПГ», предусматривающий строительство завода по сжижению природного газа в п. Сабетта и транспортировку СПГ и газового конденсата морским путем на рынки Европы и Азии. При самом активном участии Aker Arctic была создана проектная концепция газовоза ледового класса Arc7 вместимостью около 170 тыс. куб. м с пропульсивным комплексом из трех полноповоротных ВРК Azipod суммарной мощностью 45 МВт, предполагающая его движение в ледовых условиях как передним, так и задним ходом, а умеренные ледокольные носовые обводы также рассчитаны на приемлемые мореходные качества на чистой воде [3]. Головной газовоз «Кристоф де Маржери» успешно прошел ледовые испытания и принят в эксплуатацию в 2016 г., в настоящее время корейская верфь DSME завершает строительство этой серии (известной как тип «Ямал-макс») из 15 газовозов. Специально для круглогодичной доставки крупногабаритных модулей для строительства завода по сжижению газа в Сабетте, по проекту Aker Arctic были также в кратчайшие сроки (около 2 лет от даты заключения контракта до сдачи, включая проектирование) построены на верфи GSI в г.Г уаньджоу два уникальных судна-тяжеловоза (Audax и Pugnax), имеющих дизель-электрическую установку с двумя валолиниями от электродвигателей к винтам фиксированного шага. В процессе проектирования этих судов был применен целый ряд оригинальных решений, включающий оптимизацию балластной системы, не имеющую аналогов конструкцию широкой грузовой палубы со специальной системой подогрева и т.д. Использование этих судов, в 2016-2018 гг. круглогодично работавших в Карском море с использованием проводки атомными ледоколами, в значительной степени способствовало успешному завершению строительства и досрочному вводу в строй очередей завода «Ямал СПГ». Для обеспечения вывоза газового конденсата из п.Сабетта греческим судовладельцем Dynacom под фрахт СТР.31 компании «Ямал СПГ» были заказаны два специализированных танкера класса Arc7. При этом один из них - танкер «Борис Соколов», построенный по оригинальному проекту Aker ARC212 на верфи в Гуаньджоу, сдан в декабре 2018 г. и уже успешно работает на экспорте газового конденсата в Европу. Второе судно, отличающееся несколько меньшей шириной (исходя из ограничений построечного дока) и увеличенной длиной для обеспечения такой же грузовместимости, спроектировано верфью Arctech в г.Хельсинки, и войдет в строй в ближайшее время. В начале мая 2019 г. специалисты Aker Arctic провели сдаточные натурные ледовые испытания танкера «Борис Соколов», подтвердившие высокие ледовые качества судна и возможности его круглогодичного самостоятельного плавания в ледовых условиях югозападной части Карского моря. С мая 2016 г. также успешно работает новый точечный терминал «Ворота Арктики», установленный компанией «Газпромнефть» в Обской губе для отгрузки нефти Новопортовского месторождения. Специально для вывоза нефти с этого терминала была создана серия челночных танкеров ледового класса Arc7 типа «Штурман Альбанов» с максимально возможным дедвейтом около 40 тыс.т по условиям ограничения осадки у м. Каменный около 9 м. В связи с увеличением объемов экспорта дополнительно к шести танкерам, успешно работающим на транспортировке сырой нефти до перегрузочного терминала в Мурманске в режиме самостоятельного плавания, а в припае Обской губы - в заранее проложенном атомными мелкосидящими ледоколами канале, было заказано еще одно судно этого типа, которое должно быть готово осенью этого года. Отработка формы обводов корпуса этих судов для обеспечения их эффективной работы в условиях экстремального мелководья при максимальных толщинах льда в Обской губе также осуществлялась в опытовом ледовом бассейне Aker Arctic. Основные характеристики транспортных судов для Российской Арктики, созданных в 21 веке, приводятся в табл. 1. Анализ опыта создания современного арктического транспортного флота показывает, что на данный момент не существует технических препятствий для SHIPPING AND SHIPBUILDING RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO s\\\\ Russian Arctic проектирования транспортных судов различных типов (сухогрузы, танкеры, балкеры, газовозы и пр.) высоких ледовых классов (до Arc7 включительно) практически любого необходимого размера, оптимального для конкретной логистической схемы, способных осуществлять круглогодичные перевозки из Обь-Енисейского региона в западном направлении. Надо также отметить, что в этом году будет завершено строительство текущих серий арктических транспортных судов, которые обосновывались и проектировались несколько лет назад. Уже сейчас очевидно, что в 2020-21 гг. не будет построено ни одного нового арктического транспорта. Тем не менее, Правительством Российской Федерации заявляется дальнейшее увеличение объемов транспортировки по Северному морскому пути (СМП) до 80 млн. т (главным образом за счет новых проектов вывоза углеводородов), что потребует соответствующего увеличения транспортного флота. Ниже приводятся наиболее важные тенденции дальнейшего совершенствования арктического транспортного флота на основании современного уровня развития морской техники и анализируются основные вызовы для проектантов, которые необходимо принимать во внимание для того, чтобы новые суда были максимально эффективными и оптимальными для обеспечения планируемых объемов перевозок грузов по СМП и при этом отвечали самым современным национальным и мировым требованиям по безопасности и экологичности при эксплуатации в Арктическом регионе. Основные тенденции развития арктического судоходства На основании уже накопленного опыта создания арктических транспортных судов и прослеживаемых трендов при их проектировании можно отметить следующие основные тенденции, влияющие на дальнейшее развитие арктического транспортного флота: 1) Использование крупнотоннажных арктических транспортных судов. 2) Развитие круглогодичных перевозок по всей акватории СМП. 3) Использование транспортных схем с перевалкой грузов с челночных арктических судов на суда без ледового класса 4) Использование СПГ в качестве топлива на новых транспортных судах (не газовозах) и ледоколах. К примеру, вместимость газовозов типа «Кристоф де Маржери» в 172 тыс. м3 соответствует наиболее распространенной вместимости новых конвенциональных (не имеющих ледового класса) СПГ-газовозов, что является существенным экономическим преимуществом, несмотря на возникшую необходимость проведения дноуглубительных работ на баре Обской губы и связанных с этим эксплуатационных сложностях, а также позволило организовать эффективную перевалку СПГ с судна на судно (ship-to-ship) в районе норвежского Хоннингсвога. Для новых проектов по вывозу угля и нефти из Арктического бассейна в настоящее время рассматриваются, соответственно, балкеры и танкеры дедвейтом около 100-115 тыс. т. При этом основные ограничения связаны с наличием минимальных глубин на существующих рекомендованных трассах, причем ситуация усугубляется недостаточной гидрографической изученностью акватории Северного морского пути. Результаты расчетов проходных глубин на рекомендованной высокоширотной трассе СМП, проходящей севернее Новосибирских островов, приведены в статье [4]. На их основании можно сделать вывод о том, что минимальная проходная глубина на этой трассе составляет 17 м, что соответственно ограничивает осадку судов величиной не более 16 м. По данным Администрации Севморпути, максимальная осадка, с которой когда-либо проходили суда по СМП, составила 15,4 м (танкер «Propontis», транзитный рейс в навигацию 2013 г.). Тяжёлые ледовые условия вынуждают суда отклоняться от рекомендованных путей как при самостоятельном плавании, так и под проводкой ледокола, при этом значительное удаление от рекомендованных путей в условиях мелководья повышает риск аварий, связанных с посадкой на мель