Экология СПРАВОЧНИК

Практически все явления и процессы, происходящие во внутренних водоемах, обусловливаются и протекают под непосредственным воздействием атмосферы. Наиболее отчетливо выражено воздействие атмосферы на толщу воды в пределах границы раздела, а признаком воздействия является изменчивость структуры и осредненных количественных характеристик ветра. Воздействие ветра на водную поверхность проявляется в формировании различных динамических явлений и процессов, одни из которых видны на поверхности, а другие протекают в водной толще и могут быть обнаружены только специальными измерительными средствами.

Далее

Практически в любом внутреннем водоеме наблюдаемые динамические явления можно разделить на группы или структурные уровни, характеризующиеся определенными физическими свойствами и имеющие присущие им временные и пространственные масштабы. Явления, имеющие существенно разные масштабы, могут формироваться и действовать самостоятельно или совместно с явлениями более высокого или более низкого структурного уровня.

Далее

Перечисленные выше динамические явления и процессы в водоеме являются преимущественно результатом поглощения солнечной радиации, а также непосредственного воздействия атмосферного давления и ветра на водную поверхность.

Далее

Параметры, входящие в зависимость (1.1), чаще всего определяют по данным о распределении скорости ветра по высоте или характеристиках его пульсации. Методика измерения этих величин приводится в работах [20, 31, 247].

Далее

Зависимость (1.9) хорошо согласуется с зависимостью Ван-Дорна [26, 41], О. П. Виноградовой [27] и Шонтинга [41, 245], что видно на рис. 1.3.

Далее

Исследованиями установлена возможность различных режимов движения воздушного потока над водной поверхностью: гладкого, гладкого турбулентного, с развивающейся шероховатостью и полностью шероховатого. Для некоторых режимов движения и обтекания воздушным потоком выступов шероховатости найдены аналитические выражения.

Далее

Решение гидрологических задач по использованию водоемов для хозяйственных целей очень часто базируется на данных о режимных и расчетных характеристиках ветра. Наиболее детальные сведения о режиме ветра можно получить на основании анализа таблиц повторяемости ветра различной скорости и направления. Такие таблицы для сухопутных станций приводятся в «Справочниках по климату», «Материалах наблюдений на озерах и водохранилищах», справочниках «Гидрометеорологический режим озер и водохранилищ» и других специальных изданиях.

Далее

Ветровыми волнами обычно называют порожденные ветром на водной поверхности непрерывно меняющиеся во времени и по пути движения чередующиеся между собой гребни и впадины сложной формы.Оригинальную точку зрения на развитие ветровых волн высказал Н. Е. Кондратьев [90]. Он исходил из теории волн малой амплитуды и пришел к выводу, что «с притоком энергии от ветра можно связывать только рост волны в высоту и нельзя связывать с притоком энергии рост волны в длину». Зарождающиеся волны, согласно гипотезе Кондратьева, имеют некоторую конечную длину и очень малую высоту. По пути распространения происходит постепенное увеличение высоты волны без заметных изменений ее длины. По мере достижения волнами данной системы предельной крутизны они начинают разрушаться. Вместо разрушающейся системы волн предельной крутизны на поверхности воды появляется система более пологих и длинных волн, способных поглощать энергию ветра и развиваться в высоту.

Далее

По стадии развития ветровое волнение делят на следующие три вида: развивающееся, установившееся и затухающее, характеризующиеся соответственно нарастанием, неизменностью или убыванием средних значений элементов волн во времени.

Далее

Приступая к изучению ветрового волнения в натурных условиях или к расчетам элементов волн для конкретных условий, необходимо учитывать изменчивость элементов волн. Обычно учитывают два вида изменчивости волн: в системе и в режиме.

Далее

Во многих водоемах сейши действуют в течение 30—50 % продолжительности безледоставного периода, а в таких озерах, как Байкал и Балхаш, суммарная продолжительность их действия может достигать даже 80—90 % [189].

Далее

К основным элементам стоячих волн относятся: период колебаний, высота колебаний уровня, число узлов и скорость течения.Точки профиля стоячей волны, в которых § всегда равны нулю, называются узлами (рис. 1.15). Абсциссы узлов определяются условием sin (kxo)=±l, которое выполняется при kxo = пп, где п — = 0; 1; 2; 3.

Далее

Водная масса любого водоема, будучи выведенной из состояния покоя, совершает колебательные движения, как и любая физическая система, имеющая определенную степень свободы, около положения своего устойчивого равновесия с периодом, определяемым свойствами системы.

Далее

Следует заметить, что определение интенсивности затухания свободных сейшевых колебаний уровня в водоемах по данным самописцев весьма затруднено из-за влияния различных искажающих факторов или из-за столь слабых затуханий, что они не обнаруживаются на записях даже при их длительности в несколько суток. Данные экспериментальных исследований показывают существенное уменьшение интенсивности затухания колебаний уровня с увеличением глубины. Действительно, значение б, отнесенное к единице времени (1 мин), уменьшалось по данным экспериментов в бетонном лотке размерами 30x0,6x2,0 м (ширина) от 0,50 при Нср = 2,7 см до 0,067 при Яср = 28 см, т. е. обратно пропорционально глубине.

Далее

В водоеме любых размеров и формы при действии ветра и волн практически всегда наблюдаются сгоны-нагоны уровня. Нагонные явления отмечаются у наветренного, а сгонные — у подветренного берега [56, 72, 208].

Далее

Рассмотрение качественной картины движений частиц жидкости начнем с орбитальных волновых траекторий, поскольку на многих внутренних водоемах суммарная продолжительность действия волнения различной силы может достигать 80—90 % продолжительности безледоставного периода и волновые процессы оказывают заметное влияние на кинематику и структуру переноса вод. Учтем и то обстоятельство, что с волновыми движениями, обусловленными ветровыми волнами и зыбью, необходимо считаться прн организации исследований водоема, при измерениях течений и диффузии, при интерпретации данных обработки измерений, а также при решении многих практических задач [103].

Далее

Рассмотренная выше классификация траекторий движения частиц дает основание заключить, что при возникновении ветрового течения и ветровых волн под действием касательных направлений ветра в верхнем слое любого водоема частицы должны одновременно участвовать в двух основных видах движений — совершать волновые колебания и перемещаться по направлению возникшего течения. В действительности так и происходит, но только в наиболее простых условиях. Чаще всего частицы одновременно участвуют также в вихревом вращательном движении. Рассмотрим это на примере развития ветрового течения.

Далее

Выше было показано, что на завершающих стадиях развития однонаправленного по глубине ветрового течения в водной толще происходит формирование эллиптических вихрей, которые могут охватывать всю толщу потока, а в продольном направлении в 8— 10 раз превышают глубину. Наряду с этими наиболее крупными структурными образованиями в потоке формируются более мелкие вихри с горизонтальной осью, заполняющие пространство внутри крупных вихрей и по их контуру, а также вихри разных размеров с вертикальными или наклонными осями вращения. Преимущественно такие же черты структуры преобладают в однонаправленных ветровых течениях и на квазиустановившейся стадии развития процесса.

Далее

При изучении вертикальной структуры ветровых течений наибольшее внимание приходится уделять наиболее крупным вихревым образованиям, поскольку они обладают наибольшей энергией движения и определяют, например, такие процессы, как вертикальное перемешивание вод [10, 124, 205, 210].

