Лекция 7. Гидрологические факторы

Колебания уровня

На свободных реках основной причиной колебаний уровня является сезонное изменение расхода воды, связанное с замерзанием и таянием (рис.5.3.1). Существенное влияние на ход уровня могут оказывать естественные переформирования русла реки, а также зажоры (скопления всплывшего внутриводного льда и мелкобитых льдин при осеннем ледоставе) и заторы (нагромождения льда на мелководных перекатах, в сужениях и излучинах при весеннем ледоходе).

На зарегулированных реках характер колебаний уровня резко изменяется и, в значительной степени, определяется как попусками воды сверху, так и режимом работы гидроэлектростанций, расположенных ниже по течению. В результате амплитуда сезонных колебаний уровня в значительной степени уменьшается (рис.5.3.1).

Рис. 5.3.1. Годовой ход среднемесячных значений уровня воды: 1 - на свободной реке; 2 - после образования водохранилища

На морских побережьях и в устьях рек основными причинами колебаний уровня являются:

· гидрометеорологические процессы, вызывающие горизонтальное и вертикальное перемещения водных масс;

· силы притяжения Луны и Солнца;

· тектонические процессы, связанные с колебаниями, разломами и сдвигами в земной коре.

Гидрометеорологические процессы являются причиной:

1) колебаний уровня, связанных с изменением атмосферного давления;

2) сгонно-нагонных колебаний уровня, возникающих под действием ветра;

3) сейшевых колебаний, причиной которых являются изменение атмосферного давления, ветровые нагоны, паводковый сток рек, землетрясения.

Колебания уровня под воздействием атмосферного давления происходят при медленном его изменении над водоемом значительных размеров. В этом случае поверхность воды стремится занять новое положение равновесия в результате статического действия атмосферного давления. При изменении атмосферного давления на 1 мм рт. ст. уровень воды должен измениться на 13.3 мм (изменению уровня на 1 см соответствует изменение давления на 1 мбар). Однако, под влиянием местных условий (узкостей, мелководья, криволинейности береговой черты) измеренные величины уровня несколько отличаются от указанной величины.

Сгонно-нагонные колебания уровня наблюдаются в прибрежных мелководных зонах, заливах и узкостях при значительных скоростях ветра. В результате трения между воздухом и водой возникает и распространяется до некоторой глубины поступательное движение частиц воды (ветровое или дрейфовое течение). В случае продолжительного шторма более 5-6 часов у наветренного берега наблюдается повышение уровня (нагон), а у подветренного - одновременное понижение (сгон). В реальных условиях величина сгонно-нагонных колебаний зависит от рельефа и уклона дна, конфигурации береговой линии, силы и продолжительности шторма. Наибольшие значения колебаний уровня при сгонно-нагонных явлениях наблюдаются на отмелых берегах в устьях рек, узкостях, заливах и достигают 2-3 м. В мелководном Финском заливе нагоны возникают под воздействием продолжительных западных ветров и достигают наибольших значений (более 4 м) в устье р. Нева. Из «Медного Всадника»:

“Но силой ветра от залива

Перегражденная Нева

Обратно шла, гневна, бурлива,

И затопляла острова,

Погода пуще свирипела,

Нева вздувалась и ревела,

Котлом клокоча и клубясь,

И вдруг как зверь остервенясь

На город кинулась.........

................... Народ

Зрит божий гнев и казни ждет.”

В устье р. Волга и мелководной северо-восточной части Каспийского моря уровень при нагонах поднимается на 2-2.5 м, а при сгонах опускается на 1-1.5 м. В Азовском море разность уровней у наветренного и подветренного берегов достигает 3 м. Величина сгонно-нагонных колебаний в устье р. Дон составляет соответственно 2 и 2.5 м. В районе г. Таганрог вода при сгонах может уходить от берега на расстояние 4-5 км. У прямолинейных малоизрезанных берегов величина сгонно-нагонных колебаний относительно невелика и изменяется в пределах от 30 до 50 см.

При проектировании гидротехнических сооружений величину ветрового нагона определяют по данным натурных наблюдений либо расчетным путем.

Сейши возникают в замкнутых и полузамкнутых бассейнах в случаях, когда водные массы выведенные из состояния равновесия какой-либо внешней силой (колебания атмосферного давления, нагон, паводковый сток рек, землетрясение) возвращается в исходное положение, совершая исходные затухающие колебания. В отличие от прогрессивных волн в сейшах отсутствует видимое поступательное движение формы волны.

