Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Измерительная аппаратура и эксперименты
1.1. Аппаратура для проведения натурных экспериментов
1.1.1 Датчик динамического давления ВДК
1.1.2 Электромагнитные измерители скорости
1.1.3 Датчики давления
1.1.4 Струнные и электроконтактные волнографы
1.1.5 Турбидиметр
1.1.6 Волновой автономный буй
1.2. Натурные эксперименты и полигоны
1.2.1."Нида-8Г
1.2.2. Полигон Шкорпиловцы, Черное море, Болгария
1.2.3. Полигон Новомихайловка, Черное море, Россия
1.2.4. Эксперимент "Нордерней-94", Северное море
1.2.5. Эксперимент "Эбродельта-96", Средиземное море
Глава 2. Волнение в береговой зоне моря
2.1. Групповая структура волн, основные параметры
2.2. Структура волн на входе в береговую зону
2.3. Трансформация групповой структуры волн в прибрежной зоне
2.3.1. Трансформация нерегулярных волн
2.3.2. Модель
2.3.3. Трансформация монохроматических волн
2.3.4. Трансформация бихроматических волн
2.3.5. Влияние уклона дна на процесс трансформации волн
2.4. Моделирование трансформации волн в районе г. Геленджика
2.5. Исследование частотной зависимости диссипации энергии нерегулярных волн при обрушении
2.5.1. Метод определения коэффициента диссипации энергии
2.5.2. Типизация зависимостей коэффициента диссипации энергии волн от частоты
2.5.3. Влияние различных факторов на частотную зависимость диссипации энергии волн при обрушении
2.5.3.1. Влияние формы волны
2.5.3.2. Влияние уклона дна
2.5.4. Влияние особенностей трансформации спектра волн на вид коэффициента диссипации
2.6. Фазовая скорость свободных и связанных волн на мелкой воде
2.6.1. Фазовая скорость волн по данным экспериментов
2.6.2. Эффект "аномальной дисперсии"
2.7. Вторичные волны в прибойной зоне
2.8. Основные результаты главы
Глава 3. Турбулентность в волнах на мелководье
3.1. Неустойчивость основного волнового движения
3.1.2. Возникновение турбулентности в необрушенных волнах в береговой зоне
3.2. Турбулентные и волновые движения в береговой зоне
3.2.1. Существующие методы разделения волновой и турбулентной компонент скорости частиц воды в волновом потоке
3.2.2 Влияние модуляции коротких волн длинными на линейность связи поля орбитальных скоростей и поверхностного волнения
3.2.3. Влияние связанных и свободных компонент волн на линейность связи поля орбитальных скоростей и поверхностного волнения
3.2.4. Функции когерентности и бикогерентности для негауссовых случайных процессов
3.2.5. Способ разделения волновых и турбулентных движений
3.3. Статистика средних по времени параметров турбулентности
3.3.1. Обзор экспериментальных исследований мелкомасштабной турбулентности в волновом потоке
3.3.2. Статистические характеристики высокочастотной турбулентности на мелководье
3.4. Основные результаты главы
Глава 4. Механизмы взвешивания и переноса осадков
4.1. Расчет движения взвешенных частиц песка в монохроматической ф волне на мелководье
4.2. Временные масштабы и механизмы взвешивания песчаных осадков
4.3. Вертикальные масштабы событий взвешивания
4.4. Перемежаемость турбулентности в прибойной зоне и её влияние на взвешивание песка
4.5. Влияние особенностей волновых режимов на процессы перемещения осадков и изменения рельефа дна
4.5.1. Влияние степени симметрии волн на концентрацию и расход взвешенных наносов
4.5.2. Влияние особенностей групповой структуры волн на концентрацию и расход взвешенных наносов
4.5.3. Совместное влияние инфрагравитационных волн и групповой структуры гравитационных волн на расход наносов
4.5.4. Влияние вида частотной зависимости скорости диссипации энергии волн на расход взвешенных наносов
4.6. Достоинства и недостатки энергетического подхода к прогнозу транспорта наносов
4.7. Основные результаты главы
Заключение
Литература
- Датчик динамического давления ВДК
- Структура волн на входе в береговую зону
- Возникновение турбулентности в необрушенных волнах в береговой зоне
- Временные масштабы и механизмы взвешивания песчаных осадков
Введение к работе
По определению В.В. Лонгинова береговая зона должна рассматриватся: «как область моря в которой движения воды определяются постоянным взаимодействием с сушей» (Лонгинов, 1963). В данной работе мы будем исходить из этого определения береговой зоны моря, которое определяет границы береговой зоны динамически, в зависимости от исследуемых или фактических движений воды. Например, во время штиля и в отсутствии волн ширина береговой зоны должна быть принята равной нулю. Все основные движения воды в береговой зоне, за исключением ряда течений (приливных, для которых все море является береговой зоной, вдольбереговых градиентных, плотностных, геострофических, ветровых дрейфовых и т.д.), индуцируются волнением, подходящим к берегу из открытого моря. Практически вся энергия, накопленная волнением, диссипируется в береговой зоне.
