3.5. Ветровое волнение

3.5.1. Основные элементы волн на водохранилищах

Воздействуя на озерную поверхность, ветер выводит воду из состояния равновесия, а сила тяжести заставляет ее возвращаться в исходное положение. Так возникают волны, называемые гравитационными. Размер их зависит от скорости и продолжительности действия ветра, длины разгона (пути, на протяжении которого ветер воздействует на водную поверхность) и глубины озера на пути разгона волны.

Основными характеристиками волнения являются (рис. 3.11):

Статический горизонт — уровень воды части акватории, соответствующий состоянию покоя (отсутствие волнения);

Гребень волны — часть волнового профиля, которая расположена выше статического горизонта. Высшая точка гребня называется вершиной волны;

Ложбина волны — часть волнового профиля, расположенная ниже статического горизонта. Низшая точка ложбины называется подошвой волны;

Волновой горизонт — уровень, до которого поднялась вершина или опустилась подошва волны;

Высота волны h (метры) — расстояние по вертикали между гребнем и подошвой;

Рис. 3.11. Профиль и элементы ветровой волны

Длина волны L (метры) — расстояние по горизонтали между смежными гребнями или любыми точками профиля волны, находящимися в одной фазе колебания;

Период волны т (секунды) — время, за которое волна проходит расстояние, равное ее длине;

Скорость движения волны V м/с — расстояние, которое проходит любая точка волны за одну секунду.

Между тремя основными элементами волны (скоростью, периодом и длиной) существует определенное соотношение:

ґ = L / V или L = ґ V, или V = L/ ґ

Крутизна волны α определяется как угол уклона к горизонту линии, соединяющей вершину волны с ее подошвой. Крутизна волны выражается параметром крутизны m, который равен отношению высоты волны к ее длине

m = h / L.

При наблюдениях за волнением определяются направление распространения волнения – румб, от которого идет видимое перемещение гребней волн, фронт волны – плановое положение линии гребня волны, примерно перпендикулярное направлению распространения волнения. Система волнения – ряд последовательных волн (5, 20, 50 и т.д.), развивающихся в определенных условиях.

Возраст волны В определяется отношением скорости волны к скорости ветра.

С возникновением вера на озерах развивается волнение. Его развитие происходит по определенным этапам или стадиям, которые отличаются качественными и количественными показателями. Различают нарастающее, установившееся и затухающее волнения.

Нарастающее волнение характеризуется увеличением высоты волны благодаря усилению силы ветра. Это происходит в результате увеличения энергии волны, т. е. возрастает величина R_i, вследствие чего при нарастающем волнении энергетическая разность (R_i— R₂) =A будет положительной величиной. Если сила ветра будет постоянной, то R_i будет возрастать медленнее, чем R₂, и до тех пор, пока A=#=const.

Установившееся волнение. На этой стадии развития волнения разность между скоростью ветра и волны становится столь малой, что передача энергии от ветра к волне практически прекратится, т. е. энергетическая разность «А» является величиной постоянной.

Затухающее волнение. Эта стадия развития волнения характеризуется уменьшением высот волн за счет ослабления силы ветра. Количество энергии, которое передается ветром волне, уменьшается, в результате величина «А» становится отрицательной.

Итак, развитие волнового процесса находится в полной зависимости от энергии волн, которая пополняется за счет силы ветра. В свою очередь, пульсация скорости ветра приводит к тому, что энергия передается волнам неодинаковыми порциями, поэтому все время появляются различные по своим размерам волны, а уже существующие растут неравномерно.

Результаты наблюдений за волнением на Камском водохранилище показали, что в начальный период развития происходит интенсивный рост волн. При продолжительности воздействия ветра, близкой к 2 часам (t = 2 часа), их рост замедляется и при продолжительности более 6 часов дальнейший рост практически прекращается. Влияние длины разгона на увеличение параметров волн также ограничено (до 16 км).

В зависимости от соотношения между глубиной водоема и длиной волны различают волны глубокой воды и волны мелководья. Волнами глубокой воды условно принято называть волны, длина которых меньше удвоенной глубины (λ = 2 Н), в противном случае (λ ≥ 2 Н) наблюдаются волны мелководья.