Na całym świecie porty morskie pełnią kluczową rolę w globalnym transporcie i stanowią niezwykle ważny element gospodarek wielu krajów. Zmiana klimatu, której efektem jest m.in. podnoszenie się średniego poziomu morza oraz wzrost częstotliwości ekstremalnych zjawisk pogodowych, zwiększa presję na infrastrukturę portową i wpływa na możliwość prowadzenia bezpiecznej żeglugi, obsługi ładunków i pasażerów oraz innych prac związanych z logistyką morską. Wiedza na temat charakterystyk falowania, rozkładu prądów morskich i wahania stanu wód, szczególnie podczas ekstremalnych zjawisk pogodowych, jest niezbędna do prawidłowego zarządzania portami oraz planowania ich rozwoju w przyszłości.
Port Gdynia to jeden z największych portów basenu Morza Bałtyckiego. Wchodzi w skład VI Korytarza Transeuropejskiej Sieci Transportowej i stanowi ważny element polskiej infrastruktury importowej i eksportowej. Co prawda Gdynia jest portem śródlądowym, chronionym przez barierę w postaci Półwyspu Helskiego, to w rejonie Zatoki Gdańskiej fale mogą sięgać ponad 3 m, a najwyższe fale maksymalne według reanalizy ERA5 dla lat 1981-2021 przekraczają 9,5 m. Średni czas trwania burzy na tym akwenie w ciągu roku wynosi ponad 98 dni, a średnia wysokość fali znaczącej sięga od 0,5 m w porze bezsztormowej do 0,8 w okresie sztormowym. Głównym czynnikiem wpływającym na warunki pogodowe Zatoki Gdańskiej są wiatry z kierunku zachodniego i zachodnio-północnego, a powstawanie ekstremalnych zjawisk hydrodynamicznych związane jest z klimatem lokalnym i regionalnym oraz morfologią dna i kształtem wybrzeża, zwłaszcza w sąsiedztwie portu
W artykule „Waves, currents and seabed level change in the Port of Gdynia during extreme events”, opublikowanym w magazynie TransNav, przedstawiono charakterystykę siły i kierunku wiatru na obszarze portu gdyńskiego oraz prognozę wystąpienia ekstremalnych warunków falowania i stanu poziomu morza dla czterech scenariuszy w latach 2041-2100. Dodatkowo wykonano również analizę przestrzennego rozkładu prądów oraz zmian grubości dna morskiego spowodowanych ekstremalnymi wartościami prędkości prądów przydennych. „Obydwa te czynniki bezpośrednio wpływają na zmianę kształtu dna morskiego, a co za tym idzie, warunków panujących na drogach wodnych, które mogą doprowadzić do uwalniania niebezpiecznych substancji zanieczyszczających gromadzonych w osadach portowych” – tłumaczy Agnieszka Wochna z Zakładu Oceanografii i Monitoringu Bałtyku IMGW-PIB. – „Prowadzone w instytucie prace umożliwiły identyfikację obszarów portowych najbardziej narażonych na ekstremalne warunki hydrodynamiczne, takie jak fale, prądy morskie i zmiany poziomu dna morskiego. W badaniach wykorzystaliśmy wyniki modelowania fal SWAN, modelu MIKE 3D oraz dane z reanalizy i pomiarów naziemnych”.
Dotychczasowe badania napływu fal w obszarze portu gdyńskiego opierały się na metodach półempirycznych lub symulacjach przeprowadzanych na siatkach o niskiej rozdzielczości. To powodowało, że uzyskane wyniki odnosiły się raczej do warunków panujących w Zatoce Gdańskiej, a nie tych w porcie. Takie podejście to efekt trudności przeprowadzenia modelowania na obszarach portowych, do którego niezbędne są precyzyjne narzędzia i dane wejściowe o odpowiedniej rozdzielczości. W pracy zespołu z IMGW-PIB wykorzystano model SWAN (Simating WAves Nearshore) o rozdzielczości siatki obliczeniowej 5 m x 5 m, dzięki czemu uzyskano wysoką dokładność obliczeniową we wszystkich basenach portów wewnętrznych. Dodatkowo wykonano symulację zmian grubości dna morskiego, opierając się na wielopunktowych pomiarach głębokości wody w obszarze portu, co umożliwiło zbudowanie bardzo dokładnej siatki batymetrycznej.