По мере развития общества и технического прогресса интенсивность освоения береговой зоны морей возрастает. Это связано с ростом как транспортных (строительство новых портов, нефтяных и газовых терминалов и трубопроводов), так и рекреационных нагрузок. Соответственно возрастает риск техногенных и природных катастроф в береговой зоне моря и значительного экономического ущерба при нерациональном использовании ресурсов береговой зоны. Поэтому необходим достоверный прогноз динамических процессов береговой зоны и разработка методов расчета размывов и заносимости гидротехнических сооружений, искусственных и естественных пляжей, берегозащитных сооружений, а также расчета переноса загрязнений, образования низкочастотных колебаний и циркуляционных течений в портах, гаванях, вокруг искусственных островов и подводных рифов.
С точки зрения фундаментальной науки береговая зона интересна тем, что в ней сконцентрированы проявления самых разнообразных физических закономерностей. Например, особенности рельефа дна приводят к проявлению практически всех известных свойств нелинейных волн. Знакопеременный характер движения: частиц воды в волновом потоке накладывает дополнительную нестационарность на классические механизмы генерации турбулентности. Процессы взвешивания и переноса наносов определяются чрезвычайно широким спектром масштабов движения воды от мелкомасштабной турбулентности до низкочастотных гравитационных волн.
Анализ современного состояния изученности динамики береговой зоны показывает общепризнанность того факта, что поверхностное волнение является основным источником поступления энергии в береговую зону моря и определяет большинство динамических процессов в этой зоне. Вся энергия волн, накопленная ими в открытом море под действием ветра диссипируется в береговой зоне моря. Все режимы волнения на внешней границе береговой зоны нерегулярны и обладают групповой структурой, проявляющейся в чередовании цугов высоких и низких волн. По мере распространения волн к берегу волновое движение нелинейным образом трансформируется в движения разных типов и масштабов, включая турбулентные и инфрагравитационные, вызывая перенос донных осадков и загрязнений, значительные деформации рельефа дна и изменения береговой линии. Такие движения оказывают порой катастрофическое воздействие на берегоукрепительные, гидротехнические, портовые и другие сооружения.
В последние годы развит ряд численных и аналитических моделей, позволяющих адекватно описывать практически все известные нелинейные эффекты в поле волн в как во временной, так и в частотной областях. Трудности остаются только в правильном задании граничных условий и описании диссипации энергии волн в прибойной зоне. Написаны десятки вариантов численных математических моделей, позволяющие решать нелинейные уравнения распространения волн на конечной глубине как в
реальных простанственно-временных координатах, так и в спектральном виде, и адекватно описывающие практически все встречаемые эффекты в поле ветровых волн (современные обзоры можно найти в работах Zaharov, 1998; Becq-Girard et al., 1999). Несмотря на явные успехи численного и аналитического моделирования ветрового волнения, стройная качественная картина нелинейной деформации нерегулярных волн над наклонным дном отсутствует, что объясняется отсутствием продолжительных непрерывных рядов измерений параметров волнения, позволяющих достаточно полно исследовать и классифицировать закономерности эволюции волн на мелкой воде, обусловленные многообразием вариантов трансформации поля волн над особенностями рельефа дна и разными масштабами временной изменчивости. Это часто приводит к использованию ошибочных предпосылок при построении и верификации упрощенных геоэкологических моделей, использующих среднестатистические и спектральные параметры. Несмотря на очевидный прогресс в изучении волн, существует большой разрыв между резко выросшими в последние годы возможностями численного моделирования эволюции волн и нашей способностью понять и проинтерпретировать физические механизмы, лежащие в основе этого комплексного процесса. Кроме того, эта задача осложняется разнообразием волновых режимов на входе в береговую зону и многообразием форм рельефа дна. Такая ситуация привела к отсутствию среди исследователей единого мнения по ряду принципиальных вопросов динамики волн в береговой зоне.