или касанием грунта. Характерное описание такой ситуации приведено в публикации ААНИИ [5] по результатам рейсов газовозов типа «Ямал-макс» из Сабетты по восточной части Северного морского пути в июне-июле 2018 г. Соответственно, в случае организации круглогодичного плавания по СМП, когда такие отклонения могут быть регулярными, при существующем положении с исследованностью акватории СМП возникает потребность дополнительной оценки рисков и обоснованного выбора проектной осадки перспективных судов. Кроме того, при наличии достаточно интенсивного движения в зимний период по трассам Севморпути появляется возможность использования постоянного канала, проложенного через обширную зону припайного льда, охватывающего архипелаг Новосибирских островов и прилегающие мелководные районы моря Лаптевых и Восточно-Сибирского моря, с целью более стабильного прохода данного района с достаточно высокими скоростями. В этом случае для судоходства может быть использован маршрут через пролив Санникова, что налагает ограничение по осадке в 12 м [6]. Большое влияние на обоснование основных характеристик арктических транспортных судов, включая выбор их грузовместимости, формы обводов корпуса, мощности и типа пропульсивной установки, оказывает выбор оптимальной схемы транспортировки. Например, для проектов вывоза сырой нефти из мелководных районов Печорского моря и Обской губы по результатам комплексного технико-экономического обоснования однозначно более выгодной была признана схема с использованием челночных танкеров активного ледового плавания и организации перевалки нефти в районе Мурманска [7]. Однако аналогичные исследования наиболее эффективной схемы вывоза СПГ из Обской губы в западном направлении показали экономическое преимущество прямой транспортировки крупнотоннажными газовозами до портов Западной Европы [3]. Организованная в конце 2018 г. перевалка СПГ с судна на судно в районе Хоннингсвога была связана с более быстрым, чем планировалось, вводом очередей завода по сжижению газа и превышением плановых объемов экспорта. Однако в отношении планируемого круглогодичного вывоза СПГ из Обской губы уже в восточном направлении в страны юговосточной Азии, с учетом существенно отличающихся ледовых условий и соотношения продолжительности эксплуатации во льдах и по чистой воде, вариант с организацией перевалки в районе Камчатки получает определенные преимущества. СТР. 32 SHIPPING AND SHIPBUILDING RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO s\\\\ Russian Arctic Проектирование флота для круглогодичных перевозок по всей акватории СМП Таким образом, в настоящее время первоочередным вызовом перед проектантами становятся новые планы по расширению сроков навигации в восточном направлении по СМП. Сейчас круглогодичное плавание в акватории СМП осуществляется только в юго-западной части Карского моря. По всей акватории СМП суда осуществляют плавание в основном в период с июля по ноябрь. При этом в последние годы ледовая обстановка в эти месяцы была достаточно благоприятной для осуществления транзитных рейсов и операций по доставке снабженческих грузов. Следует отметить также, что логистическая схема проекта «Ямал СПГ», используемая в данное время, предполагает экспорт специально построенными газовозами класса «Ямал-макс» в восточном направлении в течение не более 6 месяцев (с июля по декабрь). Более тяжелые условия круглогодичного плавания по всей трассе СМП диктуют следующие основные вызовы при проектировании новых судов: ■ Повышенные требования к ледовому классу и ледопроходимости. ■ Увеличенная потребность в ледокольном обеспечении. ■ Оптимизация совместной работы ледокольного и транспортного флота. К положительным факторам в настоящее время можно отнести то, что в ближайшие годы в строй должны войти 3 универсальных атомных ледокола типа «Арктика» мощностью 60 МВт, ведется проектирование атомного ледокола-лидера мощностью 120 МВт. Также планируется строительство четырех линейных ледоколов мощностью 40-45 МВт, которые будут работать на СПГ. Проектная концепция такого ледокола (Aker ARC 123) разработана Aker Arctic по заказу ФГУП «Росатомфлот». По идее Атомфлота, эти ледоколы с осадкой до 9 м, автономность которых при работе на СПГ будет составлять 30 суток, будут работать в основном в акватории Карского моря, Обской губы и Енисейского залива, осуществляя бункеровку СПГ на терминале в Сабетте, что позволит более активно использовать атомные ледоколы в восточной части СМП. В то же время, известно, что эксплуатация транспортных с использованием ледокольной проводки в более тяжелых ледовых условиях по сравнению с теми, в которых оно может эксплуатироваться самостоятельно, может привести к более высоким рискам повреждения корпуса. Также возникает необходимость поиска оптимальных способов проводки и организации караванов, что необходимо учитывать в процессе проектирования судна [8]. В качестве примера отсутствия достаточного опыта круглогодичной навигации в восточном районе Российской Арктики можно привести рейс танкера «Борис Соколов» и газовоза «Борис Давыдов» из Азии по трассе Северного морского пути в Сабетту в конце декабря 2018 - январе 2019 гг. Первоначально планировался самостоятельный переход танкера «Борис Соколов» на общем фоне достаточно благоприятных ледовых условий, в целом соответствующих возможностям танкера в плане его ледовой ходкости. Однако уже в самом начале ледового плавания в Беринговом и Чукотском морях судоводители столкнулись с рядом неблагоприятных ледовых явлений, нехарактерных для традиционных районов западной части СМП, существенно замедливших продвижение судна. Учитывая ограниченность запасов бункера на танкере, было решено ждать подхода газовоза «Борис Давыдов», энергетическая установка которого использует перевозимый в грузовых танках СПГ, и обладающего существенно большей ледопроходимостью при движении кормой вперед, и под его проводкой «Борис Соколов» прибыл в Сабетту 20.01.2019 г. Планируемая в будущем организация круглогодичного экспорта СПГ из Обской губы в восточном направлении требует проведения специальных исследований, создания как новых ледокольных челночных газовозов, так и соответствующих мощных линейных ледоколов. В частности, это означает, что, например новые арктические газовозы, которые должны быть созданы для проекта «Арктик СПГ 2», по своей проектной концепции должны отличаться от газовозов типа «Кристоф де Маржери». Компания Aker Arctic уже ведет соответствующие проектные проработки в этом направлении, разрабатывая оптимизированные решения по главным размерениям, форме носовой оконечности и пропульсивному комплексу. Согласно результатам ранее выполненных исследований, стоимость транспортировки углеводородов в Азию существенно выше, чем в Европу. Как показали технико-экономические расчеты, среднегодовая себестоимость доставки СПГ с Ямала на азиатский рынок в случае организации такой круглогодичной транспортировки, будет в 3-4 раза выше по сравнению с круглогодичной транспортировкой в Европу [9]. Оценочные расчеты по возможности вывоза сырой нефти из района Хатанги танкерами типа Афрамакс показали, что даже для такого варианта расположения экспортного терминала себестоимость доставки нефти до потребителей в Юго-Восточной Азии будет в 1,5 раза выше по сравнению с доставкой в порты Западной Европы [10]. Основным препятствием для развития транзитных перевозок контейнерных грузов по Северному морскому пути является необходимость обеспечить четкое расписание доставки грузов в круглогодичном режиме. Ранее компания Aker Arctic выполнила проектную проработку арктического контейнеровоза вместимостью 5000 TEU. Создание специализированного арктического контейнеровоза повышенной контейнеровместимости позволит в максимальной степени задействовать возможности