Главная > Разное > Динамические явления в водоемах
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

2.10. Структура сейшевых течений

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.

Важной особенностью действия сейшевых течений, как показали исследования на гидравлических моделях нескольких водоемов, является то, что они приводят к формированию крупномасштабных циркуляций, которые для краткости условно можно назвать сейшевыми циркуляциями. Каждая циркуляция располагается в определенном месте водоема и существует как структурное образование, слабо взаимодействующее с соседними циркуляциями. Несколько крупномасштабных циркуляций, располагающихся в опредленной части водоема, обычно образуют систему циркуляций. Горизонтальные размеры наибольших циркуляций могут приближаться к поперечным размерам водоема. Наименьшие из отчетливо выделяющихся циркуляций составляют примерно 8-10 % размеров наиболее крупных циркуляций. Циркуляционным движением вод, как и сейшевыми течениями, обычно охватывается вся толща воды в водоеме, причем не только на стадии формирования, но и на стадии затухания сейш.

Циркуляции обычно мало заметны в периоды, когда скорости возвратно-колебательных сейшевых движений значительны, но весьма отчетливо проявляются в условиях почти полного затухания сейшевых течений.

Сейшевые циркуляции в одних случаях подвергаются постепенному затуханию, а в других случаях — раскачке [118, 169]. Затухание циркуляций происходит под действием донного, бокового и внутреннего трения. Интенсивность затухания циркуляций обычно близка или примерно равна интенсивности затухания

сейшевых колебаний уровня в рассматриваемом водоеме и может определяться с помощью известного выражения коэффициента (декримента) затухания [8, 133].

Наиболее вероятными причинами раскачки сейшевых циркуляций может быть совпадение частот колебаний скорости возвратно-поступательных сейшевых течений с частотами колебаний скорости вращательных движений отдельных дискретных вихрей, а также наличие заметного различия скорости прямого и обратного сейшевого течения, что наиболее отчетливо выражается в мелководных водоемах со сложной морфологией котловины.

Рис. 2.11. Распределение возвратно-поступательных движений вод по акватории оз. Байкал при действии одноузловой сейши (а) и схемы дискретных крупномасштабных вихрей при однородной плотности воды (б) и наличии стратификации плотности по глубине (в). 1 - движение у поверхности, 2 — движение в глубинных слоях.

Явление раскачки крупномасштабных вихрей пока подтверждено только материалами лабораторных исследований на пространственных гидравлических моделях водных объектов.

В натурных условиях до сего времени не удалось провести целенаправленных исследований по выявлению циркуляций или вихрей, обусловленных сейшами. О наличии таких явлений пока приходится судить на основании материалов авиасъемок течений по отдельным створам, по записям одиночных самописцев течений или по косвенным признакам.

Рассмотрим основные характеристики сейшевых циркуляционных движений, полученные по материалам исследований на пространственных гидравлических моделях.

Исследования сейшевых явлений оз. Байкал проводились на гидравлической модели, выполненной в масштабах: горизонтальный 1 : 100 000, вертикальный 1 : 5 000 [171].

Сейши в оз. Байкал действуют в безледоставный период примерно 90% времени [160, 161]. Одноузловые сейши имеют период, около 5 ч, а наибольшую высоту колебания уровня около 0,2 м. Наибольшие из средних скоростей сейшевых течений в узловых створах составляют 2—4 см/с, а максимальные достигают 7— 10 см/с [171]. Поля поверхностных сейшевых течений обычно характеризуются прямолинейными траекториями, ориентированными вдоль продольной оси озера (рис. 2.11а). В отдельных местах акватории озера, приуроченных к выступам и резким изгибам линии берега, отмечаются искривления движения потока, которые иногда приводят к формированию крупномасштабных циклональ-ных или антициклональных вихрей. В отдельных частях озера группы таких вихрей объединяются в системы. При свободном затухании мощных сейш вихревым движением охватывается большая часть акватории южной части озера, как показано, например, на рис. 2.116 для условий однородной плотности воды по вертикали.

Системы крупномасштабных вихрей в условиях однородной плотности жидкости возникают также в центральной и северной частях озера. Поперечные размеры этих крупномасштабных вихрей достигают 30-50 км, а периоды вращения изменяются преимущественно от 1,5 до 10 сут. Наиболее мощные вихревые образования располагаются в центральной части озера. Орбитальные скорости в вихрях, возникающих в этой части озера, могут достигать 5—20 см/с, а общая продолжительность их существования в условиях свободного затухания может составлять 20—30 сут и даже более.