Строгих и полностью обоснованных методов расчета концентрации взвешенных наносов и расхода осадочного материала не существует до сих пор. Большая часть используемых моделей носит эмпирический, полуэмпирический или феноменологический характер. Прогресс в данном направлении тормозится отсутствием детальных экспериментальных данных об элементарных процессах и механизмах взвешивания осадков, а также сложностью адекватного описания поля волн, вызывающего движения
осадков. Общепризнанно, что непосредственное влияние на взвешивание осадков оказывает мелкомасштабная турбулентность, однако точные механизмы генерации турбулентности, ее статистическое описание для условий волнового потока и количественные связи между параметрами турбулентности и концентрации взвешенных наносов отсутствуют.
Можно заключить, что в настоящее время существует большое количество как чисто теоретических, так и эмпирических и полуэмпирических моделей описывающих специфические динамические процессы береговой зоны моря. Большинство моделей, явно или не явно, опираются на систему представлений и гипотез об элементарных процессах, протекающих в береговой зоне моря. Между тем, эти представления в большинстве случаев до сих не получили исчерпывающей экспериментальной проверки, и часто основываются лишь на здравом смысле исследователей. Как правило, большинство процессов, протекающих в береговой зоне, имеют нелинейных характер и не могут быть проинтерпретированы с точки зрения одного лишь здравого смысла и на основе совпадения конечных результатов моделирования с наблюдениями в природе без детального рассмотрения их механизмов. Отсутствие стройной физической картины динамики береговой зоны может в свою очередь приводить к неправильной интерпретации, как экспериментальных данных, так и результатов моделирования. Это, в свою очередь, приводит к использованию ошибочных предпосылок при создании новых полуэмпирических моделей специфических процессов береговой зоны.
Из проведенного обзора вытекает актуальность нового направления исследований динамики береговой зоны, которому посвящена диссертация - установлению физических механизмов протекающих процессов.
Предметом диссертации является теоретическое обобщение экспериментальных исследований процессов трансформации нерегулярных волн в береговой зоне моря, генерации турбулентности в придонном слое и
при обрушении волн и вызываемое ими взвешивание наносов, их перенос и результирующие деформации рельефа дна. Цель диссертационной работы -создание физической картины трансформации нерегулярных волн в береговой зоне, выяснение и параметризация основных механизмов образования турбулентности в волновых потоках на мелководье, выяснение механизмов взвешивания и транспорта наносов под действием волнения и турбулентности и оценка их относительного вклада в формирование расхода наносов и переформирования рельефа дна.
Основными методами исследования являются:
проведение натурных экспериментов по синхронному измерению поверхностного волнения, скоростей частиц воды и концентрации взвешенных наносов в нескольких точках береговой зоны моря;
использование современных методов анализа временных рядов для выяснения физических закономерностей на фоне нестационарных, перемежающихся, нелинейных проявлений взаимодействия различных масштабов волнения и турбулентности в процессе перемещения осадков и деформаций рельефа дна.
Использование численного и аналитического моделирования для обобщения и интерпретации наблюденных эффектов.
Для развития данного направления автором были:
Разработаны методы измерения скоростей частиц воды и концентрации взвешенных наносов в береговой зоне моря.
Обоснована методика разделения волновых и турбулентных движений частиц воды.
Проведены серии комплексных натурных экспериментов по синхронному измерению волнения, волновых скоростей и концентрации взвешенных песчаных осадков.
Выяснена структура нерегулярного волнения на входе в береговую зону.
Исследованы закономерности трансформации нерегулярных волн в береговой зоне на основе данных численных и натурных экспериментов.
Изучены условия возникновения мелкомасштабной турбулентности, инициируемой волнением, и ее статистические свойства на основе данных натурных экспериментов.
Экспериментально, в натурных условиях, выяснены доминирующие механизмов взвешивания и переноса осадков волнами и мелкомасштабной турбулентностью.
Путем натурных и численных экспериментов исследовано влияния временной и пространственной изменчивости параметров волнения на концентрацию и расход взвешенных наносов.
В ходе развития данного направления исследований автором были получены следующие основные результаты:
Установлено существование ламинарного, переходного и турбулентного режимов в волновом потоке на мелководье.