перспективной контейнерной линии с использованием челночных транзитных перевозок контейнеров по Северному морскому пути между портами-хабами. Использование СПГ в качестве топлива на арктических судах Одним из наиболее эффективных методов уменьшения вредных выбросов в атмосферу является применение на судах газомоторного топлива, что позволяет полностью исключить выброс окислов серы и твёрдых частиц, снизить на 90% выбросы окислов азота и на 30%, уменьшить выбросы СО2. Об этом свидетельствует быстрый рост числа судов мирового флота, использующих СПГ в качестве топлива. В настоящее время также обсуждается возможность полного запрета использования тяжелого топлива в Арктике. Компания Aker Arctic, обладая передовым опытом СТР. 33 SHIPPING AND SHIPBUILDING RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO /** vS Russian / \\ \\ Arctic по проектированию ледоколов на СПГ, выполнила также ряд проработок с использованием СПГ на транспортных судах, показавших отсутствие технических препятствий для реализации такой возможности. Использование на судах высоких ледовых классов дизель-электрических энергетических установок - ДЭУ, являющееся стандартным решением, с двухтопливными среднеоборотными дизелями позволяет избежать резких колебаний нагрузки на двигатель. На танкерах и балкерах топливные танки для СПГ могут устанавливаться на открытой палубе, что не влечет за собой использования дополнительного пространства, на контейнеровозах танки для СПГ могут быть размещены только в корпусе судна, за счет чего несколько сокращается их контейнеровместимость. Возможность использования СПГ как топлива на арктических судах ограничивается отсутствием системы бункеровки в Арктике. Одним из возможных проектнологистических решений может быть создание и размещение вдоль трассы Севморпути нескольких плавучих хранилищ СПГ, которые могут использованы как для снабжения газом арктических населенных пунктов, так и для бункеровки транспортных судов, следующих по трассам СМП [11]. В качестве первого шага можно рассматривать заявление ПАО «Новатэк» о намерении создать к 2023 г. перевалочный пункт на п-ове Камчатка мощностью 20 млн. т, исследовав возможность бункеровки СПГ перспективных челночных контейнеровозов на данном терминале. Изменения в классификации ледовых классов Регистра и Правилах плавания по СМП В качестве новых вызовов для проектантов следует отметить и внесенные недавно изменения в Правила классификации и постройки морских судов Российского Морского Регистра Судоходства (РС). Следуя идеологии и подходам международного Полярного Кодекса, Регистр удалил из раздела «Классификация» таблицы, в которых содержалась информация о допускаемых районах эксплуатации и условиях ледового плавания, характеристики ледовых условий и соответствующие режимы эксплуатации, для различных ледовых классов РС. В новой редакции Правил, доступной на сайте РС [12], теперь содержится только одна таблица, содержащая ориентировочные описания ледовых классов Регистра. По мнению Регистра, определение допустимого ледового класса исходя из конкретной ледовой обстановки в районе эксплуатации является прерогативой капитана порта, Администрации Северного морского пути или судовладельца, а выбор ледового класса проектируемого судна также должен быть обоснован его заказчиком или проектантом. Следует отметить, что в целом данные изменения направлены на предоставление больших возможностей проектантам и операторам для обоснованного выбора наиболее подходящего уровня как ледовых усилений корпуса, так и пропульсивных параметров и прочих характеристик судна, базируясь на адекватной оценке всех рисков, применительно к расчетным районах эксплуатации судна. В то же время, важно сохранить правильное понимание того, насколько проектируемые суда будут соответствовать условиям эксплуатации. Надо отметить, что с первого взгляда на новую таблицу создается впечатление, что Регистр ужесточил требования к собственным арктическим ледовым классам (например, в описании ледового класса Arc7 указывается плавание в зимне-весенний период навигации в сплоченном однолетнем льду толщиной до 1,4 м, при этом ледопроходимость современных судов этого класса значительно выше и достигает 2,1 м - см. табл.1). Кроме того, режим ледокольной проводки теперь вообще вынесен за рамки классификации и целиком возложен на усмотрение судовладельца и проектанта. В этом случае необходимо, чтобы в Свидетельстве судна полярного плавания, выдаваемом классификационным обществом в соответствии с требованиями Полярного Кодекса, были достаточно четко указаны реальные возможные эксплуатационные ограничения при плавании во льдах для конкретного проекта судна. Это означает, что проектантам надо будет еще более внимательно изучать правила плавания в тех районах, для которых проектируется судно полярного плавания, то есть в нашем случае - «Правила плавания в акватории Северного морского пути», в которые также в настоящее время готовятся изменения. Проект этих изменений был вынесен на обсуждение всех заинтересованных сторон [13] и находится в данный момент на согласовании в Правительстве. Из опубликованных материалов следует, что предполагается, в частности, послабить требования к допуску судов с ледовыми классами Arc4 и Arc5 к плаванию под ледокольной проводкой. Данные предложения основаны на накопленном опыте работы мощных атомных ледоколов с относительно небольшими судами, в частности с использованием буксировки вплотную в наиболее тяжелых ледовых условиях, что неприемлемо для крупнотоннажных судов, требующих особых методов их проводки ледоколами. Заключение Освоение месторождений углеводородов в Арктическом бассейне России привело к созданию принципиально новых типов крупнотоннажных транспортных судов арктического плавания, существенно превосходящих по своим эксплуатационным возможностям традиционные ледокольно-транспортные суда. Дальнейшее увеличение объемов экспорта, новые планы по организации круглогодичной навигации в восточном направлении по Северному морскому пути, а также современные экологические требования, ставят перед проектантами новые вызовы и задачи при создании судов, способных обеспечить надежное, экономически эффективное и безопасное судоходство в Арктике. В качестве основного вывода можно отметить, что выбор оптимальных параметров и дальнейшее проектирование перспективных арктических транспортных судов должны основываться на результатах комплексного технико-экономического обоснования для каждого конкретного проекта, в процессе которого должны быть учтены ледовые и навигационные условия в районах эксплуатации, предполагаемые объемы перевозок и использование различных схем транспортировки, наличие и возможности ледокольного обеспечения, а также подробно проработаны все проблемные вопросы, связанные с особенностями их плавания во льдах.
629.5.01
10.24411/2658-4255-2019-10054
арктическое судостроение
ледокольно-транспортное судно
Северный морской путь
проектирование судов
ледовый класс
сжиженный природный газ
arctic shipbuilding
icebreaking cargo vessel
Northern Sea Route
ship design
ice class
liquefied natural gas
G.Wilkman, M.Elo, L.Lonnberg, J.Kunnari. Ice trials of MV Norilskiy Nickel in March 2006 // Recent Development of Offshore Engineering in Cold Regions, Yue (ed.) (POAC-07), Dalian, China, June 27-30, 2007. ISBN 978-7-5611-3631-7
A. Iyerusalimskiy, P. Noble. Design Challenges for a Large Arctic Crude Oil Tanker //Proceedings of the 8th International Conference and Exhibition on Performance of Ships and Structures in Ice (ICETECH’08). Calgary, Canada, 2008, ISBN 978-0-9780896-1-0
Цой Л.Г., Андрюшин А.В., Штрек А.А. Обоснование основных параметров перспективных крупнотоннажных газовозов для Арктики. //Проблемы Арктики и Антарктики. №3 (97). СПб., ААНИИ, 2013. С. 46-56.