Далее

Рассмотренные выше черты структуры ветровых развивающихся и квазиустановившихся течений наиболее отчетливо выражены в вертикальной продольной плоскости таких натурных объектов, как каналы и озера удлиненной формы, в условиях действия ветра вдоль продольной оси. В водоемах со сложным рельефом котловины при длительном действии устойчивого ветра формируются, как показывают данные лабораторных исследований и натурных наблюдений, циркуляционные движения, охватывающие весь водоем или его частично обособленные в морфологическом отношении участки. Путем обобщения материалов многочисленных экспериментов, проводившихся в ГГИ на пространственных гидравлических моделях нескольких водных объектов и материалов исследований на озерах и водохранилищах, удалось выявить некоторые характерные черты и особенности указанных макроциркуляций. Характерные черты макроциркуляций рассмотрены применительно к простым условиям: водоем имеет удлиненную форму с плавными очертаниями береговой линии и плавным рельефом дна; ветер устойчив по направлению и скорости; плотность воды одинакова по всей глубине и не меняется по акватории. Для таких условий выделено десять наиболее характерных схем макроциркуляции вод (рис. 2.7).

Далее

В заливах и бухтах под действием ветра формируются самостоятельные макроциркуляции вод или макроциркуляции, взаимодействующие с течениями водоема. Преимущественно самостоятельные системы макроциркуляции вод формируются в крупных заливах, которые сообщаются с водоемом узкими проливами.

Далее

Из (2.9) следует, что период инерционных колебаний течений составляет 12 ч у полюсов и увеличивается во много раз с приближением к экватору.В процессе движения обычно наблюдается затухание интенсивности движения инерционных вихрей. Причиной затухания считают дивергенцию переносного течения, турбулентное трение, волновые движения и др. В реальных условиях очень часто наблюдается несоответствие измеренных и теоретических характеристик инерционных течений. Периоды реальных инерционных течений часто превышают теоретическое значение, вычисленное по зависимости (2.9), на 1—3 ч. Процесс затухания течений в вихре может сменяться процессом нарастания, а вращательное движение в Северном полушарии может быть направлено навстречу часовой стрелке. В связи с отмеченными обстоятельствами накопление сведений об инерционных течениях в водоемах различных типов представляют большой практический и научный интерес.

Далее

На гидравлической модели округлых очертаний относительно мощный транзитный поток создает две огромные циркуляции, простирающиеся до внешних границ водоема. Эти циркуляции принято называть вторичными течениями [215]. Скорости течения по пути транзитного потока изменялись незначительно, а в циркуляционных зонах уменьшались по направлению от периферии к центру. Представленная на рис. 2.9 картина течений не испытывала в экспериментах заметных изменений ни во времени, ни по поверхности модели.

Далее

Сейшевым течениям свойственны, как отмечено в гл. 1, возвратно-колебательные перемещения воды вдоль оси колебания уровня и синусоидальное изменение скорости во времени в любой точке водоема, а также по направлению от узлового створа до створа пучности. Поля сейшевых течений в водоемах простых очертаний в плане характеризуются, в силу перечисленных черт, преимущественно прямолинейными траекториями движения, ориентированными параллельно оси колебания уровня и плавно уменьшающимися от узловых створов к створам пучностей (рис. 2.11 а). В водоемах со сложной формой котловины плавность изменения траекторий движения вод нарушается под действием течений других видов, а также бокового и донного трения.

Далее

Непременным требованием при организации и постановке исследований течений в водоеме, на гидравлической модели водоема и на лабораторной установке любого типа является учет возможного диапазона пространственных и временных масштабов явлений, выбор наиболее подходящих измерительных средств и способов их установки на вертикали или в точке, оценка продолжительности и дискретности регистрации изучаемых характеристик, выбор наиболее эффективной методики обработки данных экспериментов и решение других сопутствующих вопросов. В натурных условиях, например, изменчивость течений может обусловливаться, с одной стороны, мелкомасштабными вихрями с поперечными размерами порядка нескольких сантиметров и периодами порядка долей секунды, а с другой стороны, циркуляциями, охватывающими весь водоем или его отдельные участки и имеющими поперечные размеры до нескольких десятков километров, а периоды— до нескольких суток.

Далее

По материалам регистрации течений самописцами типа БПВ-2 и ЭСТ обычно получают хронограммы скорости и направления течения, которые можно подвергнуть обработке с целью получения требуемых количественных характеристик [13, 63].

Далее

В качестве кинематических характеристик турбулентного течения чаще всего используют математическое ожидание, дисперсию, средние квадратические отклонения пульсационных составляющих скоростей, относительные значения интенсивности турбулентности, моменты корреляции и энергию пульсационных составляющих скоростей.

Далее

Источники, приводящие к пульсациям скорости ветрового течения, действуют преимущественно через водную поверхность или возникают в верхних слоях. В связи с этим естественна ожидать приуроченности наибольших пульсаций скорости также к верхним слоям. Это обстоятельство действительно имеет место и подтверждается данными всех лабораторных экспериментов и некоторыми данными натурных измерений.

Далее

По данным упомянутых выше лабораторных исследований ветровых течений получены довольно детальные сведения об этой характеристике.В разнонаправленном по глубине ветровом течении наибольшие значения произведений о и приурочены преимущественно к верхнему слою, чаще всего к слою (0,1... 0,2) . По направлению от этого слоя к поверхности воды значения а и уменьшаются обычно незначительно, а по направлению к дну — вначале резко, а затем очень плавно или практически не меняются (см. рис. 3.6) [174].

Далее

Все рассмотренные выше кинематические характеристики ветровых течений, полученные по данным экспериментов, убедительно свидетельствуют о существенном различии однонаправленных и разнонаправленных по глубине течений, а также о заметном влиянии степени глубоководности ветровых волн ЯД на изменение распределения по вертикали и абсолютные значения этих характеристик. Еще более показательны в этом отношении энергетические характеристики течений, вычислявшиеся по выражениям (3.1), (3.12) и (3.13).

Далее

Рассмотрим результаты оценок коэффициентов вертикальной турбулентной вязкости по данным экспериментов, проводившихся в аэрогидравлических лотках разных размеров методами фото-и киносъемки частиц нейтральной плавучести [174, 177] и путем регистрации диффузии струи непрерывного источника.

Далее

По Цикунову [213], значение А увеличивается по направлению от поверхности воды до горизонта, заглубленного на удвоенную высоту волны, а глубже — резко уменьшаются до близких к нулю значений у границы затухания волновых орбитальных движений.

Далее

Оценка коэффициента горизонтальной турбулентной вязкости в настоящее время производится путем соответствующей обработки материалов натурных наблюдений, например с использованием рассмотренного в п. 3.3 метода и путем расчетов по существующим зависимостям на основании сведений об определяющих процессы перемешивания факторах.

Далее

Исследователи уже давно обращали внимание на изменения скорости дрейфового течения в процессе нарастания скорости ветра. Первые попытки разработать теорию развития ветрового течения н сгонно-нагонных явлений глубоководного моря, как отмечается в работах [9, 226], принадлежат Экману. В начале 30-х годов этот же вопрос рассматривался Джефрисом, а позднее — академиком Л. С. Лайбензоном [105].

Далее

При производстве экспериментов синхронно с регистрацией движения частиц нейтральной плавучести осуществлялась регистрация элементов ветровых волн. Данные таких экспериментов подтвердили выводы, полученные по материалам исследований вихревой структуры развивалощегося течения, о плавном увеличении толщины слоя, охваченного дрейфовым течением, при наличии гладкой водной поверхности и о резком ее увеличении с момента возникновения волн. Это явление отмечалось во всех экспериментах независимо от скорости воздушного потока над водной поверхностью. По мере приближения волнения к установившейся стадии проникновение дрейфового течения в глубину замедлялось, а затем прекращалось совсем. Однако и в условиях установившегося волнения граница между дрейфовым и компенсационным течениями нередко испытывала вертикальные колебания под влиянием вихревых образований. Если оси вихревых образований размещались несколько ниже достигнутого к данному моменту положению границы раздела, то происходило заглубление нижней границы дрейфового течения, в противоположном случае она приближалась к поверхности воды.

Далее

Методы определения продолжительности развития течения TY и элементарных расходов установившегося течения qy рассматриваются ниже.

Далее