Получен критерий перехода к турбулентному режиму в волновом потоке, и исследованы зависимости статистических характеристик турбулентности от параметров волн.
Выяснены и объяснены механизмы трансформации групповой структуры волн в прибрежной зоне моря.
Выяснены особенности частотной избирательности диссипации энергии волн в прибойной зоне.
Экспериментально установлена дисперсионная природа вторичных волн за подводными валами.
Открыт и объяснен парадокс аномальной дисперсии ветровых волн на мелкой воде.
Прямыми измерениями продемонстрирована и описана связь взвешивания осадков с интенсивностью турбулентности в придонной области.
8. Экспериментально установлены основные механизмы
взвешивания осадков гравитационными волнами.
Установлены границы его применимости "энергетической" подхода к прогнозу транспорта осадков и экспериментально проверены его основные постулаты,.
Выявлено влияние перемежаемости турбулентности и нелинейного взаимодействия групп гравитационных волн с инфрагравитационными волнами на процессы взвешивания и результирующий перенос осадков.
На защиту выносится физическая модель динамических процессов береговой зоны, включающая в себя следующие положения:
Все режимы волнения на входе в береговую зону моря имеют групповую структуру, обладающую свойствами автомодельности.
Выравнивание высот волн при их приближении к берегу происходит из-за нелинейной перестройки спектра волн в области частот первых гармоник и эффекта заполнения промежутков между группами, созданными первыми гармониками, группами высокочастотных волн. При этом мгновенное отношение амплитуд первой и второй гармоник меняется во времени.
Степень асимметрии волн и уклон дна определяют три типа частотной зависимости скорости диссипации энергии волн при обрушении. Обрушение изменяет форму спектра волн, компенсируя действия процессов линейной и нелинейной трансформации.
В природном волновом потоке на мелководье, в отсутствии обрушения, существуют ламинарный и турбулентный режимы. При переходе от ламинарного к турбулентному режиму флуктуации скорости имеют место лишь под гребнями и ложбинами волн. Критерием этого перехода является крутизна волны.
Существуют три основных механизма взвешивания наносов, определяющие временные масштабы флуктуации концентрации: а) выброс
вихрей из-за гребней песчаных рифелей при смене направления придонной скорости воды, б) образование вихрей в пограничном слое вследствие гидродинамической неустойчивости волнового потока при его замедлении в) образование крупномасштабных вихрей при обрушении гребней волн .
6. Групповая структура волн, особенно ее сочетание с инфрагравитационными волнами, и вид частотной зависимости диссипации энергии при обрушении определяют величины и направления расхода взвешенных наносов и деформаций рельефа дна.
Новизна работы определяется поставленными задачами, использованными подходами и полученными результатами. Новизной постановки задачи является направленность исследования на выяснение и элементарных и комплексных физических механизмов динамики береговой зоны. Новизной подхода является совместное использование тщательно спланированных натурных экспериментов и численного и аналитического моделирования как для разделения различных механизмов динамики береговой зоны, так и для их теоретического обобщения. Все упомянутые результаты работы обладают новизной и демонстрируют сложность и взаимосвязанность динамических процессов береговой зоны моря.
Личный вклад автора существенен на всех этапах проведенных исследований. Основная часть экспериментальных результатов получена при непосредственном участии автора в 11 натурных экспериментах: «Камчия-79», «Нида-81», «Шкорпиловцы -82, 83, 85, 88», «Нордерней-94», «Эбродельта-96», «Новомихайловка- 93, 99, 02». В приборных разработках и комплексных натурных экспериментах, выполненных в соавторстве с коллективами ИО РАН и ЮО ИО РАН автор был инициатором, руководителем отдельных и непосредственным участником всех проводимых исследований. Обработка экспериментальных данных, моделирование и интерпретация полученных результатов была выполнена в соавторстве с сотрудниками ЮО ИО РАН и ИО РАН, первичная обработка экспериментальных данных и значительная часть аналитических и
численных расчетов была выполнена непосредственно автором.
Практическая значимость работы определяется созданием физической модели динамики береговой зоны моря, которая описывает волнение на входе в береговую зону, основные черты трансформации волн, генерацию мелкомасштабной турбулентности в волновом потоке, механизмы взвешивания и переноса песка волнами и мелкомасштабной турбулентностью. Эта модель может быть применена в качестве основы для уточнения старых и построения новых полуэмпирических методов расчета волнения, потоков наносов и деформаций рельефа дна в береговой зоне моря.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах Лаборатории шельфа и морских берегов, и Лаборатории морской турбулентности ИО РАН, на семинарах кафедры физики моря МГУ, на 9 всесоюзных и всероссийских конференциях и на 22 международных конференциях.
По теме диссертации опубликовано 77 научных работ, их них 12 статей в отечественных и зарубежных рецензируемых журналах, 12 статей в тематических сборниках и коллективных монографиях, 22 статьи в трудах конференций.
Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 206 страниц текста, 111 рисунков, 5 таблиц; список литературы содержит 208 названий.
В главе 1 приведены описания приборов для измерения волн, волновых скоростей и концентрации взвешенных наносов, и обоснованы использованные в работе методы измерений. Описано 11 натурных экспериментов, использовавшихся при исследовании.
Датчик динамического давления ВДК
Измеритель динамического давления (ВДК), сконструированный Н. В. Вершинским, А. А. Депрейсом и А. П. Кестнером (Вершинский, 1950, 1952; Кестнер, 1961) нашел широкое применение в практике натурных и лабораторных измерений как прибор для измерения скорости движений воды. Методика измерения скорости потока с его помощью рассмотрена в статье автора диссертации (Кузнецов, Сперанский, 1986). Датчик регистрирует силу динамического давления воды на воспринимающий элемент, которая затем пересчитывается в скорость. Конструкция представляет собой дифференциальный индукционный приемник с воспринимающим элементом (рис. 1.1.1.1 - а) в виде шара или диска, закрепленном с помощью стойки б на стержне якоря е. Отклонение якоря, пропорциональное моменту сил, действующих на воспринимающий элемент, преобразуется в ток разбаланса мостовой схемы (указанные на рис. 1.1.1.1 катушки индуктивности являются двумя изменяющимися плечами) и передается на регистратор.
Достоинство измерителя заключается в простоте конструкции, прочности и надежности работы в натурных условиях, а также в компактности. Еще одно преимущество ВДК состоит в том, что его работа не зависит от наличия в воде взвешенных наносов, которые значительно увеличивают погрешности современных акустических и электромагнитных измерителей и даже делают невозможным их применение. Его недостатки связаны с инерционностью, а также с тем, что измеряемой величиной является не скорость, а сила динамического давления на воспринимающий элемент. Поэтому при использовании датчика ВДК для определения мгновенной скорости надо знать частотную характеристику измерителя силы и способ перехода от динамического давления к скорости.
Кестнер (1961) определяет границу верхних частот (/Ї), регистрируемых датчиком с завалом по амплитуде на 30%, как fb = (2ят0)-1, где г0- постоянная времени, определенная по времени релаксации воспринимающего элемента датчика в воде, равная 0,007 с. Рабочий диапазон датчика как измерителя силы определен в пределах от 0 до 23 Гц (Кестнер, 1961).
Попов (1958а) определил динамические характеристики тензометрического варианта датчика ВДК как измерителя скорости, исходя из уравнения движения его воспринимающего элемента. Однако член этого уравнения, описывающий сопротивление диска потоку, был принят пропорциональным первой степени скорости, хотя известно, что закон сопротивления зависит от режима обтекания. По данным Гольдштейна (1948), критическое число Re для поступательного потока, начиная с которого закон обтекания становится квадратичным, равно 200. Для диска диаметром 20 мм, используемого в натурных измерениях, соответствующая критическая скорость vKp=0,01 м/с. Для волнового потока по результатам тарировок на основе сравнения амплитуд волновых скоростей, измеренных с помощью ВДК и эталонных измерителей (киносъемка, микровертушка), проведенных Волковым (1961 в) и Слабаковым (1982), квадратичный закон справедлив, начиная примерно с Re =2000, т. е. для диска 20 мм начиная со скорости порядка 0,1 м/с.
Таким образом, результаты Попова (1958а) справедливы только для относительно малых скоростей. При больших скоростях закон сопротивления должен быть принят квадратичным, уравнение становится нелинейным, и получить его аналитическое решение не удается.