Сейшеобразные колебания уровня наблюдаются во всех озёрах, замкнутых морях, бухтах и морских заливах. Амплитуда колебаний обычно не превышает 1 м.

В ряде случаев на защищенных акваториях портов возникают своеобразные колебания, представляющие собой комбинацию вертикальных и горизонтальных движений воды. При этом скорости горизонтальных колебаний могут достигать значительных величин и создавать неблагоприятные условия стоянки судов у причалов. Это явление получило название тягун (порты Сочи, Туапсе, Батуми, Клайпеда и др.).

Приливо-отливные колебания уровня вызываются главным образом под действием сил притяжения Луны и Солнца и наблюдаются у берегов океанов и открытых морей.

В практике портостроения и мореплавания используют сведения о характеристиках приливо-отливных колебаний в конкретных районах Земного шара. Согласно статической теории максимальная амплитуда приливов в Тихом океане не превышает 90 см, что подтверждается данными наблюдений на островных станциях (о. Гуам в Тихом океане - 80 см, о. Св. Елены в Атлантическом океане - 80 см).

На побережьях со сложной конфигурацией береговой черты величина приливов достигает 2-6 м. Более значительные амплитуды приливов наблюдаются в вершинах заливов, проливах, эстуариях и устьях рек (Пенжинская губа Охотского моря - 12 м, Бристольский залив на побережье Франции - 15 м, залив Фанди на Атлантическом побережье Канады - 18 м).

Волнение

Под волновым движением жидкости, в широком смысле понимают процесс передачи внешних возмущений в жидкой среде. Природа внешних возмущений может быть самой разнообразной - действие ветра на водную поверхность, силы притяжения Луны и Солнца, движение тела в жидкости, сейсмические явления, взрывы и т.д. Под действием этих сил частицы жидкости выводятся из состояния равновесия и, в первую очередь, под действием силы тяжести совершают колебательные движения, стремя возвратиться в первоначальное положение.

Колебания и волны являются самым распространенным и универсальным видом движения, присутствующим практически во всех явлениях, происходящих в природе, и изучаемым во всех областях и разделах физики. Волна представляет собой процесс передачи колебательного движения от одной точки среды к другой. В гидродинамике, изучающей волны в жидкости и на поверхности раздела жидкость - воздух, класс волновых движений представлен самыми разнообразными и разномасштабными явлениями, как приливные волны, цунами, сейши, штормовые нагоны, ветровые волны и зыбь, внутренние волны и др.

В зависимости от причин возникновения различают следующие виды гравитационных волн:

· ветровые, обусловленные действием ветра на водную поверхность;

· приливные, развивающиеся под влиянием сил притяжения Луны и Солнца;

· корабельные, возникающие при движении судов;

· анемобарические, связанные с отклонениями водной поверхности при сгонно-нагонных явлениях при изменении атмосферного давления;

· сейсмические, возникающие при разломах или подвижках океанического дна;

· волны от местного импульса (например при обрушении материкового льда и подводном взрыве).

Приливные или анемобарические волны проявляются в виде медленного подъёма и спада уровня.

Сейсмические волны образуются в результате заполнения водой разломов в земной коре и носят название «цунами» (от японского - «волна в гавани»). В открытом море эти волны (длина которых достигает десятков, а то и сотен километров) практически не заметны для судов. По мере приближения к берегу и выходе на материковый склон и шельф длина волны цунами уменьшается, а высота при выходе на побережье увеличивается. Наиболее значительное увеличение высоты происходит при входе волны цунами в сужающиеся клинообразные бухты и заливы. Концентрация энергии в этих условиях может приводить к образованию гигантских волн высотой 10-15 м (иногда до 30 м), обладающих громадной разрушительной силой. Последствия воздействия таких волн на побережье всегда катастрофичны. Волны цунами носят случайный характер, поэтому их учет при проектировании гидротехнических сооружений крайне затруднителен и обычно связан с большими затратами при строительстве.

Среди названных видов гравитационных волн наиболее важными для целей морского гидротехнического строительства являются ветровые волны. Размеры и характер ветровых волн зависят от ряда факторов, основными из которых являются скорость, продолжительность и пространственное распределение ветра, а также размеры и глубина водоёма. В связи с этим на реках, за исключением устьевых участков крупнейших рек (Обь, Енисей, Лена и др.) волны не оказывают существенных воздействий на стоянку и обработку судов у причалов. При этом нагрузки и воздействия ветровых волн на сооружения как правило не учитывают. На крупных водохранилищах высота волн достигает 3-4 м, а в прибрежных зонах морей и океанов - 8-10 м.

