14.5. Движение озерной воды

Движение озерных вод может быть поступательным (течения, перемешивание) и колебательным (волны, сейшы). В большинстве случаев оба вида движения сочетаются.

Волны. Установлено, что если две подвижные среды разной плотности соприкасаются одна с другой, то только в состоянии покоя разделяющая их поверхность будет плоскостью. Если хотя бы одна из них движется, разделяющая поверхность принимает волнообразный характер. В случае взаимодействия потока воздуха (ветра) с поверхностью озера возникает колебательное движение частиц воды вверх и вниз по некоторой замкнутой траектории. Оно обусловлено тем, что каждая частица воды, поднятая выше среднего уровня (средней волновой линии) стремится под влиянием силы тяжести опуститься вниз и вследствие инерции опускается еще ниже, затем под действием ветра снова поднимается. К этому чисто колебательному движению присоединяется сравнительно небольшое поступательное движение воды, гонимой ветром. Так образуется волнообразное движение воды, увеличивающееся по мере усиления ветра.

Сечение нескольких последовательных волн вертикальной плоскостью в главном направлении их движения, представляет волновой профиль, который характеризуется следующими элементами. Часть волны, расположенная выше средней волновой линии, называется гребнем, нижем ее – впадиной (ложбиной). Наивысшая точка волны – вершина, наинизшая – подошва. Расстояние между двумя последовательными гребнями или подошвами двух волн – длина волны (λ_в), расстояние по вертикали между гребнем и подошвой – высота волны (h_в). Отношение высоты волны к ее длине характеризует крутизну волны. Промежуток времени, в течение которого волна проходит путь, равный ее длине, называется периодом волны (τ_в). Скорость волны (с_в) – это расстояние, проходимое какой-нибудь точкой ее (например, гребнем) в единицу времени.

Высоту волны h_в (м) можно вычислить по формуле В.Г. Андреянова

h_в = 0,0208 u_в^5/4 D_р^1/3, (14.7)

где u_в – скорость ветра, м/с;

D_р – длина разгона волны– путь пройденный волной от пункта ее возникновения (например, подветренного берега) до расчетной точки, км.

На характер движения волны в значительной мере влияет глубина водоема Н. При Н > λ_в/2 дно не влияет на волны; при Н ≤ λ_в/2 ; i ≤ 0,001 происходит деформация волн. При уменьшении глубины до критической величины (Н_кр = 2h_в) вследствие перехода потенциальной энергии в кинетическую и сосредоточения ее в гребне, последний приобретает поступательное движение, опрокидывается в сторону берега и волна разрушается. Обрушение волн у берега называется п р и б о е м, на мелководье в открытой части – б у р у н о м. В приурезной части отмели при углах наклона ее α < 45º происходит вкатывание волны на берег. Высота вкатывания волны h_вк зависит от шероховатости берега к_б (например, для каменной наброски к_б – 0,77, для гладкой стенки к = 1,0, высоты волны h_в , уклона берега (tgα) и может определяться по формуле Н.Н.Джунковского

h_вк = 3,2 к_б h_в tgα, (14.8)

При подходе волны к отвесному, или крутому (α > 45º) берегу, или к стенке происходит удар и отражение волны, которое будет полным при Н > Н_кр.

Наложение друг на друга двух или нескольких систем волн называется и н т е р ф е р е н ц и е й. Частный случай ее – стоячая волна, образующаяся наложением прямой и отраженной волн с одинаковыми периодами. При встрече систем волн разных направлений часто образуется сложное волнение с беспорядочным расположением бугров и впадин – т о л ч е я.

Давление волны на вертикальную стенку (или преграду) определяется по формулам:

для неразбитой волны

р = 0,85 ρ u², (14.9)

для разбитой волны

р = 0,85 ρ (0,75с_в + u)², (14.10)

где – линейная скорость движения частицы по орбите волны.

Силы удара волн о берега, гидротехнические сооружения могут достигать больших величин, поэтому необходимы соответствующие меры по их укреплению.

Ветровое волнение может быть: неустановившимся, когда происходит увеличение волн, не достигших предела при данной скорости и продолжительности действия ветра; установившимся, когда рост волн прекращается, несмотря на продолжающееся увеличение скорости ветра; затухающим, когда при ослаблении и прекращении ветра водная масса еще не пришла в равновесие.

Течения – горизонтальные перемещения воды под действием различных гидрометеорологических факторов: ветра, притока с водосбора и стока из водоема, неоднородности плотности воды, изменения атмосферного давления и др. Течения характеризуются скоростью и направлением.

В е т р о в ы е (д р е й ф о в ы е) течения охватывают верхний слой воды – в нестратифицированных водоемах около 1/3 глубины. Их скорости достигают 50 см/с и более. Слой температурного скачка препятствует распространению этих течений в глубину. Так, в Байкале при слабовыраженной стратификации они проникают на глубину 60–80 м, а при наличии температурного скачка – всего на 5–20 м, до слоя максимальных градиентов плотности. В глубинных слоях развиваются противоположные дрейфовым компенсационные течения со скоростью не более 10–20 см/с.

Направление поверхностного течения отклоняется от направления ветра на 45º вправо в северном и влево в южном полушарии.

Дрейфовое течение вызывает с г о н ы и н а г о н ы – перемещение захватываемого им слоя от подветренного берега к наветренному и соответствующий наклон водной поверхности.

При наличии притока и стока воды в озере может создаваться небольшой уклон поверхности, благодаря которому возникает течение водной массы, называемое с т о к о в ы м. Скорости стоковых течений обычно невелики, даже в крупных озерах они не превышают 10–20 см/с. Кроме того, значительное влияние на стоковое течение оказывает ветер; поэтому такие течения в чистом виде бывают в водоемах зимой.

П л о т н о с т н ы е т е ч е н и я лучше всего развиты в крупных глубоких озерах, где наиболее ярко выражена неоднородность распределения температуры и связанной с ней плотности воды. Эти течения сильнее всего в периоды нагревания и охлаждения водоемов, когда различия температуры центральных и прибрежных районов достигают максимума. Плотностной циркуляцией может быть охвачен слой воды до глубины 50 м (Ладожское озеро) и даже до 100–150 м (Байкал). Скорости в поверхностных слоях Ладожского озера достигают 25–35 см/с, В Байкале – 50 см/с.

Сейши. Под влиянием различных сил в водоемах возникают перекосы водной поверхности (денивеляции). После прекращения силы, вызывавшей денивеляцию, вся водная масса, стремясь возвратиться в состояние равновесия, приходит в колебательное движение. Эти колебания (стоячие волны), постепенно затухающие под действием сил трения, называются с е й ш а м и. Основные причины возникновения сейш: резкое изменение атмосферного давления в различных частях озера и ветер, вызывающий сгонно-нагонный перекос уровня. Поверхность воды озера при сейшах приобретает уклон то в одну, то в другую сторону (рис. 14.3).

Рис. 14.3. Сейши: а – одноузловая, б – двухузловая.

Неподвижная ось, около которой колеблется водная поверхность, называется узлом. Сейши могут быть одноузловые, двух узловые и т.д. Сейши –– это колебания с большим периодом и небольшой высотой. Так на Байкале наблюдались сейши с периодами от 44 мин до 4–6 ч, высотой 12–14 см. на озере Балхаш – соответственно 22–24 ч и 38 см.

Изучать сейши необходимо для правильного установления среднего уровня воды в озере. Сейши воздействуют на некоторые элементы гидрологического режима – вызывают колебания температуры, содержание кислорода, взвесей на различных глубинах, водообмен между открытыми и прибрежными районами.