Афонин А.Б., Ольховик Е.О., Тезиков А.Л. Разработка методов оценки проходных глубин на трассах Северного морского пути в зависимости от подробности съемки рельефа дна. //Водные пути сообщения и гидрография. Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. № 4 (32), 2015. С. 90-95. DOI: 10.21821/2309-5180-20168-4-62-68.
Макаров Е.И., Бресткин С.В., Гаврилов Ю.Г., Лямзин М.О., Фоломеев О.В. Первое безледокольное плавание по трассе Северного морского пути танкеров типа Yamalmax в период ранней летней навигации. URL: http://www.aari.ru/misc/publicat/sources/33/RPR-33el_l_37-39.pdf (дата обращения 24.06.2019 г.)
Штрек А.А., Буянов А.С. Технико-экономическое обоснование оптимальных параметров арктического контейнеровоза для транзитных перевозок по Северному морскому пути. //Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства, №42/43, 2016. С.23-30.
Штрек А. А. Обоснование основных характеристик челночных танкеров для вывоза нефти из арктических районов. //Перспективные транспортные средства для Арктики. Сб. научн. трудов ЦНИИМФ. СПб, 2003. С. 94-100.
Цой Л.Г., Андрюшин А.В., Штрек А.А., Шерстнёва И.В. Исследование оптимальных характеристик перспективного арктического газовоза для вывоза СПГ из п.Сабетта. //Техническая эксплуатация морского флота. Сб. научн. трудов ЦНИИМФ. СПб, 2012. С.3-15.
Штрек А.А. Выбор оптимального сценария эксплуатации при проектировании крупнотоннажных арктических транспортных судов. //Сборник докладов всероссийской научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Р.Е. Алексеева. НГТУ, Нижний Новгород, 23-24 ноября 2016 г. С.165-173.
Штрек А. Оценка возможности вывоза нефти из района Хатанги по СМП танкерами класса Aframax. // Offshore Russia, №1 (19), февраль 2018. C.24-27.
Климентьев А.Ю., Книжников А.Ю. Перспективы и потенциал использования СПГ для бункеровки в Арктических регионах России. //Всемирный фонд дикой природы (WWF). М., 2018. 48 с.
Российский морской регистр судоходства. Правила классификации и постройки морских судов, часть I «Классификация» НД:2-020101-114/ Последнее обновление: 24.12.2018. URL: https://lk.rs-class.org/regbook/rules?from=19 (дата обращения 24.06.2019 г.)
Проект ведомственного акта Минтранса России «О внесении изменений в Правила плавания в акватории Северного морского пути, утвержденного приказом Минтранса России от 17 января 2013 г. №7». URL: http://portnews.ru/news/268150/ (дата обращения 24.06.2019 г.)
Биота Арктики
Biota in the Arctic
36-43
RAR
Коновалов
А.А.
Тюменский научный центр СО РАН; Тюменский индустриальный университет
Konovalov
A.A.
Tyumen Scientific Centre Siberian Branch of the RAS; Tyumen State Industrial University
О РАСПРЕДЕЛЕНИИ И ИЕРАРХИИ БИОТЫ НА СЕВЕРЕ ТЮМЕНСКОЙ ОБЛАСТИ
About distribution and hierarchy biota in the North of Tyumen region
Исследуются количественные закономерности распределения и иерархии биотических показателей севера Тюменской области. Показана их связь с климатическими параметрами: средними температурами воздуха за самый теплый месяц, индексами тепла, сухости, средней годовой температурой, годовой суммой осадков и др. Установлен характер и построены схематические карты их зонального распределения. Определены формулы зависимости основных показателей биоты: численности таксонов растений и животных разного иерархического уровня, продуктивности и фитомассы от индексов тепла, сухости, и др. климатических характеристик. Показано подобие пространственного и временного распределения климатических параметров, а также богатства и разнообразия биоты. Для удобства анализа и оценки распределения биоты разного генезиса введено понятие групповых (долевых) тепловых индексов, относящихся к разным температурным интервалам: 0-5, 5-10, 10-15, 15-tm, °С.
The article explores quantitative regularities of distribution and the hierarchy of biotic indicators North, Tyumen region. Their connection with climatic parameters is shown: average air temperatures for the warmest month, indices of heat, dryness, average annual temperature, annual amount of precipitation, etc. The nature and schematic maps of their zonal distribution are constructed. The formulas for the dependence of the main biota indicators are determined: the number of taxa of plants and animals of different hierarchical levels, productivity and phytomass from indices of heat, dryness, and other climatic characteristics. The similarity of the spatial and temporal distribution of climatic parameters, as well as the richness and diversity of biota, is shown. For the convenience of analysis and assessment of the distribution of biota of different genesis, the concept of group (fractional) thermal indices, belonging to different temperature ranges, is introduced: 0-5, 5-10, 10-15, 15-tm, °С
Введение К северу Тюменской области относится территория Ямало-Ненецкого (ЯНАО) и Ханты-Мансийского (ХМАО) автономных округов общей площадью 1304 км2 (это значительно больше Германии, Франции и Испании вместе взятых) и протяженностью в меридиональном направлении более 1500 км. Это главная кладовая углеводородного сырья России, в ее недрах содержится 91% разведанных запасов газа и 46% нефти. Общим для региона являются суровые природные условия, определяющие здесь, особенно в его арктической части, скудость биологических ресурсов и трудности хозяйственного освоения. Он включает в себя восемь биоклиматических комплексов (БК). Их наименования и нумерация (I, II, ...VIII) приведены на рис.1. Биотическому богатству и разнообразию региона, их зависимости от климата посвящена обширная литература [5, 12, 14], и др. В то же время недостаточно отражены данные о связи климата с различными показателями биоты (всевозможными формами влияния организмов друг на друга и на среду), особенности их распределения в пространстве и времени и связи с определенными температурными интервалами. Целью данной статьи является устранение этих недостатков. Материал распределен по блокам: климатическому и биотическому. В первом анализируются взаимосвязи основных элементов климата (ЭК), во втором -закономерности зависимости биоты, ее флористической и фаунистической составляющей, от ключевых климатических характеристик. Климатические показатели взяты по данным метеостанций. Аппроксимации искомых зависимостей и их достоверность (коэффициент детерминации R2) определялись по программе Excel. Основные климатические показатели и их взаимосвязи Важнейшими комплексными