3. 2.2.3 Статистические методы:

В связи с активным применением инструментальных методов измерения волн – стереофотосъемки волн и волнографных записей, удалось получить непрерывную регистрацию элементов волн в фиксированной точке водоема в течение определенного времени. Благодаря этому стало возможным применение методов математической статистики. Данный метод позволил установить связь между значениями элементов волн и вероятностью появления этих значений при определенных условиях волнообразования. Данные связи называются функциями распределения элементов ветрового волнения. Одни функции характеризуют вероятность появления – статистические, другие- функции распределения элементов волн во времени – режимные. Современные расчеты данным методом позволили установить, что для установившегося, развивающегося и затухающего волнения при одних и тех же условиях эти параметры различны. Большой вклад развитие данного метода внесли Л.Ф. Титов, И.Н. Давидан, Г.В. Ржеплинский. Метод является основой для других расчетных методов.

4. 2.2.4 Спектральные методы:

В основном исследуют особенности внутренней структуры волнения. Широкое развитие данный метод получил после открытия взаимоотношения между энергетическим спектром волнения элементарных волн и видимой высоты. Большой вклад в развитие этого метода внесли Ю.М. Крылов, И.Н Давидан, Г.В. Матушевский. Наибольшее значение играет при расчетах для водоемов сложной конфигурации и замкнутых акваторий. Связанно это прежде всего с тем, что данный метод позволяет точно определять контуры береговой линии.

Спектральный метод расчета волн позволяет произвести анализ физической сущности процесса. Сложение отдельных элементарных колебаний, формирующих сложный вид взволнованной поверхности, происходит со случайным сдвигом фаз и направлений, что придает явлению вероятностный характер и позволяет рассматривать его с позиции теории случайных процессов. Модель взволнованной поверхности полностью определяется двумерным спектром (Крылов и др. 1969) и является внутренней характеристикой волнового процесса. Мы его не видим непосредственно, а лишь наблюдаем результат взаимодействия всех спектральных составляющих, поэтому наблюдаемые волны являются случайными величинами. Угловой энергетический спектр дает подробную информацию о распределении энергии элементарных волн в зависимости от направления их распространения и равен интегралу от двумерного спектра по всем частотам. Впервые аналитическая функция углового распределения энергии волн выявлена В. Пирсом и Р. Артуром и имеет вид cos²Θ, где Θ направление распространения элементарной плоской волны. Эта функция была подтверждена эмпирическими исследованиями углового спектра волнения и использована при разработке метода расчета ветрового волнения на водоемах со сложной конфигураций береговой линии. При этом в качестве критерия сложности берегового контура принято соотношение d/D: контур береговой линии может считаться простым, если d/D> 1/2, где D самый длинный, а d самый короткий луч, проведенный из расчетной точки в секторе ±45^о от основного направления ветра до пересечения с подветренным берегом, при условии, что в этом секторе на расстоянии, меньшем d, отсутствуют препятствия с суммарным угловым размером больше 22.5^о. (см. рисунок 2.2.4.1) [2].

Рисунок 2.2.4.1 Определение длины волны

При рассмотрении приложения А видим, что в точку Р приходят спектральные составляющие с направлениями от –(π/2) до +(π/2) относительно основного направления ветра. Если луч какой-либо элементарной волны встречает на своем пути береговую линию, то ее энергия в зоне прибоя полностью гасится. Энергия элементарной волны определяется только проекцией луча волны на направление ветра. Формирование волнового поля происходит по законам геометрической оптики. А связь между высотой волны и угловым спектром выражается соотношением:

(2.22)

где h₀- высота волны при ветре скоростью W м/с и разгоне х^*_i=r(Θ) cos Θ от берега, r (Θ) – расстояние от подветренного берега до расчетной точки по направлению Θ, Θ_i – угол между направлением ветра и данной спектральной составляющей, ΔЕ – доля энергии, которой обладают спектральные составляющие, имеющие направление и расстояние от Θ_i – (½)ΔΘ до Θ_i + (½)ΔΘ, где ΔΘ – принятая угловая ширина сектора в зависимости от числа спектральных составляющих. Величина ΔЕ определяется как разность Е по таблице каждого из направлений в секторе от +π/2 до –π/2, на основе функции (2/π) *сos²Θ и меняется в пределах от 0 при Θ=+(π/2) до 0.5 при Θ=0. В основном удовлетворительные результаты получаются при учете семи секторов с угловой шириной 22.5^о каждый. Тогда расчетная формула примет вид:

