ВведениеВолго-Каспийский морской судоходный канал (ВКМСК) является важной частью международного транспортного коридора «Север – Юг», играет роль связующего звена в единой глубоководной магистрали из Каспийского моря в Азово-Черноморский, Балтийский и Северный бассейны через порты Оля и Астрахань. В России канал – один из крупнейших гидротехнических сооружений, стратегически важный для экономики юга страны объект, состояние которого определяет возможность реализации ряда экономических и геополитических интересов государства.Современное состояние канала характеризуется недостаточной устойчивостью судового хода, определяемой в первую очередь изменчивостью судоходных глубин, поддержание которых на необходимом уровне обеспечивает безопасные условия судоходства. Основными факторами, влияющими на глубины канала, являются многолетние и сезонные изменения уровней Каспийского моря (УКМ), ветро-волновое воздействие и высокая заносимость канала. Колебания УКМ в многолетнем ряду, связанные с их периодическими подъемами и понижениями, являются естественной особенностью Каспия в силу разных причин, объединяемых в четыре большие группы: космогеофизические факторы, геолого-геодинамические процессы, гидрометеорологические процессы, антропогенные факторы [1–14].Сезонный ход уровня моря в основном определяется речным стоком, отличающимся большой межгодовой и внутригодовой изменчивостью, и обусловлен, прежде всего, объемом волжского половодья и его интенсивностью, характеризуемой значительной изменчивостью.На плавные объемные многолетние и сезонные колебания уровня вод Каспия накладываются резкие непериодические кратковременные сгонно-нагонные колебания, зависящие от характеристик ветра (направления, скорости и продолжительности его действия), а также от очертания береговой линии и распределения глубин в прибрежной зоне моря. В Северном Каспии с его обширными мелководьями, с малыми уклонами дна моря созданы наиболее благоприятные условия для развития значительных сгонов, которые могут понизить уровень воды локально до 2,5 м и существенно повлиять на судоходные глубины.На общую картину с колебаниями уровня воды накладывается фактор высокой заносимости канала, определяющийся стоком наносов, выносимых с обширной дельты реки Волги, перемещением донных наносов и размывом многочисленных островов, балок и отвалов от дноуглубительных работ в морской части. В совокупности это определяет непростую ситуацию с судоходными глубинами в акватории канала.Канал составляют две части – речная и морская. Речная часть ВКМСК организована в рукаве Бахтемир и ее начало считается от 0 км в 21 км ниже Астрахани. Продолжением русла канала на устьевом взморье служит морская часть ВКМСК. Общая протяженность канала 188 км, а граница между речной и морской частью канала условная, и в настоящее время, согласно паспорту канала [15], к речной относится 0–146 км, а к морской – 146–188 км. Продолжительность навигации на канале круглогодичная. В зимний период проводка судов осуществляется с помощью ледоколов.Примерно с 83-го км канала речной поток идет по искусственной прорези между свалками грунта, нарефулированного при производстве дноуглубительных работ. В свалках образовались многочисленные прораны (протоки), а свалки превратились в острова. Острова вытянуты вдоль канала с обеих сторон и возвышаются над меженным уровнем местами на 1 м. На этом участке свалки устойчивые, заросшие камышом и деревьями. До конца морской части канала имеются разные по гидрологическим характеристикам участки (шалыг, суводей, надводных и подводных свалок, многочисленных проранов) с разными скоростями течений, интенсивностью заносимости, донными отложениями, направлением и силой ветра, волнением.