показателями климата являются: индекс сухости J = B/Urr (В - годовой радиационный баланс, ккал/см2; U =0,6 ккал/см3 -теплота испарения, гг - годовая сумма осадков, см), характеризующий соотношение поступления в почву тепла и влаги, и суммы положительных Х>0 и отрицательных £< 0 температур воздуха, градусосутки (гс) - индексы тепла и холода, ответственные за теплообмен у поверхности Земли [2]. Входящее в J отношение B/U= гш - это метрический эквивалент радиационного баланса, характеризующий максимально возможное испарение - испаряемость, а индекс сухости J = B/Urr = гш/ гг есть количественный критерий, указывающий на избыток (или недостаток) тепла или влаги. Если J< 1, то в избытке влага, если J>1, - тепло. Соответственно, в первом случае жизнь биоты и ее эволюция зависят, в первую очередь, от поступления тепла, во втором - влаги. Таким образом, изолиния J ~1 делит биосферу на северную (холодную, влажную) и южную (теплую, сухую). Автономные округа находятся в северной фитосфере, характеризующейся возрастанием обилия и разнообразия биоты с севера на юг (в южной фитосфере - наоборот [2]). В агрономии соотношение между теплом и влагой определяется гидротермическим коэффициентом Селянинова К.о = гт / £>0, где гт - сумма осадков (см) за теплое время года [15]. На рис. 1-2 приведены схематические карты [8] биоклиматического районирования севера Тюменской области и распределения определяющих ЭК. СТР.36 BIOTA OF THE ARCTIC RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO s\\\\ Russian Arctic -24 Рис. 1. Биоклиматические комплексы - БК [11] (I - арктическая тундра, II и III - северная и южная полоса субарктических типичных тундр, IV - субарктические кустарниковые тундры, V - лесотундра, VI и VII - северная и южная полоса северной тайги, VIII - средняя тайга; среднемесячные температуры воздуха января и июля на севере Тюменской обл. Вертикаль L=1 - условный меридиан, может служить масштабной шкалой с ценой деления ~150 км при определении расстояний между изолиниями ЭК.) Рис. 2. Суммы положительных и отрицательных температур (градусосутки, гс) на севере Тюменской области [11] (I - арктическая тундра, II и III - северная и южная полоса субарктических типичных тундр, IV - субарктические кустарниковые тундры, V - лесотундра, VI и VII - северная и южная полоса северной тайги, VIII - средняя тайга; среднемесячные температуры воздуха января и июля на севере Тюменской обл. Вертикаль L=1 - условный меридиан, может служить масштабной шкалой с ценой деления ~150 км при определении расстояний между изолиниями ЭК.) Все элементы климата (ЭК), как единой системы, взаимосвязаны. На рис.3 приведены графики, связывающие наиболее значимые для биоты ЭК на севере Тюменской области и их аппроксимации; кроме уже известных по тексту обозначений, здесь: S>5 и S>10 -суммы температур выше 5 и 10о С; jrr = гт/ гг -относительная величина суммы осадков за теплый период; Ат= tm +(-t1) - амплитуда колебаний температуры воздуха, tm и t1 - среднемесячные максимальная (на побережье и островах - август tm= t8, южнее - июль tm= t7,) и минимальные температуры воздуха. Территория округов - область многолетнего (ЯНАО) и сезонного (ХМАО) промерзания грунтов В тундре и лесотундре многолетнемерзлые породы имеют сплошное распространение, их мощность увеличивается от 250-300 м на широте Полярного круга до 500-550 м на 70о с.ш. Южная граница сплошной многолетней мерзлоты примерно совпадает с изолинией S> 0 = 1200 гс. Глубина сезонного оттаивания увеличивается с севера на юг, от 1.3 до 2.7 м у песчаных грунтов, и от 0.2 до 0.5 м у торфяных. На рис. 4 показано распределение максимальной глубины сезонного оттаивания hr песчаных грунтов, рассчитанной по известной формуле Стефана [6], отображающей квадратичную зависимость глубины оттаивания от времени или индекса тепла: Ьт ~ т 0.5 ~ (S>0)0.5 . Рис. 3. Графики зависимостей: S>o от t7 - А; S> (5-15) от S> о - Б; tc от S- о - В; Ко от J-Г; Гг от Гт-Д; jr-т отjt7 - Е; S>o от J -Ж; ю и Е от гт - З; Тт от S>o - и; Ат от tm - К (обозначения в тексте). СТР.37 BIOTA OF THE ARCTIC RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO s\\\\ Russian Arctic Рис.4. Распределение глубины сезонного оттаивания hm песчаных грунтов [11] Ход глубины сезонного оттаивания hx в теплый период года тт в конкретном месте зависит от текущих значений времени т или индекса тепла (S>0)t . hT = hr • (т / тт)0.5 = hr • [(S>0)t /S>0] 0.5 , (1) Для перехода к другим грунтам значение Ьт, найденное по рис.4, умножается на понижающий коэффициент, примерно равный: 0.8 для глинистых грунтов, 0.65 для суглинистых и 0.4 для торфяных. В теплое время года подошва оттаивающего слоя служит водоупором, вызывающим его переувлажнение. Таяние мерзлоты и недостаточное испарение способствуют заболачиванию территории и развитию здесь специфического озерно-болотного ландшафта с преобладанием травянистой растительности. В период таяния мерзлого слоя из него идет интенсивное выделение защемленных газов, преимущественно метана и диоксида углерода - главных виновников парникового эффекта и повышенной пожарной опасности. О подобии климатических и пространственновременных показателей В пределах холодной фитосферы изменение климатических показателей в течение теплого периода года, в частности среднемесячных температур и их сумм, подобно их пространственному изменению в направлении с севера на юг. Влажность почвы здесь избыточна, поэтому биота зависит, в основном, от атмосферного тепла, опосредованного величиной S>0. Чем выше S>0 (и tм), тем через большее количество природных зон, находящихся севернее арктической пустыни, где S>0 близка к 0, дважды (туда к середине лета и обратно к началу зимы) «пробегает» данное географическое место в течение теплого периода года, и тем обильнее и разнообразней его биота. Изменение индекса тепла в теплое время года на равнинной местности подобно изменению этого параметра в меридиональном направлении (с севера на юг). В горах аналогичным пространственным фактором является высотная поясность, когда индекс тепла убывает с повышением высоты. Индекс тепла как время или пройденный путь - кумулятивные величины, изменяющиеся только в сторону увеличения. На рис. 5 показан многолетний ход годового индекса тепла в Сургуте (а), Салехарде (б) и Березове (в), а на рис. 5 г - ход его суммарного роста в тех же пунктах, но в относительных (нормализованных) величинах j. Все три кривые на рис. 5 г практически сливаются. Г рафики на рис. 5 д отражают зависимость годового индекса тепла в размерной и безразмерной форме от jL= AL/L -относительного расстояния по линии L на рис.1. Из сравнения графиков на рис. 5 г и д следует примерная идентичность (эквивалентность, взаимозаменяемость) всех трех нормализованных величин - индекса тепла, времени и пространства. Т.е. в первом приближении, для всего региона справедливо равенство j£>0 = jx = jL. I>0 0 26 1000 - б 1 І ' 1 800 - PJLЇШ 200 ' ■ ■ - - ■ ■ T‘ ■ ( ) 25 ■ b>o=1.07 k ‘ R* = 0.99 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Ji Рис. 5. Ход S>0 (гс) во времени т (годы): а - Сургут, б - Салехард, в -Березово; зависимость jS>0 от jT - г и от jL - д Климатическая зависимость биотического богатства и разнообразия На графиках рис. 6 показана зависимость количества таксонов разного уровня: видов (В), родов (Р), семейств (С), порядков (П) или отрядов (О), классов (К) и отделов (Од) сосудистых растений (Ыр) [8] и животных (N ) [7], а также продуктивности (годичной первичной продукции) Рг, т/(га • год) и фитомассы Vm, т/га [1]. от климатических показателей: S>0, t7 и J. Анализ таблиц и графиков зависимости биотических показателей от индекса тепла показал, что: а) начиная с уровня классов количество таксонов перестает зависеть от климата, становится примерно постоянным, одинаковым для всех БК; б) общая формула зависимости параметров биоты от S>0 практически линейна: У=А2>0+В (2) где У - общее обозначение биотических показателей, А и В - численные коэффициенты, определяемые по табл. 1. Формула (2) в купе с табл. 1 позволяют определить количество биотических таксонов непосредственно по климатическим показателям - S>0, t7 или J. СТР. 38 BIOTA OF THE ARCTIC RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO s\\\\ Russian Arctic Рис. 6. Графики зависимости Ыж, Ыр, Vm и Pr от S>o, а также от t7 (вторая нижняя горизонтальные ось) и J (верхняя горизонтальная ось) на севере Тюменской области Таким образом, количество таксонов любого уровня, примерно до класса, зависит от климата, увеличиваясь с севера на юг. В то же время, как следует из рис.7 (а и б), отношение количества таксонов любого уровня к количеству видов - постоянная величина, не зависящая от климата (т.е. во всех природных комплексах ^2/ ^1=0,44; Nж2/ Nж1=0,58 и т.п.). Поэтому, зная количество видов, по формулам на рис. 7 можно рассчитать и количество таксонов более высокого ранга (родов, семейств). Рис.7в отражает устойчивую линейную связь таксонов флоры и фауны, также инвариантную климату. Рис. 7. Зависимость численности таксонов животных Ыж2 - Ыж4 от Ыж1 и Ыр2 - Ыр4 от Ыр1 (а, б), а также Ыж1 от Ирї(в); (1 - вид, 2 - род, 3 - семейство, 4 - отряд) Таблица 1- Постоянные в формуле (1) для основных параметров групп биоты (ГБ): количества таксонов птиц (Пт), млекопитающих (М), всех животных Ыж=М + Пт, древесных (Д) и травянистых (Тр) растений, всей растительности (Ир), продуктивности Pr и биомассы Вт растений, а также значения R2 ГБ Таксоны А В R2 ГБ Таксоны А В R2 Пт Виды 0.125 53.1 0.92 Д виды 0.0024 55 0.88 Роды 0.063 34.9 0.93 роды 0.001 26 0.87 cем-cтва 0.02 16.1 0.94 cем-cтва 0.0003 14.3 0.73 отряды 0.008 5.8 0.9 Тр виды 0.09 255 0.99 М Виды 0.031 10.3 0.98 роды 0.09 60 0.97 Роды 0.017 10.1 0.95 cем-cтва 0.02 25 0.94 cем-cтва 0.006 6.8 0.96 виды 0.115 285 0.98 отряды 0.001 4.5 0.80 роды 0.096 86.3 0.94 Виды 0.176 49.8 0.98 cем-cтва 0.022 36.4 0.91 Роды 0.091 37.2 0.98 порядки 0.021 25.4 0.9 cем-cтва 0.029 21 0.98 классы 0.003 3.6 0.86 Отряды 0.01 9.2 0.99 отделы 0.0026 2.7 0.84 Pr - 0.006 0 0.98 Vm - 0.17 0 0.96 Температурные интервалы и аффилированные с ними биотические группы Биотическое разнообразие выражают через различные соотношения между массой или численностью разных групп биоты (совокупность популяций, населяющих определенную территорию, которая функционирует как единое целое благодаря взаимосвязанным метаболическим превращениям) -индексы Шеннона (мера энтропии), Симпсона (мера дисперсии) и др. [4]. Чем больше индекс Шеннона, тем разнообразней биота. Увеличение индекса Симпсона соответствует росту доминирования. Следует отметить, что состав биоты, количество ее систематических групп (таксонов) и соотношения между ними реально определяются только непосредственным подсчетом (переписью) в полевых условиях, т.е. все известные индексы разнообразия биоты рассчитываются по уже установленным ее показателям. Причем ни один из известных индексов не отражает влияние климатических факторов. Между тем именно климат, определяющий тепло- и влагообеспеченность, является главным (первичным) фактором членения биоты, ее многообразия. Он позволяет оценивать, хотя бы приближенно, структуру биоты только по климатическим данным, в частности, по индексам тепла СТР.39 BIOTA OF THE ARCTIC RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO s\\\\ Russian Arctic S>0 и сухости или по максимальным среднемесячным температурам tм. В климатических справочниках, помимо £>0, даются суммы температур выше 5, 10 и 15оС, которые хорошо коррелируют с £>0 - рис.3. Выделим четыре температурных интервала с разными тепловыми условиями вегетации и соответственно структурой растительности: 1) At = 0-5; 2) At =5-10; 3) At =10-15 и 4) At =15-tm°C и распределим между ними сумму положительных температур £>0 - условный показатель тепла. Каждому интервалу, а фактически определенному климатическому поясу - 1) арктическому, 2) субарктическому, 3) умеренному и 4) засушливому отвечает определенная группа биоты, существующая при этих температурах: 1)арктическая (Ар), 2)субарктическая или морозостойкая (Мс), 3) теплолюбивая (Тл), 4) сухоустойчивая (Су). В средней тайге и южнее, где t7 > 15оС, распределенное условное тепло вычисляется по формулам: 1) £1 = £>0 -£>5; 2) £2= £>5 -£>10 ; 3) £3= £>10 -£>15. Последний (в данном случае четвертый) интервал определяется по остаточному принципу: 4) £4 = £>0 - (£1 +£2 + £3) = £>15. Такое групповое структурирование условного тепла и обусловленных им биотических показателей объясняет (наряду с историей климата) часто наблюдаемое распространение определенных видов биоты далеко за пределами своего ареала, наличие категории редких видов и ряд других особенностей распределения биоты. Выделение тепловых интервалов продемонстрируем на примере Сургута, где £>0 =1734, £>5 =1644, £>10 = 1361, £>15 =791, t7= 16.9оС, тт = 180 сут, Ьт = 2.7м. Тогда: £1 = 90 гс; £ 2 = 283 гс; £ 3 = 570 гс; £4 =1734 - (90 + 283 +570) = £>15 =791 гс. Доли (п 1-4 = £1-4 /£>0) от всей суммы положительных температур в каждом интервале равны: п1=90/1734=0,05; г|2=283/1734=0,16; п3=570/1734=0,33 и п4=791/1734=0,46. При анализе нужно различать полную (максимальную) сумму положительных температур £>0 и изменяющуюся (растущую) в течение теплого периода (£>0)т от 0 до £>0 (в Сургуте от 0 до 1734 гс). Ход (т, час) температур воздуха t (оС) и их сумм (£>0) т в теплое время года в Сургуте показаны на рис. 8. Оба графика с высокой достоверностью (R2 ~ 0,99) описываются полиномом: (£>0)т ; t = а т2+Ь т (3) При расчете (£>0)т а =0. 01, b=9; при расчете t b = -0.002 , b =0.37 Ход температур воздуха t в теплое время хорошо описывается также синусоидой, а их сумм (£>0)т -линейной функцией: t ~ t0 + tm sin (п т/тт ), (£>0)т ~ £>0 • т/тт (4) где t0 - температура начала (и конца) теплого времени года, в умеренных и северных широтах t0 ~ 0 оС; т - текущее время теплого периода; тт - длительность теплого периода. Величину (£>0)т можно определить и как интеграл синусоиды (5): (!>о}т = tm Тт /3.14 [1 -cos (3.14 т/тт)] (5) На рис. 8 выделены все четыре интервала температур, соответствующие им индексы тепла и группы биоты снизу вверх: арктическая (Ар), морозоустойчивая (Му), теплолюбивая (Тл), сухоустойчивая (Су) t 15 10 0 Су, £4 = 791 Тл, Г3 = 570//" /Му, % \\ ♦- * t A- 2 \\ □- 3 \\ в- 4 Ар, %=90\\ X 1600 ■ 1050 450 0 30 60 90 120 150 Т Рис. 8. Ход температур воздуха t (оС), их сумм (£>о)т (гс) в теплое время года (т, сут), в Сургуте и их аппроксимации : 1-синусоидальняя, 2- полиномиальная, 3 - линейная, 4 -косинусоидальняя. Севернее, где среднемесячные температуры воздуха ниже 15оС, 4-й участок отсутствует; величины распределенного тепла на остальных участках определяются аналогично, в том числе на 3-м (последнем): £3 =£10- t7 = £>0 - (£0-5 +£5-10)= £>10. По такой же схеме составляются формулы для расчета распределенного тепла на Крайнем Севере, где отсутствует третий, а при tm < 5oC и второй интервалы. Например, в Тамбее, где £>0 =493, £>5 =344 гс, а самая высокая среднемесячная температура летом tiw= t8= 6.4>5 оС, третий и четвертый участки отсутствуют. Отнимая £>5 =344 от £>0 =493, получаем количество условного тепла на первом температурном участке £1= £0-5 = 149 гс; остальное относится ко второму участку £2 =£>5=344 гс. Групповые £1-n тепловые индексы - константы для каждого географического места (n - число интервалов: от 1 в арктической пустыне до 4 в тайге) можно использовать для оценки богатства и разнообразия биоты. На уровне групповых индексов тепла также наблюдается подобие (эквивалентность) временных и пространственных (в данном случае вертикальных) страт. Под последними понимаются значения Ьт, фиксирующие нижние границы отдельных слоев сезонного оттаивания, отвечающих за вегетацию выделенных выше 4-х групп биоты. Они рассчитываются по формуле (1), при этом входящие в неё (£>0)т или т определяются с помощью формул (3) - (5) либо снимаются непосредственно с графиков, типа показанного на рис. 8. Для примера в табл. 2 приведены выделенные группы биоты Ар, Му, Тл и Су и определяющих их значения т, (£>0)т и Ьт для Сургута согласно рис. 8. Во втором столбце таблицы также показаны их величины (нули), отвечающие состоянию дневной поверхности на начало весны. Таблица 2 - Выделенные группы биоты (ГБ) и определяющие их параметры: т, сутки; (£>о)т, гс; hb м. ГБ - Ар Му Тл Су Т 0 55 95 150 180 (!>0)T 0 450 1050 1600 1734 hr 0 1.4 2.1 2.6 2.7 Анализ показал, что зависимость биотических таксонов от индекса тепла с несколько большей, но также допустимой погрешностью (0.8-0.9) можно аппроксимировать упрощенной формулой (2), при В=0, когда все параметры биоты (не только Pr и Vm, как в табл.1) и суммы температур прямо пропорциональны. СТР. 40 BIOTA OF THE ARCTIC RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO /** vS Russian / \\ \\ Arctic При этом коэффициент пропорциональности равен ni- n , а величина А определяется по табл. 3. Это позволяет вычислять все биотические показатели, в том числе и распределенные по температурным интервалам (У1- n) по общей формуле: У1-n = У ■ П1-n (6) Таблица 3 - Коэффициенты А в упрощенной формуле (1) для основных параметров групп биоты (ГБ): количества таксонов птиц (Пт), млекопитающих (М), всех животных Иж=М + Пт, древесных (Д) и травянистых (Тр) растений, всех сосудистых растений (Ир = Д+Тр). Итоговым результатом работы является табл. 4, в которую сведены основные ЭК, осредненные по выделенным биоклиматическим комплексам (БК) и зависящее от них видовое богатство и разнообразие биоты, общее и распределенное по температурным интервалам. Из табл. 4 следует, что арктическая биота (Ырь. ^1) встречается по всему региону, убывая с севера на юг. Это соответствует фактическим данным. Например, пыльца карликовой березки - эндемика тундры -повсеместно присутствует и в таежных поверхностных палиноспектрах [9]. Сухоустойчивая биота (^4,. ^4) встречается только в таежной зоне и южнее. Распределение численности субарктических (N2) и теплолюбивых (N3) видов имеет более сложный волнообразную форму. Причем максимальные значения долевых тепловых индексов и соответствующие им численности видов биоты (и растений и животных) приурочены к биокомплексам III (юг типичной тундры) и VI (север северной тайги). В табл. 4 приведены только количества видов распределенных по температурам растений и животных. При необходимости по формулам на рис.6 нетрудно определить эти показатели и для последующих иерархических уровней (родов, семейств и т.д.). Потепление климата и его влияние на биоту В последние 40-50 лет отмечается повсеместное потепление климата, основным признаком которого является повышение температуры воздуха, как в теплое время года, так и в среднегодовом выражении. Потепление вызывает много негативных последствий, часто катастрофического характера - пожары, наводнения, просадки вечномерзлых грунтов, разрушительные деформации инженерных сооружений и т.