Ветровое волнение

По происхождению волны подразделяются на ветровые, приливные, анемобарические, волны землетрясения (цунами) и судовые. Наиболее распространенными являются ветровые волны, т. е. вызванные ветром волны, находящиеся под его воздействием.

Ветровое волнение — процесс формирования, разви­тия и распространения вызванных ветром волн на акватории океа­нов, морей и других бассейнов.

При слабом ветре и достижении им скорости 0,25—1,0 м/с на по­верхности воды появляются волны очень малых размеров, называемые рябью. При усилении ветра водная поверхность выходит из равнове­сия. К равновесию она возвращается под воздействием гравитацион­ной силы, т. е. силы тяжести.

Гравитационные ветровые волны — вызван­ные ветром волны, в формировании которых основную роль играет сила тяжести.

Различают следующие элементы волнения.

Волновой профиль/ (рис. 55) — кривая, получаемая в результате сечения взволнованной поверхности моря вертикальной плоскостью в заданном направлении.

Средний волновой уровень волнового про­филя 2 — линия, пересекающая волновой профиль так, что суммар­ные площади выше и ниже этой линии одинаковы.

Гребень волны 3 — часть волны, расположенная выше среднего волнового уровня.

Вершина волны 4 — наивысшая точка гребня волны.

Ложбина волны 6 — часть волны, расположенная ни­же среднего волнового уровня.

Подошва волны 5 — наинизшая точка ложбины волны.

Высота волны hy — превышение вершины волны над со­седней подошвой на волновом профиле, проведенном в генеральном на­правлении распространения волн.

Высота гребня волны — превышение вершины волны над средним волновым уровнем на волновом профиле, проведенном в генеральном направлении распространения волн.

Рис. 55. Элементы волнения

Длина г р е б н я — гори­зонтальное расстояние между подо­швами двух смежных ложбин на волновом профиле, проведенном пер­пендикулярно к генеральному направлению распространения волн.

Период волны т — интервал времени между прохожде­нием двух смежных вершин волн через фиксированную вертикаль.

Направление распространения волны — на­правление перемещения волны, определяемое за короткий интервал времени — порядка периода волны, или направление луча волны.

Скорость волны v — скорость перемещения гребня волны в направлении распространения волны, определяемая за короткий ин­тервал времени порядка периода волны.

Наветренный склон волны — часть волны от подо­швы до вершины, обращенная к ветру.

Подветренный склон волны — часть волны от вершины до подошвы, закрытая от ветра.

Фронт волны — линия на плане взволнованной поверхности, проходящая по вершинам гребня данной волны, которые определяются по множеству волновых профилей, проведенных параллельно гене­ральному направлению распространения волн.

Луч волны — линия, перпендикулярная фронту волны в данной точке.

Из-за неравномерного воздействия ветра волны имеют разнообраз­ные виды и формы.

Зыбь — вызванные ветром волны, распространяющиеся в обла­сти волнообразования после ослабления ветра и изменения его на­правления, или вызванные ветром волны, пришедшие из области волнообразования в другую область, где дует ветер с другой скоро­стью и другого направления.

Мертвая зыбь — вызванные ранее ветром волны, распро­страняющиеся при отсутствии ветра.

Капиллярные в ветровые волны — вызванные ветром волны, в формировании которых основную роль играет сила поверхностного натяжения.

Вторичные волны — мелкие волны на поверхности круп­ных волн.

Регулярное волнение — волнение, в котором форма и элементы всех волн одинаковы.

Нерегулярное волнение —волнение, в котором фор­ма и элементы волн меняются от одной волны к другой.

Двухмерное в волнение — совокупность волн, сред­няя длина гребня которых во много раз больше средней длины волн.

Трехмерное волнение — совокупность волн, средняя длина гребня которых в несколько раз превышает среднюю длину волн.

Считается, что при L/Х 3—4 волны трехмерные (L— средняя длина гребня; Х — средняя длина волн).

