3.5.3. Особенности расчета энергии ветрового волнения

Водохранилища можно отнести к водоемам смешанного типа, в которых могут создаваться условия для развития волнения глубокой воды и мелководий. Особенно это отмечается на малых водохранилищах, в которых глубина водохранилища и длина разгона волн меняются по акватории, особенно при сработке водохранилища. Кроме того при малых длинах разгона волн большое влияние на волнение оказывают берега. Для оценки влияния берега на волнение используется соотношение D/d, где D - самый длинны и d - самый короткий лучи длина разгона, проведенные в секторе ± 45^о от основного направления ветра. При соотношении более 2 берег на развитие волнения влияния не оказывает, а при соотношении менее 2 - оказывает.

На практике часто рассчитываются элементы волн. Методика расчета различается в зависимости от характера волнения: волнение развивается в открытой части при значительных глубинах, на мелководье или в прибрежной зоне. Кроме того элементы волнения могут рассчитываться для конкретных погодных условий, за конкретный промежуток времени, за год, за многолетний период. Практика показывает, что методы расчета элементов волнения различаются для глубоководной и мелководной зон.

Элементы волнения глубоководных зон рассчитываются мо методике А. П. Браславского, в основе которого лежит уравнение баланса волновой энергии. Для упрощения расчетов А. П. Браславским построены номограммы для ветров со скоростью 5.10, 20 и 30 м/сек. Для определения высоты волны 1% обеспеченности необходимы данные о длине разгона волны, скорости ветра и глубинах по профилю разгона (рис. 3.13). Метод А.П. Браславского наиболее правильно отражает закономерности ветрового волнения. Однако, как показывает практика натурных наблюдений, расчетная высота волны занижена на 15-20%. Как показали исследования, на Камских водохранилищах, ветровое волнение развивается во времени и пространстве. Границы между глубоководной и мелководной зонами динамичны. И расчеты волн в обоих случаях должны быть различными.

Рис.3.13. Номограмма для определения высоты волны h_1% = f (H, D) при скорости ветра 20 м/с (по А. П. Браславскому).

По исследованиям ветрового волнения на малых водохранилищах преобладает неустановившееся волнение. На основе зависимостей средней высоты (h) и среднего периода волны (τ) от основных волнообразующих факторов W₁₀., t_w, D, H при установившемся и неустановившемся волнении построена номограмма для определения параметров волн (рис. 3.14).

Все рассмотренные методы дают высоту волны для одного луча и при отсутствии влияния на процесс волнения контура береговой черты. При сложных условиях волнообразования различают два случая: сложная форма контура береговой черты при однородном в поперечном направлении поле ветра и сложное поле ветра при простой или сложной форме контура береговой линии. Для условий водохранилищ характерен только первый случай. Из-за небольших размеров водохранилищ поле ветра в поперечном

Рис. 3.14. Номограмма для определения параметров волн на глубоководных и мелководных акваториях водохранилищ (по Крылову и др.)

разрезе обычно однородно. При сложной форме берега согласно руководства по расчету параметров волн параметры волн определяют по нескольким лучам. Что позволяет учесть весь спектр волн. Из расчетной точки (Р) проводят главный луч в направлении против ветра и боковые лучи под углами ± 22,5, ± 45, ± 67,5^о (рис. 3.15). По каждому направлению с учетом других факторов рассчитываются высоты волн используя любой метод. При прогнозировании переработки берегов энергетическим методом определяется энергия волн (тон/пог.метр).

Рис. 3.15. Пример построения лучей при расчете волн при сложной конфигурации береговой черты (Руководство…, 1969)

Волнение в мелководной зоне имеет свои особенности. В мелководной зоне в короткие промежутки времени меняется ветроволновой режим. В соответствии со сработкой уровня водохранилища изменяется и площадь мелководий.

При переходе волн с глубоководной зоны в мелководную происходит изменение их параметров, т.е. происходит трансформация. Под трансформацией понимаются любые изменения в волнах при переходе на мелководья. При подходе волн к берегу под некоторым углом их гребни начинают разворачиваться под влиянием малых глубин и стремятся занять положение, параллельное изобатам. В результате гребни волн растягиваются и изменяются параметры волн. Это явление называется рефракцией. Явление изменения параметров волн под влиянием только уменьшающихся глубин – деформация волн. Интерференция – явление наложения различных волновых систем. Это является одной из причин трехмерного характера волнения. Интерференция может наблюдаться при подходе к крутому склону подводной отмели или отвесному приглубому берегу. Для расчета высоты волн на мелководье существует целый ряд расчетных формул.