п. Особенно оно опасно для Севера, где грозит оттаиванием приполярных и подземных льдов и высвобождением огромных масс воды и защемленных в толще мерзлоты газов. В то же время, очевидно, что повышение температур воздуха играет и положительную роль, увеличивая длительность вегетационного периода и продуктивность биоты. Оценим эту роль для севера Тюменской области, используя климатические справочники 1965 и 2011 годов. В табл. 5 приведены среднемноголетние значения среднегодовых (tc) и максимальных среднемесячных (tm) температур воздуха в ряде пунктов на севере Тюменской обл. за периоды до 2011 и до 1965 гг. Таблица 4 - Максимальные среднемесячные температуры (tm°C); индексы сухости (J) и тепла (£>о), гс; число видов растений (Ир) и животных (Иж) в разных БК (по рис.1). А также долевые тепловые индексы п 1- 4 и распределенные по четырем температурным интервалам числа видов растений (Ир1-4) и животных (Иж.1-4), синим выделены их максимумы БК I II III IV V VI VII VIII tm 5,3 6 9 12,5 14 15 16 18 J 0,45 0,5 0,6 0,7 0,75 0,81 0,88 0,96 I>0 460 610 760 1050 1230 1320 1600 1850 П1 0,27 0,19 0,15 0,1 0,08 0,07 0,05 0,04 П2 0,72 0,81 0,85 0,23 0,21 0,19 0,16 0,14 П3 - - - 0,67 0,72 0,73 0,31 0,27 П4 - - - - - - 0,47 0,55 326 338 364 390 410 457 470 480 N^ 90 64 55 39 36 31 24 19 N^ 236 274 309 90 95 98 84 67 N^ - - - 261 280 328 145 130 N^ - - - - - - 220 264 115 127 166 204 233 280 316 323 ^1 31 24 25 20 20 20 16 13 84 103 141 47 51 53 51 45 ^3 - - - 137 161 207 98 87 ^4 - - - - - - 151 178 Таблица 5 - Средние значения tc и tm за периоды времени до 2011 (а) и 1965г.(Ь) и их изменения за 50лет на севере Тюменской области. № Пункт Ъс..а, 2011 tab , 1965 tm^, 2011 tm.b, 1965 .b/ m. /.а m. t 1. о. Белый -11.7 -10.4 4.9 4.1 1.19 2. Харасавэй -10.5 -9.8 6.6 5.5 1.2 3. Тазовский -8.6 -9.3 14.5 13.4 1.08 4. Сидоровск -8 -8.5 15.6 14.6 1.07 5. Н.Порт -7.8 -9.4 12.2 11 1.11 6. Ямбург -6.3 -6.9 14.3 13 1.1 7. Салехард -6.3 -6.4 14.7 13.8 1.06 8. Халесавэй -5.3 -5.8 17.2 15.9 1.08 9. Тарко-Сале -6 -6.7 16.4 15.4 1.06 10. Яр-Сале -7.3 -7.5 14.4 13.2 1.09 11. Надым -5.9 -6.6 15.9 14.7 1.08 12. Березово -3.1 -3.8 16.4 15.8 1.04 13. Сургут -2.9 -3.1 17.5 16.9 1.04 14. Няксимволь -2.2 -1.2 17.3 15.8 1.09 15. Х.-Мансийск -0.8 -1.4 18.3 17.5 1.05 Табл. 5 отражает общую тенденцию к повышению максимальных среднемесячных температур воздуха в последние примерно 50 лет: на 0,6 - 1,5оС (в среднем примерно на 1 оС) или на 5-19% со средней скоростью: vtm ~ 1/50 ~ 0,02 град/год. Причем наибольшее повышение в процентном отношении наблюдается на севере региона, СТР. 41 ГБ Пт М Д Тр А 0.56 0.04 0.21 0.19 1.3 0.2 BIOTA OF THE ARCTIC RUSSIAN ARCTIC |5, 2019| RUSSIAN-ARCTIC.INFO s\\\\ Russian Arctic к югу оно убывает. Что касается среднегодовых температур, то на большей части территории они также повышаются, за исключением островов и побережья Карского моря (о. Белый и м. Харасавэй), где наблюдается некоторое их понижение. Это говорит о том, что потепление происходит, в основном за счет повышения летних температур. Увеличение индекса тепла вызывает перемещение биоклиматических комплексов (БК) с юга на север и увеличение (в целом) видового богатства биоты. В то же время увеличение максимальной среднемесячной температуры воздуха на один градус на побережье вызовет потерю части ареала арктической наземной биоты, соответственно ее уменьшение и переход в категорию редких видов - объектов Красной книги. В табл. 6 приведены значения индекса тепла за периоды наблюдений до 1965 г. (числители) и до 2011 г. (знаменатели), взятые из справочников и соответствующие им величины видового богатства и продуктивности, рассчитанные по формуле (2). Аналогично можно оценить влияние потепления на групповые индексы тепла, биомассу и биотические таксоны высших рангов. Таблица 6 - Индексы тепла (Y>o), гс; продукция (Pr, т/гагод); число видов растений (Ир) и животных (Ыж) в разных БК (по рис.1), соответствующие климатическим показателям наблюдаемым до 1965 г (числитель) и до 2011 г. (знаменатель). БК I II III IV V VI VII VIII M>0 340/432 439/531 658/750 877/969 1097/1189 1316/1408 1536/1628 1700/1819 Pr 2/2,2 2,6/2,8 3,9/4,2 5,3/5,6 6,6/7 7,9/8,4 9,2/9,9 10,2/10,9 327/335 338/346 364/371 390/396 417/421 449/457 469/472 480/491 N>k 110/125 127/143 166/181 204/220 243/259 281/298 316/336 324/365 Повышение максимальных среднемесячных температур воздуха за последние примерно 50 лет на 1оС, согласно табл. 6, должно вызвать увеличение видов: сосудистых растений от 8 арктической тундре до 11 в средней тайге; животных от 15 в арктической тундре до 41 в средней тайге.
574.5:51-7:62
10.24411/2658-4255-2019-10055
Север
биота
климат
индексы тепла и сухости
таксоны
взаимосвязи
the North
biota
climate
indices of heat and dryness
taxa
interactions
Базилевич Н.И., Родин Л.Е., Розов Н.Н., 1970. Географические аспекты изучения биологической продуктивности. Мат.У съезда Геогр.общ. СССР. Л: Наука. 1970. С. 3-28.
Будыко М.И. Климат и жизнь. Л., Гидрометеоиздат. 1981. 400 с
Гашев С.Н. Млекопитающие Тюменской области: справочник-определитель. Тюмень: Изд-во ТюмГУ, 2008. 333 с.
Гелашвили Д.Б., Иудин Д.И., Розенберг Г.С. и др. Основы мультифрактального анализа видовой структуры сообщества // Успехи современной биологии. 2008, т. 128. С. 21-34
Ильина И.С., Лапшина Е.И., Лавренко Н.Н. и др. Растительный покров Западно- Сибирской равнины. Новосибирск: Наука, 1985. 250 с.
Коновалов А.А., Роман Л.Т. Особенности проектирования фундаментов в нефтепромысловых районах Западной Сибири. Л.: Стройиздат. 1981. 168 с.
Коновалов А.А., Гашев С.Н., Казанцева М.Н. Распределение и иерархия биотических таксонов на территории Тюменской области // Аграрная Россия. 2013, 4. С. 48-57.
Коновалов А.А., Глазунов В.А. Московченко Д.В. Тигеев А.А. Гашев С.Н. О климатической зависимости биоты на севере Тюменской области. Материалы III Всероссийского совещания «Человек и Север». Тюмень: Изд-во ИПОС СО РАН, 2015. С. 333338.
Коновалов А.А., Иванов С.Н. Климат, фитопродуктивность и палиноспектры: связи, распределение и методика палеореконструкции (на примере Западной Сибири. Новосибирск: ГЕО, 2007. 130 с.
Коновалов А.А. Климатическая зависимость биоты (на примере Западной Сибири). ЖОБ, т.79, №1, 2018, с. 55-63.
Научно-прикладной справочник «Климат России, 2011» [Электронный ресурс]. URL: аisori.meteo.ru/ClspR
Ребристая О.В. Флора полуострова Ямал. Современное состояние и история формирования. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. 312 с.
Справочник по климату СССР. Л.: Гидрометиздат, вып.17, ч.І, II, 1965-1966, 276 с.
Телятников М.Ю. Особенности распределения тундровой растительности сибирского сектора Арктики. Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук. Новосибирск, 2005. 320 с.
Хромов С.П., Мамонтова Л.И. Метеорологический словарь. Л: Гидрометиздат, 1974, 268с.