Развивающееся ветровое волнение — ветро­вое волнение, в котором высоты волн увеличиваются во времени.

Установившееся ветровое волнение — ветро­вое волнение, в котором статистические характеристики волн не из­меняются во времени.

Затухающее ветровое волнение —ветровое вол­нение, в котором высоты волн уменьшаются во времени.

Максимальные элементы волн в некоторых бассейнах даны в табл. 17.

По мере перемещения профиля волны поверхность воды опускает­ся. Поэтому под наветренным гребнем частицы воды движутся вниз. Под подошвой волны частицы двигаются навстречу волновому движе­нию, затем они поднимаются под наветренным склоном волны, после чего движение частиц воды повторяется.

Профиль ветровой волны не симметричен. Ее подветренный склон круче, чем наветренный. На вершинах ветровых волн образуются греб­ни, верхушки которых под действием ветра заваливаются, образуя пену (барашки), а при сильном ветре срываются.

Направление ветра и направление ветровых волн в открытом море, как правило, совпадают или разнятся на 30—40%.

Ветровые волны, на распространение которых оказывает действие глубина водоема, называются волнами мелководья. Эти волны возникают там, где глубины водоема менее половины длины волны.

Радиусы окружностей, по которым движутся частицы воды на глу­бине, уменьшаются, поэтому волнение с глубиной затухает.

Глубинные волны характеризуются тем, что гребни и подошвы их на глубине располагаются под гребнями и подошвами волн на поверх­ности воды; длина волны, скорость и период на глубине не меняются;

диаметр орбиты и высота волны уменьшаются с глубиной в геометриче­ской прогрессии. Например, когда глубина h равна длине волны Х, то волны имеют высоту в 500 раз меньшую, чем на поверхности, т. е. практически волнение отсутствует. На глубине, равной 0,5X, высота волны равна 0,04h, на глубине 0,3—0,15h, на глубине 0,1X—0,53h.

Таблица 17

Ветер, создавая волны, передает им определенную энергию. Энергия волны складывается из кинетической энергии движения частиц воды на орбите и потенциальной энергии, которой частица обладает при переходе от спокойного уровня к поверхности при волнении. Энергия волны прямо пропорциональна квадрату ее высоты, длине и расстоянию по гребню. В связи с тем что высота волны убывает с глу­биной, наибольшей энергией обладают волны верхних слоев воды.

Когда волна встречает препятствие, энергия, заключенная в ней, переходит в энергию удара. Этим объясняется причина того, что вол­ны вызывают большие разрушения.

Кроме перечисленных выше, имеются еще следующие разновид­ности волнения.

Толчея — беспорядочное волнение, возникающее вследствие взаимодействия волн, бегущих в разных направлениях. При толчее увеличивается высота и крутизна волны и возрастает сила ее удара. Попав в толчею, судно может потерять управляемость.

Бурун — пенистые массы воды, образующиеся на гребне волны при ее разрушении. Бурун возникает на мелях без непосредственно­го удара волны о берег, когда из-за трения о дно гребень обгоняет ложбину волны и обрушивается вперед.

Накат — вызванный обрушением волн возвратно-поступатель­ный поток, набегающий на отмелый берег.

Взбросы — столбы воды, образующиеся при набегании на крутые берега.

Прибой — волны, обрушивающиеся в прибрежной зоне. Волна, выходя на мелководье, достигает критической глубины, которая име­ет величину, равную 2—3h. В этом случае волна обрушивается, раз­бивается и образуются буруны. В прибойной волне частицы воды име­ют как орбитальное, так и поступательное движение, поэтому плаваю­щие предметы толчками приближаются к берегу и затем выбрасывают­ся на него. В то же время по дну создается обратное движение в сто­рону моря. Разбитая волна сильно воздействует на сооружения и опас­на для них.

Элементы волн и направление их движения могут значительно из­меняться при интерференции, рефракции и дифракции.

Рефракция ветровых волн — трансформация вет­ровых волн при косом подходе гребней волн к изобатам (рис. 56, а). При подходе к берегу, благодаря трению частиц воды о дно, скорость перемещения волны уменьшается. При косом подходе волны к побере­жью часть волны, ближайшая к берегу, располагается на меньших глубинах, поэтому скорость ее продвижения вперед уменьшается, а ча­сти волны, расположенные на больших глубинах, продолжают дви­гаться с прежней скоростью. В результате волна как бы разворачива­ется, стремясь стать параллельной берегу. Поэтому, независимо от направления волны в открытой части водоема, к берегу она подхо­дит всегда под небольшим углом.

Дифракция ветровых волн — это изменение струк­туры ветровых волн при огибании ими препятствий (рис. 56, б). Ди­фракция наблюдается у островов и оградительных сооружений, за поворотами приглубых берегов, на участках расширений водоемов.

Волнение на водохранилищах имеет много общего с волнением на море. Здесь волны, как правило, имеют меньшую высоту, чем морские, но они круче их. Преобладающее отношение длины волны к высоте у морских волн находится в пределах 15—40, а у волн водохранилищ 10—20. Высоты волн на водохранилищах и озерах бывают различны:

на Камском водохранилище — до 1,8 м, Горьковском — до 1,7 м, Рыбинском — до 2,5, Куйбышевском — до 3,2, Цимлянском — до 3,0, на Онежском озере — до 3,0, на озере Байкал — до 3,5 м. Чем меньше водоем, тем ниже и круче на нем волны. На малых озерах высота волн не превышает 0,5 м.

Волнение на водохранилище в различных его районах неодинаково. Оно зависит от разгона волны, рельефа берега и дна, растительности и т. д.

Кустарник, затопленный на большой глубине в нижней зоне, не мешает развитию волнения; в средней зоне, находясь на глубине 2—3 м, он оказывает тормозящее действие на волны. Лес, затопленный на дне водохранилища, уменьшает при небольших глубинах размеры волн, создает рефракцию волнения, а иногда толчею.

На мелких озерах и в водохранилищах из-за небольших глубин при волнении также создается толчея. Она часто возникает при отра­жении волн от берега. Когда стихает ветер, волны на водохранилищах быстро исчезают, зыби обычно не наблюдается.

Волновой режим аванпорта верхнего бьефа зависит от ориентиров­ки и размеров входа в аванпорт, величин волн, приходящих из водо­хранилища и создающихся на акватории аванпорта, типа стенок и т. д. Обычно волна в аванпорту не превышает 0,5—1,0 м.

Волны на акватории аванпорта создаются в результате интерферен­ции местных волн и волн, поступающих с водохранилища. Волны, про­никающие в аванпорт, превращаются в длинные и пологие волны типа зыби, причем в удаленных точках аванпорта волны становятся незна­чительными. Местные волны аванпорта являются, как правило, кру­тыми и короткими, высота их 0,5—1 м.

В низовьях рек, особенно при ветрах, дующих против течения, раз­вивается крутая волна высотой 1,5—2 м.

Морские устья рек имеют волнение, свойственное прибрежным мор­ским участкам. В устьях рек Амура, Енисея, Оби наблюдаются волны высотой до 3 м и более.

В зависимости от условий ветроволнового режима водные пути по Правилам Речного регистра РСФСР разделены на следующие четыре разряда:

«М» (морской) при высоте и длине волны 3,0 Х 40 м;

«О» (озерный) соответственно при 2,0 Х 20 м;

«Р» (речной)—при 1,2 Х 12 м;

«Л» (легкий) при высоте и длине волны менее 1,2 Х 12 м,

Определенные участки водного пути относят к тому или иному раз­ряду, исходя из данных наблюдений и расчетов размеров волн.

Из общей протяженности внутренних водных путей выделяются так называемые малые реки. Отнесение рек к категории малых условно и устанавливается перечнем, утвержденным Минречфлотом РСФСР.

Date: 2016-02-19; view: 2108; Нарушение авторских прав