(2.23)

где h_n (при n=0,±1,±2,±3) высоты волн, которые должны приниматься по расчетной скорости ветра и разгону D_n, равном проекции лучей на направление главного луча, совпадающего с направлением ветра. Лучи проводятся из расчетной точки до пересечения с линией берега в направлениях Θ=22,5^оn от главного луча. Расчет ведется по каждой угловой составляющей по тому или иному расчетному методу. Анализ многолетних наблюдений за ветровыми волнениями на внутренних водоемах, выполненный Г.Г. Карасевой на основе учета сложности берегового контура и дифференциации условий глубокой и мелкой воды, позволил установить зависимость высот волн от волнообразующих факторов на глубокой воде для внутренних водоемов:

(2.24)

где h_1% - высота волны обеспеченностью 1 %, D – разгон в м, W – скорость ветра, м/с. На современном этапе развития в ходе анализа и обобщения данных исследований ветрового волнения различных авторов получена номограмма для расчета характеристик ветровых волн. Верхняя огибающая номограммы, приведенная к обеспеченности 1% в системе, близка к результатам расчетов по зависимости Карасевой (расхождение не более 10%). При переходе от средней высоты волны в системе к высоте волн любой обеспеченности нужно среднюю высоту волны с номограммы умножить на коэффициент k_i, который показывает изменение функции распределения высот волн в зависимости от безразмерного разгона. Величина коэффициента k определяется для ии берется меньшее значение. Для условий водохранилищ и озер со сравнительно небольшими разгонами для расчета волн на мелкой воде может быть использована величина средневзвешенной глубины на профиле разгона, при этомпринимается соответствующей значению. Определение высоты волны в прибрежной зоне осуществляется с учетом трансформации и рефракции волн. Явление трансформации связанно с тем, что на мелководье с большими уклонами дна происходит процесс торможения подошвы волны и перераспределения орбитальной скорости движения частиц и энергии волны. В ходе чего гребень приобретает большую скорость и после прохождения критической глубины происходит опрокидывание волны. Данный процесс можно рассчитать приближенно для откосов с уклоном меньше 45^о и глубинами меньше критических по формуле Н.Н Джунковского, которая дает результаты близкие к наблюдаемым.

(2.25)

где h_в высота вкатывания волны от спокойного горизонта, k – коэффициент, зависящий от шероховатости стенок (для каменной наброски k=0,77, для каменной стенки k=1.0), h – высота волны, м, у стенки, α – угол наклона стенки от 14 до 45^о. Если необходимо определить более точно высоту наката волны на берег откосного типа используются также специальные руководства, но расчет по формуле Джунковского близко по значению и практически не уступает по точности.[4]

Следует отметить, что кроме поверхностных волн существуют и внутренние волны, амплитуда которых может превышать амплитуду поверхностных волн в десятки раз. Значение внутренних волн важно и его следует учитывать при расчетах, однако точно рассчитать его пока не удается, но существует гипотеза о воздействии внутренних волн на берег высказанная Н.Н Зубовым, а формулу расчета предоставил В.В. Шулейкин.

Ветровые волны важный элемент, который необходимо учитывать при проектировании и создании водохранилищ, плотин, водных и туристических путей. Если же данный параметр будет определен некорректно или же будет опущен, вследствие халатных действий это может привести к большим человеческим и материальным жертвам.

В настоящее время в связи с ежедневным развитием технологий и накопленных знаний, данные методы развиваются и преобразуются, позволяя исследователям открывать, описывать, рассчитывать и находить все новые и новые закономерности в природе ветровых волн. Что непременно ведет к новым глобальным открытиям и скачкам вперед к познанию окружающей среды. [6]