Анализ УКМ (водомерный пост Махачкала) показал, что за последние 15 лет (с 2010 по 2024 г.) уровень понизился ≈ 1,5 м со средней интенсивностью ≈ 10 см/год, в том числе с большей интенсивностью за последние 2017–2024 гг. (понижение ≈ 1,0 м с среднеговодой интенсивностью ≈ 13,4 см/год). Близкие к этим величинам значения понижения уровней воды на наиболее проблемных нижних участках морской части канала (145 км и ниже), где увеличивается заносимость и скорость течения, что в совокупности ухудшает условия судоходства. Сезонные колебания УКМ синхронны с колебаниями уровней воды на морской части канала. Для обеспечения судоходных глубин выполняются большие объемы ремонтных дноуглубительных работ с привлечением многих собственных и арендованных единиц технического флота, причем эти объемы резко возросли: за период 2010–2024 гг. они увеличились с 1,9 млн м3 в 2010 г. до 10,1 млн м3 в 2023 г., в 2024 г. – 6,8 млн м3 (с сохранением в плане 2025 г. – около 7 млн м3).Выявлена динамика изменения объемов ремонтных работ на морской части канала со смещением больших объемов с ранее проблемных 129–140 км на участок от 140–150 до 188 км. Результаты выполненного анализа доказали, что с дальнейшим понижением УКМ будет происходить адекватное снижение уровней на постах 145 км и ниже с одновременным возрастанием объемов дноуглубительных работ и необходимостью принятия научно обоснованных решений по уменьшению заносимости.В условиях понижения УКМ важными факторами, влияющими на безопасность судоходства, являются ветро-волновые явления, в первую очередь сгон воды и высокая заносимость канала, обусловленная рядом причин, в том числе происходящими русловыми процессами. Этот аспект в части количественной и качественной оценки влияния указанных факторов на судоходные глубины в научно-технической литературе [16–20] освещен слабо, что определяет актуальность настоящего исследования. Научная новизна, методы и результаты исследованийЦелью исследований является оценка влияния ветро-волновых явлений и русловых деформаций на судоходные глубины ВКМСК, достигаемая решением задач особенностей развития волновых процессов на канале и русловых изменений, связанных с заносимостью канала. Разработаны специфические методы исследования, определяющие его научную новизну.Анализ ветро-волнового воздействия на состояние водной поверхности участков морской части канала в 2024 г. выполнен на основе разработанных совмещенных и сопоставленных среднесуточных и детализированных с шагом в 6 ч графиков хода уровней по данным автоматических уровенных постов, установленных на 129, 151, 160 и 180 км судового хода. На рис. 1 приведен пример графиков для автоматических уровенных постов 160 км, что позволяет визуально оценить амплитуду колебаний ветровых волн и сгонно-нагонных перекосов водной поверхности.Рис. 1. Совмещенные 6-часовые и среднесуточные графики хода уровней воды в 2024 г. на 160 км каналаFig. 1. Combined six-hour and average daily graphs of water level changes in 2024 at 160 km of the canalОценка совмещенных графиков показала четкую картину наложения ветрового волнения на сгонную денивеляцию участка при достаточно длительном (более двух суток) устойчивом с шагом в 6 ч понижении уровня относительно его среднесуточного значения (линия последнего осреднена полиномом 6-й степени). На примере 160 км максимальная сгонная денивеляция составила 1,03 м (рис. 2). На ВКМСК ветровые условия меняются вдоль продольной оси канала, где создаются различные виды течений. На рис. 3 приведены общие схемы течений, образующихся под действием ветра.     Рис. 2. Расчетная схема определения максимальных сгонных денивеляций на 160 км канала в 2024 г.: а – аппроксимационная кривая полинома 6-й степени по среднесуточным уровням воды; б –  укрупненная схема определения сгонных явлений в ноябреFig. 2. Calculation scheme for determining maximum downwellings for 160 km of the canal in 2024: a – approximation curve of the 6th degree polynomial for average daily water levels; б – enlarged scheme for determining downwelling events in NovemberРис. 3. Схемы сгонно-нагонных течений на ВКМСК: а – случай I; б – случай IIFig. 3. Schemes of surge currents at VCSSC: а – case I; б – case IIВ случае I (рис. 3, а) ветер направлен вниз под углом к направлению течения. Здесь характерно понижение уровня в верхней части канала, особенно в зоне выклинивания подпора, увеличение скоростей течения у поверхности и повышение отметок в месте выклинивания подпора уровня моря. В зоне ниже ВКМСК возможно образование небольшого обратного уклона, однако не настолько значительного, чтобы вызвать обратные течения у дна. Образующиеся при этом течения являются сточно-дрейфовыми или просто дрейфовыми.