При наличии стратификации плотности по вертикали, что достигалось в экспериментах путем заполнения большей части гидравлической модели подсоленной водой с добавлением красящего вещества, а верхнего слоя — чистой пресной водой, отмечалось заметное изменение формы и размеров крупномасштабных вихрей, но без заметных изменений их периодов, орбитальной скорости и продолжительности существования. Многие крупные вихри приобретали вид цилиндрообразных тел вращения со скоростью, незначительно изменяющейся по глубине (рис. 2.11 в).

Таким образом, крупномасштабные вихри в оз. Байкал весьма заметно отличались от рассмотренных выше инерционных, синоптических, топографических и других вихрей как по условиям формирования, так и по количественным характеристикам. Обнаружено некоторое сходство экспериментальной структуры сейшевых вихрей с циркуляциями геострофических течений, полученных В. А. Кротовой [99] динамическим методом, и схемой циркуляций"

полученной В. И. Верболовым [23, 24] на основании обобщения многолетних записей течений в различных пунктах озера.

Исследования сейшевых течений оз. Балхаш и систем крупномасштабных вихрей проводились на пространственной гидравлической модели, выполненной в масштабах: горизонтальный вертикальный Исследованы двух- и трехузловые сейши в условиях однородной плотности воды по вертикали [189].

Крупномасштабные циркуляции наиболее отчетливо проявлялись на гидравлической модели оз. Балхаш, как и на модели оз. Байкал, практически при полном затухании возвратно-колебательных движений. Вихри наибольших размеров в плане, достигавшие в пересчете на натуру формировались в Западном Балхаше. В Восточном Балхаше формировались вихри с наибольшими размерами в плане около Наименьшие из отчетливо выделявшихся вихрей в озере и прол. Узунарал (ширина около средняя глубина при отметке около в частности, имели в плане размеры порядка Системы вихрей, сформированные двух- и трехузловыми сейшами, различались очень мало (рис. 2.12 6).

Орбитальные скорости в вихрях редко достигали 5—6 см/с, а чаще при сейшах с высотой колебания уровня около не превышали 1—3 см/с.

В оз. Балхаш действие крупномасштабных циркуляций довольно отчетливо проявлялось на прогрессивно-векторных диаграммах, построенных по записям самописцев БПВ и частично на схемах авиасъемок течений [181].

Исследования сейшевых явлений Каховского водохранилища выполнялись на гидравлической модели, имевшей масштабы — горизонтальный вертикальный (рис. 2.13). На этом водохранилище наиболее часто наблюдается двух-, трех- и четырехузловые сейши, суммарная повторяемость которых в летне-осенние месяцы составляет [184]. При затухании двухузловых сейш практически на всей акватории озеровидной части водохранилища формируются частично взаимодействующие между собой системы крупномасштабных вихрей (рис. 2.14). Некоторые из них совпадают по месту формирования и направлению вращения с циркуляциями, формируемыми установившимся стоковым течением [188], но большинство других вихрей имеют некоторые специфические черты. В частности, наибольшая орбитальная скорость вихря была примерно на порядок меньше скорости сейшевых течений в узловых створах и составляла 5—7 см/с, в редких случаях достигала 10—12 см/с. Вихри средних размеров имели периоды около а периоды наиболее крупных вихрей составляли Продолжительность существования крупномасштабных вихрей обычно не превышала нескольких первых десятков часов, а иногда составляла всего лишь несколько часов.

Действие вихрей в натурных условиях подтверждается материалами регистрации течений, полученными с помощью приборов

(кликните для просмотра скана)

БПВ-2 у границы между центральным и восточным плесами водохранилища, а также авиасъемками течений по отдельным створам [181].

Рис. 2.13. (см. скан) Общий вид пространственной гидравлической модели Каховского водохранилища, размещенной на специальной подвижной ферме.

На отдельных авиасъемочных створах довольно отчетливо видна согласованность направлений векторов суммарных течений с векторами на вихрях, сформированных затухающими сейшами на гидравлической модели (рис. 2.14).

(кликните для просмотра скана)

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление