Общие сведения о ветровом волнении

Ветровые волны являются гравитационными, так как ветер – это та сила, которая при воздействии на водную поверхность выводит жидкость из состояния равновесия, а сила тяжести заставляет ее возвращаться в исходное состояние. Благодаря инерции движение осуществляется в виде последовательных колебаний частиц воды, которые при достаточно большой глубине движутся по круговым орбитам и сообщают нижележащим слоям такое же движение, ослабляющееся по мере удаления от поверхности воды. Из этого следует, что волнения быстро затухают с глубиной. Если глубина водоема ограничена, то трение о дно оказывает влияние на форму орбит: с глубиной они, уменьшаясь в абсолютных значениях становятся все более вытянутыми и принимают форму эллипса, а в природном слое частицы двигаются лишь в горизонтальном направлении. Видимая часть волны перемещается в пространстве в виде поступательного движения волн. По внешнему виду формы волны волнение подразделяется на двухмерное и трехмерное. Как правило, двухмерное волнение встречается на открытых акваториях морей и океанов после окончания действия ветра. На внутренних водоемах почти не встречаются ветровые волны правильной формы, так как воздействие даже постоянного по направлению и скорости ветра осуществляется в форме неодинаковых импульсов, передаваемых водной массе. Изменчивость ветра по направлению может вызывать присутствие в водоеме одновременно нескольких систем волн, при наложении которых друг на друга создается сложная картина трехмерного ветрового волнения, гребни волн, которого не создают правильной линии фронта, а располагаются в условном шахматном порядке. Форма и размер волн определяются их элементами. Для наглядности рассмотрим волновые колебания в фиксированной точке водоема при прохождении через нее волн, а также волновой профиль – сечение взволнованной поверхности в фиксированный момент времени вертикальной плоскостью в главном направлении распространения волн [4]. (См. рисунок 2.1)

Рисунок 2.1 Профиль и элементы волн

По степени развития ветрового волнения различают нарастающие, установившиеся и затухающие волнения. Характерным признаком нарастающего волнения является то, что размеры волн еще не достигли тех величин, которые они должны иметь при длительном действии ветра данного направления и скорости. Установившееся волнение характеризуется тем, что рост волн прекращается, не смотря на дальнейшее увеличение скорости ветра. Ученые предполагают, что это явление наступает при соотношении между скоростью распространения волн и ветра, равном 0.8, так как при этом величина передаваемой ветром энергии будет равна ее диссипации, помимо этого величина передаваемой ветром энергии будет уменьшаться, вследствие усиления поступательного движения волн. Затухающие волнение присутствует, когда происходит затухание ветра и водная масса еще не пришла в равновесие. Высоты волн при затухающем волнении, как правило ниже, чем при установившемся, и постепенно сходят на нет. Размеры ветровых волн зависят от ряда факторов, основными из которых являются: продолжительность действия ветра и скорость, длина разгона – расстояние от подветренного берега до расчетной точки, глубина водоема и очертание береговой линии. На внутренних водоемах влияние данных факторов проявляется иначе, чем на открытых акваториях морей и океанов, где основную роль в развитии волн играет ветер, скорость и направление которого меняются по акватории, так как разгоны достигают сотен и даже тысяч километров. И только вблизи береговой линии на мелководий глубины и очертания берегов влияют на волны. На внутренних водоемах, и их сравнительно небольшими размерами акваторий, направление и скорость ветра нередко можно считать постоянными по площади акватории и определять по данным наблюдений прибрежных метеорологических станций. Ограниченные размеры акваторий являются также причиной того, что на водохранилищах и озерах ветер в течение короткого времени развивает волнение до установившегося состояния, и волны достигают предельного развития уже через несколько часов после начала действия устойчивых по скорости ветров. При постоянном ветре статистические характеристики волнения не изменяются со временем. Четкие границы установившегося волнения точно не определены, и разные ученые оценивают его по разному. Главной особенностью ветрового волнения на внутренних водоемах является его практическая независимость от длительности действия ветра. Волнение и затухает достаточно быстро вслед за ветром, поэтому на внутренних водоемах практически не встречается зыби. [3]

Все водоемы или их участки по условиям воздействия глубины на волнения делятся на глубоководные – с глубинами более половины длины волны (Н> ), мелководные – с глубинами меньше половины длины волны и уклоном дна меньше 0.001 (Н≤ ,i≤0.001) и смешанные, в которых вдоль разгона имеют место как глубоководные, так и мелководные условия волнообразования, а уклоны дна принимают значения больше и меньше 0.001. Понятия «мелководные и глубоководные» водоемы достаточно относительны: одна и та же акватория может быть, как глубоководной так и мелководной в зависимости от параметров волнения. В большинстве случаев на водохранилищах из за сложного рельефа дна на пути разгона, глубина играет решающую роль в волнообразующих процессах. И расчет глубины подлежит тщательному учету при расчетах ветрового волнения. Количественное влияние глубины на формирование ветровой волны оценивается по разному: одни исследователи предлагают учитывать глубину в точке расчета, другие – среднюю глубину на профиле разгона, третьи – смену глубин по расчетному профилю от участка к участку (метод шагов). Значительную роль играют глубины в формировании волн в условиях водохранилищ и небольших озер. Она тесно связана с морфометрическими характеристиками особенностями водохранилищ, с режимом их эксплуатации, с уровневым режимом. К примеру на Рыбинском водохранилище, представляющем собой затопленное междуречье с глубинами 7-9 м, учет глубины совершенно необходим, так как в случае навигационной сработки водохранилища на 2 м (не заполнения водохранилища до нормального подпорного уровня – НПУ) глубина может существенно ограничивать рост волн на всей акватории. Обратная ситуация на водохранилищах с высоконапорными плотинами (Братское, Красноярское) глубина практически не оказывает влияния на формирование волн, так как при глубинах от 20 до 100 м у плотины эти водоемы могут быть отнесены к глубоководным. Для «смешанных водоемов» (Куйбышевское, Цимлянское водохранилища) характерно более значительное влияние глубины на высоту волны на верхних участках, чем в приплотинной части, близкой по условиям к глубокой воде. Ограничивающее влияние глубины на верхних участках особенно заметно в условиях летней сработки водохранилищ сезонного и многолетнего регулирования. А также при не заполнении водохранилищ многолетнего регулирования до НПУ. На значительных равнинных водохранилищах при колебаниях уровней в без ледовый период 2-3 м значительно изменяется площадь акватории, разгон волн и глубина. В связи с этим в расчетах ветрового волнения необходимо учитывать колебания уровня в без ледовый период. Воздействие глубины на ветровое волнение на замкнутых внутренних водоемах также выражается и в ограничении развития высот волн, когда по условиям разгона и скорости ветра волны могли бы расти. В таких случаях следует говорить о действующем или предельном разгоне при данных ветровых условиях, последующее увеличение которого уже не влечет за собой развития волнения. При максимальной для внутренних водоемов скоростях ветра (20 – 25 м/с) величина действующего разгона составляет около 100 км. Прибрежная полоса как мелководных, так и глубоководных водоемов делиться на четыре зоны, в пределах которых условия волнообразования и характер волнения имеет свои специфические особенности.

При рассмотрении этих зон приняты следующие обозначения: Нкр – глубина, на которой разбиваются волны данной высоты ( Нкр=2h),

λ – средняя длина волны на глубокой воде, h – средняя высота волн, которая могла бы наблюдаться на глубокой воде, h₁ – средняя высота волн, которая могла бы наблюдаться в любой точке второй зоны при условии, что Н – глубина воды на границе между первой и второй зонами (переход от уклона i≤0.001 к уклонам i>0.001).

Первая зона – глубоководная (если водоем глубоководный) или мелководная (если водоем мелководный).

Вторая зона – зона трансформации волн, распространяющихся из первой зоны к берегу в направлении уменьшения глубин. В глубоководных водоемах к ней относиться прибрежная полоса воды с глубинами Н_кр<H< и уклонами дна больше i>0.001, а в мелководных – прибрежная полоса воды с глубинами Н>H_кр, и уклонами i>0.001, Hкр=2h_1.

Третья зона – зона прибоя, с глубинами H_обр<H≤H_кр, где Н_обр- глубина обрушения волн ( Н_обр=0.65Н_кр). В этой зоне, начиная с глубины Н=Н_кр=2h, происходит процесс опрокидывания гребней наиболее крупных волн с образованием бурунов, которые периодически возникают на гребнях волн, идущих к берегу. Значение h выбирается в зависимости от условий во второй зоне.[3]

Четвертая зона – зона наката, приурезовая, на границе которой при Н_обр=0.65 Н_кр происходит окончательное разрушение всех волн и образование наката – прибойного потока воды на берег.

На внутренних водоёмах со сложным рельефом дна по условиям волнообразования вторая и третья зоны могут занимать не только прибрежную полосу, но и располагаться на удаленных от берега мелководных участках водоема. Важными факторами определяющими ветровое волнение на внутренних водоемах, является их конфигурация, изрезанность береговой линии и наличие на пути разгона препятствий (мысов, островов). Таким образом, из за ряда перечисленных особенностей волнообразования ветровое волнение на внутренних водоемах является сложным, трехмерным, а в силу ограниченной глубины крутизна волн значительно больше, чем у морских. В связи с этим теоретические методы расчетов элементов волн, разработанные для морских условий, оказываются непригодными для внутренних водоемов. В настоящее время широкое развитие получили эмпирические методы расчетов элементов волн, а также полуэмпирические, основанные на использовании уравнения баланса волновой энергии с привлечением эмпирических коэффициентов. Наиболее перспективны спектральные метод расчетов элементов ветровых волн. [3]