„Nasze badania pokazują, że modelowanie o wysokiej rozdzielczości przy użyciu odpowiednich narzędzi, takich jak model MIKE 3D oraz SWAN, może być ważnym narzędziem w symulowaniu niebezpiecznych zjawisk hydrodynamicznych i ich skutków”. – wyjaśnia prof. Tamara Zalewska, kierownik Zakładu Oceanografii i Monitoringu Bałtyku w IMGW-PIB. – „Tego rodzaju symulacje powinny być brane pod uwagę w planach rozbudowy portu, zabezpieczenia nabrzeży, prac pogłębiarskich, przyjmowania statków wielkogabarytowych oraz postoju i rozładunku innych jednostek, a także w działaniach dostosowawczych całych procesów logistyki morskiej”.
Najważniejsze wyniki i wnioski
Dane asymilowane do modelu pochodzą z reanalizy i obejmują wartości wysokości fali znacznej, a nie maksymalnej, która stanowczo jest wyższa. Wartość 99. percentyla wysokości fali znacznej fali wiatrowej i rozkołysu przestrzennie są do siebie zbliżone. Wysokość fali znacznej fali wiatrowej z dominującego kierunku (277°) dla wartości prognozowanej dla okresu 2041-2100 nie przekracza 1,7 m w basenie pierwszym oraz drugim, zaś w pozostałych basenach i awanporcie kształtuje się w przedziale 1,75-2,1 m. Najwyższymi wartościami fali rozkołysu (do 0,26 m) charakteryzuje się awanport oraz tor i przyległe do niego części basenu IV-IX. Z kolei najmniejsze wartości wysokości fali znacznej – zarówno dla fali wiatrowej, jak i rozkołysowej – występują w obszarze za falochronem i odpowiednio nie przekraczają 1,65 m oraz 0,21 m.
Wartością kluczową dla projektantów i inżynierów, w szczególności istotną przy wyznaczeniu granicznych parametrów oddziaływania fal na obiekty hydrotechniczne, jest wielkość falowania w zdarzeniach ekstremalnych, których prawdopodobieństwo wystąpienia wynosi raz na 100 lat. W modelu dla takiego scenariusza wysokość fali znacznej wiatrowej (z dominującego, zachodniego kierunku wiatru) sięgała 3,6 m, zaś w przypadku rozkołysu 1,2 m. Należy wziąć pod uwagę, że wartości zadawane jako warunki inicjujące są wartościami prognozowanymi oraz pochodzą z reanalizy. Ponadto model może nie w pełni odzwierciedlać warunki rzeczywiste. Jednak nawet mimo takich ograniczeń, zidentyfikowano obszary portowe najbardziej narażone na oddziaływanie ponadprzeciętnych fal.
Kolejnym parametrem, który analizowano w trakcie badań, była zmiana miąższości osadów dna morskiego. W scenariuszu zakładającym dobowe oddziaływanie prądów wzdłużbrzegowych o prędkości 0,79 ms-1 przyrost miąższości w obszarze północnej części przyległego do portu wybrzeża (plaża Gdynia-Oksywie) wynosił od 0,5 cm do 2 cm, zaś największy transport erozyjny miał miejsce przy falochronie głównym. Z kolei prądy z kierunku wschodniego (transport odmorski) powodowały akumulację osadów (2,0-2,5 cm) w okolicach toru podejściowego portu. Należy podkreślić, że symulacja zakładała dobowe oddziaływanie silnych prądów morskich, które w rzeczywistym rozkładzie stanowią niewielki udział i mają charakter efemeryczny, a środowisko sedymentologiczne dna morskiego zachowuje równowagę bilansu erozyjno-akumulacyjnego w dłuższej skali czasu. Wydłużone oddziaływanie założonych w scenariuszach prędkości prądów morskich może stanowić podstawę predykcji przyszłych zmian wynikających ze zmiany klimatu.
Zmiana miąższości warstwy osadów dennych w przypadku prądów wzdłużbrzegowych (A) oraz prądów propagujących z otwartego morza (B).
„Znajomość szczegółowej charakterystyki fal i prądów morskich w czasie ekstremalnych warunków sztormowych umożliwia planowanie ruchu żeglugowego i pozwala na podjęcie stosownych działań zapobiegawczych, dzięki którym ogranicza się szkody wynikające np. z nieodpowiedniego cumowania statków czy niewłaściwej ochrony wybrzeża”. – podkreśla główny autor opracowania Patryk Sapiega. – „Wiedza o zdarzeniach, których prawdopodobieństwo wystąpienia wynosi raz na sto lat, może mieć również kluczowe znaczenie dla obliczeń wytrzymałościowych konstrukcji i infrastruktury linii brzegowej”.
Oprac. Redakcja.
Zdjęcie główne: Kajetan Sumila | Unsplash.