На основании различных критериев ветровые волны могут быть классифицированы следующим образом.

В зависимости от наличия вынуждающих сил различают вынужденные волны, возникающие в результате действия ветра и свободные (зыбь), вышедшие из зоны действия ветра, а также распространяющиеся после его ослабления или прекращения.

В зависимости от характера движения волны различают прогрессивные и стоячие волны. Стоячие волны характеризуются колебаниями в характерных точках - узлах и пучностях.

По очертанию профиля различают двухмерные (плоские) и трехмерные (пространственные) волны. В отличие от двухмерной элементы трехмерной волны измеряются по всем трем координатам (X, Y, Z).

Волны, в зависимости от устойчивости их параметров, подразделяют на установившиеся и неустановившиеся. В зависимости устойчивости формы во времени различают регулярные и нерегулярные волны.

Основными элементами двухмерной волны являются следующие (рис.5.3.8.):

1) статический уровень - уровень невзволнованной поверхности (спокойного горизонта);

2) профиль волны - линия пересечения статического уровня с взволнованной поверхностью;

3) гребень волны - часть профиля волны, расположенная выше

статического уровня;

4) впадина волны - часть профиля волны, расположенная ниже

статического уровня;

5) вершина и подошва - соответственно наивысшая и нанизшая

точки волны;

6) высота волны (h) - расстояние по вертикали между двумя

смежными вершиной и подошвой;

7) длина ( ) - расстояние по горизонтали между двумя смежными

вершиной и подошвой;

8) период волны (Т) - время прохождения двух последующих вер-

шин или подошв волны;

9) скорость распространения или фазовая скорость волны (С) -

скорость действительного (для прогрессивных волн) или кажу-

щегося (для стоячих волн) перемещения гребня в горизонталь-

ном направлении;

10) крутизна волны ( - отношение высоте волны к длине;

11) пологость волны ( ) - отношение длины волны к высоте;

12) средняя волновая линия, делящая волну на две равные части;

13) фронт волны - горизонтальная линия, проходящая в плане че-

рез вершины гребня;

14) луч волны - линия перпендикулярная фронту волны и направ-

Рис. Профили и основные элементы регулярных (а) и нерегулярных (б) бегущих волн:1 – расчетный уровень; 2 – дно; 3 – средняя волновая линия; 4 – вершина волны; 5 – подошва волны; 7 – ложбина волны; h, h₁, h₂, h₃ – высоты волн; - длины волн

Наиболее достоверные данные о параметрах волн могут быть получены в результате длительных (в течение нескольких лет) инструментальных наблюдений. При строительстве портовых сооружений проведение такого рода наблюдений как правило затруднительно. В связи с этим параметры волн и их режимные характеристики определяют расчетным методами в зависимости от волнообразующих факторов.

Основными волнобразующими факторами на глубинах, превышающих половину длины волны являются:

· скорость ветра;

· продолжительность его действия;

· разгон (расстояние измеренное в направлении против ветра от расчетной точки до подветренного берега или подветренной границы ветрового поля).

Рис. Характерные зоны прибрежной части водоёма:

1. глубоководная, с глубинами превышающими половину длины волны ;

2. мелководная, ограниченная глубиной первого обрушения (за-бурунивания) волн и критической глубиной последнего обрушения ;

3. прибойная, с глубинами ;

4) приурезовая, в которой происходит окончательное разру- шение волн и формирование прибойного потока (наката волн на берег).

В глубоководной зоне дно не оказывает влияния на характер волнового движения. Волны расходуют энергию только на внутреннее турбулентное трение частичек воды. Профиль волны сохраняет симметричную форму.

В мелководной зоне волновое движение проникает до самого дна. Это приводит к изменению как внешней формы волны, так и её внутренней структуры. Длина волны уменьшается, а профиль становится асимметричным. Круговые траектории движения частиц трансформируются в эллиптические с вытянутой горизонтальной полуосью.

В прибойной зоне влияние дна возрастает настолько, что орбитальная угловая скорость движения частиц воды на поверхности значительно превышает аналогичные скорости в придонном слое. Частицы волны на гребне как бы «обгоняют» движущийся профиль волны, асимметрия которого резко возрастает и происходит забурунивание гребня. Траектории частиц приобретают петлеобразную форму с выраженным поступательным движением воды в сторону берега. В зависимости от уклонов дна в этой зоне могут наблюдаться несколько последовательных обрушений волн. В приурезовой зоне происходит окончательное разрушение волн и формирование прибойного потока (наката на берег).

Лекция 8. Течения