В случае II (рис. 3, б) направления ветра и течения совпадают. В верхней части канала наблюдаются сточно-дрейфовые течения, а в нижней образуется обратный уклон, который, в отличие от первого случая, уже настолько значителен, что приводит к возникновению обратных течений у дна. Таким образом, в нижней части ВКМСК могут иметь место смешанные течения, способствующие перемещению донного грунта.По данным об уровнях в дни наибольшего сгонного понижения (анализ 22.06.2024 и 05.11.2024) построены графики их хода на участке 129–180 км канала (рис. 4).Анализ полученных материалов с учетом метеоданных по направлению и силе ветра, соотношению направления ветра и судового хода позволил разработать графики изменения величины сгона на характерных километрах ВКМСК при различных уровнях воды и направлении и силе ветра (рис. 5, 6). Рис. 4. Положение уровней воды по длине морской части ВКМСК: а – на 22.06.2024; б – на 05.11.2024Fig. 4. Position of water levels along the length of the marine part of the VCSSC: а – on 22.06.2024; б – on 05.11.2024 Рис. 5. Графики изменения величины сгона на 129 км ВКМСК при различных уровнях воды и северо-западном направлении ветраFig. 5. Graphs of changes in the magnitude of the surge at 129 km of the VCSSC at different water levels and northwest wind direction Рис. 6. Графики изменения величины сгона на 160 км ВКМСК при различных уровнях воды и западном направлении ветраFig. 6. Graphs of changes in the magnitude of the surge at 160 km of the VCSSC at different water levels and westerly wind directionПостроение графиков основывается на аналитическом методе расчета величины сгонных денивеляций применительно к условиям северо-западной части Каспия с использованием эмпирической зависимости определения значения сгона-нагона уровня воды (формула А. В. Караушева) [20]: где S – расстояние между пунктами сгона и нагона, м; Tср – средняя расчетная глубина по длине, м; α – угол между направлением ветра и направлением, по которому измеряется расстояние, град; W – скорость ветра над водной поверхностью, м/с; hв – средняя расчетная высота волны на рассматриваемом участке, м.Входящие в формулу (1) значения S, Tср, α определяются по картографическим материалам Каспийского моря, скорость ветра над водной поверхностью, наблюдаемая по флюгеру береговой станции, согласно рекомендациям А. П. Браславского [21], с учетом скорости ветра при длительном действии и при порывах; расчетная высота волны hв – по формуле Н. А. Лабзовского [22]. Согласно общему перепаду уровней Dh находятся составляющие его величины нагона Dhн и сгона Dhсг.Вышеприведенный подход позволяет прогнозировать изменение величин сгона воды на ВКМСК при понижении УКМ и отступлении береговой линии в сторону моря. В результате исследования произведено сравнение параметров сгонных явлений на участках ВКМСК (табл. 1), согласно которому можно сделать вывод о хорошей сходимости расчетных и натурных данных, расхождение между ними не превышает 5 %.Таблица 1Table 1Сравнительные показатели сгонных явлений на участках ВКМСКComparative indicators of run-off events at the sites of the VCSSCПоказателиКилометраж судового хода на ВКМСК129 км160 кмРасчетная дата22.06.202405.11.2024Скорость ветра по даннымметеостанции, км/ч (м/с)Длительного действия43,2 (12)54 (15)При порывах61,2 (17)72 (20)Расчетная скорость ветра, м/с13,615,2Направление ветраСеверо-западныйЗападныйДальность разгона от берегадо ВКМСК, кмПо участку сгона20(северо-западный)30(западный)По участку разгона627(юго-восточный)275 (восточный)Значения сгонных денивеляций, мНатурные данные1,071,03Расчетные1,031,08Расхождение результатов, %3,74,6 По совокупности результатов расчетов и их анализа сделаны основные выводы:– наибольшие сгоны наблюдаются в средней открытой части канала; – для формирования сгона наиболее неблагоприятные направления ветра на ВКМСК: на участке 129–151 км судового хода – северо-западный и северный, на участке 151–188 км – западный;– понижение уровня воды в Каспийском море приводит к удлинению речного участка ВКМСК и изменению величин сгона-нагона ввиду ограничения бровками все более протяженного участка и, как следствие, гашения ими возникающих колебаний водной поверхности на канале; – в морской части канала с ограниченными бровками влияние сгонных денивеляций сильнее, чем в открытой морской акватории; – при понижении уровня воды в Каспийском море влияние сгонно-нагонных перекосов несколько ослабевает из-за приближения береговой полосы к рассматриваемым участкам канала.Анализ русловых переформирований и причин деформации на ВКМСК, влияющих на глубины канала, выполнен на примере одного из наиболее проблемных участков канала (148–152 км судового хода). Основой для анализа послужили планы съемок, для выбора которых назначены критерии по степени детализации съемок участка во временном разрезе, параметрам работы земснарядов, действию неблагоприятного направления ветра. Это дало возможность установления периода совмещенных планов участка, по которым подсчитан геометрический объем грунта, извлеченного с судового хода, а также оценена доля заносимости, зависящая от русловых процессов, протекающих на канале, конфигурации дна и бровок канала, от действия ветра в рассматриваемый период [23]. Результаты приведены в табл. 2.Таблица 2Table 2Характеристики периодов съемки 148–152 км судового хода канала для оценки заносимости ВКМСКCharacteristics of the survey periods of 148-152 km of the shipping channel for assessingthe sediment load of the VCSSCДатысовмещенныхсъемок (2024 г.)Преобладающее направление ветраКилометраж ВКМСК, км / интенсивностьдноуглубительных работ, м3/сут / периодпроведения работКилометраж ВКМСК, км / период дноуглубительных работ (цветовое условноеобозначение)  148149150148149150 18.03–24.04Западный2 231,3 м3/сутс 09.04        14814915014814915008.06–21.06Восточный  3 279,17 м3/сутвесь период   19.06–04.07Северо-западный–4 165,71 м3/сутс 25.06 до 01.073 279,17 м3/сутдо 25.06–      15015115215015115207.11–10.11Западный 3 707,14 м3/сутвесь период    10.11–18.11Восточный 3 707,14 м3/сутвесь период8 416,00 м3/сутс 14.11    18.11–29.11Восточный–3 707,14 м3/сутвесь период8 416,00 м3/сутвесь период–                 При расчетах объемов переформирования дна использовалась система автоматизированного проектирования с построением цифровой модели рельефа дна по данным гидрографических съемок на разные временные даты. Это позволило получить поверхность, отображающую изменение рельефа дна за исследуемый период, и определить объемы переформирования наносов между двумя цифровыми моделями рельефа дна.Анализ русловых переформирований на примере одного из участков (148–150 км ВКМСК) за период 08.06.2024–21.06.2024 на основе разработанного совмещенного плана (рис. 7), планов изменения глубин (рис. 8), совмещенного продольного профиля участка канала (рис. 9) определил, что наблюдается незначительное влияние ветра восточного направления. Высыпки из проток вдоль восточной кромки канала дают плановую заносимость без потери судоходной глубины, а основная аккумуляция наносов наступает вследствие естественного хода русловых процессов.  Рис. 7. Совмещенный план участка 148–150 км ВКМСК за период 08.06.2024–21.06.2024Fig. 7. Combined plan of the 148-150 km section of the VCSSC for the period 08.06.2024-21.06.2024 Рис. 8. План изменения глубин на 148–150 км ВКМСК по данным съемок за период 08.06.2024–21.06.2024Fig. 8. Depth change plan at 148-150 km of the VCSSC according to survey data from 08.06.2024-21.06.2024 Рис. 9. Совмещенные продольные профили канала за период 08.06.2024–21.06.2024Fig. 9. Combined longitudinal profiles of the channel for the period 08.06.2024-21.06.2024Анализ объемов аккумуляции наносов на 148–150 км показал, что в целом за рассматриваемый период участок на уровне судоходных глубин с учетом дноуглубительных работ, проводимых на нем, стабилен. Размыв на 148 км судового хода практически весь аккумулируется ниже на 149 км и лишь незначительная часть наносов движется в зону работы земснаряда.В период выполнения съемок земснаряд в течение всего времени производит выемку грунта с интенсивностью 3 279,17 м³/сут (табл. 3) и достигнутая на участке глубина выдерживается со значительным запасом на заносимость. При работе дноуглубительной техники за период 08.06.2024–21.06.2024 на 150-м км извлечено около 46 тыс. м³ грунта. С учетом частичной аккумуляции наносов заносимость от естественного размыва 148 км судового хода составляет 75 % от общего размыва на рассматриваемом участке.Таблица 3 Table 3Определение объема грунта зон отложения наносов и размыва дна в расчетные периодыDetermination of soil volume in sediment deposition and bottom erosion zones during estimated periodsУчасток, кмНамыв, м3Размыв, м318.03.2024–24.04.2024148,0–148,59 868,672 400,58148,5–149,01 619,738 851,56149,0–149,59 186,353 635,21149,5–150,09 689,721 101,3008.06.2024–21.06.2024148,0–148,522 797,4929 012,27148,5–149,010 999,9421 820,99149,0–149,522 427,939 346,35149,5–150,08 008,3974 803,4319.06.2024–04.07.2024149,25–149,619 502,006 541,4007.11.2024–10.11.2024150,0–150,521 125,153 414,77150,5–151,027 356,2611 605,61151,0–151,518 964,977 385,33151,5–152,011 578,455 146,5410.11.2024–18.11.2024150,0–150,510 444,7211 601,08150,5–151,027 126,2312 032,14151,0–151,51 834,3458 648,32151,5-152,05 435,7537 581,4718.11.2024–29.11.2024151,0–151,523 860,0236 299,24151,5–152,09 051,2290 016,13 На 150-м км на конец периода 21.06.2024 переуглубление достигает 0,42 м. С учетом тенденции заносимости с интенсивностью 4 мм/сут при западном и восточном ветрах участок может быть стабилен более чем на 3 месяца.Согласно результатам анализа деформаций исследуемого участка 148–152 км эффективность дноуглубительных работ невысокая ввиду большого объема аккумуляции наносов на канале по отношению к извлекаемому объему грунта. Основные рекомендации по снижению заносимости на основе анализа деформаций исследуемого участка:– отказ от отвала грунта на западную бровку для уменьшения скорости течения и создания возможности успокоения потока при растекании за западную кромку как наиболее близко расположенную к береговой полосе Каспийского моря и в меньшей степени влияющую на заносимость судового хода; – ежегодный мониторинг ветрового воздействия по периодам продолжительностью в двенедели, что позволит более рационально перераспределять во времени расстановку земснарядов, когда наступают наиболее существенные ветровые воздействия на заносимость отдельных участков; – при ремонтных дноуглубительных работах целесообразно проводить переуглубления крайних траншей на величину порядка 0,5 м для аккумуляции наносов, поступающих в канал с забровочной полосы; – на участке ниже 150 км судового хода следует формировать сплошной укрепленный отвал вдоль всей восточной бровки канала с незначительными разрывами для пропуска рыбы, что позволит снизить не только заносимость наносами, поступающими с восточной стороны Каспия, но и погасить ветровые волны, возникающие на море, а также уменьшить сгонно-нагонные колебания; – на ограниченных бровками участках морской части ВКМСК реализовать и поддерживать ряд действующих и проектируемых подводных каналов для отвода наносов и корректировки направления и скорости течения. ЗаключениеПриведенные в статье результаты по оценке влияния ветро-волновых явлений и русловых деформаций на судоходные глубины и рекомендации по снижению их негативного характера, связанного с уровенным режимом воды на ВКМСК и изменением положения дна, предназначены для использования в практике эксплуатации канала. В условиях продолжающегося понижения УКМ фактор заносимости канала (основной элемент происходящих русловых деформаций) приобретает первостепенные значения и рекомендации по уменьшению его влияния. Несмотря на множество выполненных ранее научно-исследовательских работ, для получения полной картины заносимости канала необходимо рассмотрение более протяженных участков морской части, находящихся в свободной от бровок акватории моря, использование современных вычислительных комплексов и программных средств для решения прикладных задач повышения устойчивости судового хода на проблемных участках канала и других вопросов.