В другой своей статье Попов (1958в) рассмотрел процесс восстановления скорости потока по записи силы динамического давления PD(t) = 4v + Z?vv, где v- ускорение потока, v - скорость потока, t - время, а А и В - коэффициенты, зависящие от размеров воспринимающего элемента датчика. Измерив силу двумя датчиками с различными размерами воспринимающего элемента, т. е. с различными А и В, легко найти значения v и v, решив систему двух линейных уравнений. Однако применение этого метода требует синхронных измерений скорости в «точке» двумя датчиками ВДК, что значительно усложняет эксперимент.
Рассмотрим весь процесс определения скорости с помощью датчика силы динамического давления ВДК с рабочим диапазоном частот от 0 до 20 Гц. Пусть датчик находится в потоке, скорость которого v0(7). Сила динамического давления P0(t) на воспринимающий элемент датчика будет равна C[v(/)L гле С - нелинейный оператор, определяемый правой частью уравнения (1.1.1.1). Так как датчик силы существенно искажает частоты, большие 20 Гц, то при обработке разумно отфильтровать гармоники с частотой / 20 Гц. После фильтрации сигнал на выходе датчика будет P(t) = L{P0(t)} = L{C[v0(t)]}, где L- линейный оператор, фильтрующий гармоники с f 20 Гц. Восстанавливая скорость v{t) по записи P{t) (решая уравнение (1.1.1.2)), мы осуществляем преобразование: v(0 = C-I[P(0] = C-I[I{C[v0(0]}]. (1.1.1.9)
Электромагнитные измерители скорости основаны на законе электромагнитной индукции Фарадея, согласно которому в проводнике, движущемся в магнитном поле, возбуждается электрический ток. Наводимая в проводнике ЭДС пропорциональна магнитной индукции, длине проводника и скорости его перемещения. Датчик представляет собой сферу или эллипсоид, внутри которого находится катушка индуктивности, создающая магнитное поле и на поверхности которого находятся четыре металлических электрода, контактирующие с водой, и расположенные в вершинах квадрата со стороной 4 см в плоскости перпендикулярной силовым линиям магнитного поля. Морская вода, обладающая низким сопротивлением электрическому току, выступает в роли проводника, а электроды фиксируют наведенную магнитным полем ЭДС. Противоположные пары контактов обеспечивают регистрацию двух перпендикулярных компонент вектора скорости частиц воды. Для предотвращения поляризации жидкости и, как следствия, появления на электродах нестабильных во времени потенциалов, использовалось переменное во времени (частота колебаний магнитного поля 50 Гц) магнитное поле. В описываемых в диссертации экспериментах использовались две модели датчиков, отличавшихся лишь конструктивными особенностями: датчики, изготовленные ГОИНом в 1989 году по заказу автора диссертации, затем модифицированные с.н.с. ЮО ИО РАН И.С. Подымовым и датчики Stormungs - Sensor Тур S производства немецкой фирмы Nordentsche Sea Kablewerke. Фотографии датчиков показаны на рисунках 1.1.2.1 и 1.1.2.2.
Структура волн на входе в береговую зону
В сентябре 1996 года с целью изучения волнового климата Черного моря в открытом море в районе г. Геленджика был установлен волноизмерительный буй "Directional Waverider Buoy", изготовленный нидерландской фирмой DAT A WELL (Kos yan et al., 1998). Его подробное описание приведено в 1-й главе. Координаты точки установки: 4430 40 N, 37 58 70 Е, глубина места - 85 м, что для всех наблюдавшихся волн соответствует условиям глубокой воды. Все представленные в этом подразделе эмпирические зависимости построены по 6117 реализациям поверхностного волнения, полученным автономным буем с июля 1996 г по апрель 1998 г. (Кузнецов,Сапрыкина,Дивинский,2003)
Будем характеризовать групповую структуру волн двумя параметрами - фактором групповитости (GF), показывающим величину амплитудной модуляции волн и средним числом волн в группе (NW). Методика их расчета описана в пункте 2.1. Огибающие волн, используемые для расчета GF и NW, строились с помощью преобразования Гильберта отфильтрованных рядов возвышений свободной поверхности. Численная фильтрация оставляла в спектре волн лишь частоты/ лежащие в диапазоне 0.6fm f 2fm , где/ ,-частота максимума спектра волн, что позволяло избежать влияния инфрагравитационных волн, а так же инструментальных дрейфов и высокочастотных шумов. Кроме этого использовались следующие величины для характеристики режимов волн: ширина спектра огибающей волн (сое) и ширина спектра волн (coh), введенные Лонге-Хиггинсом (1962) и рассчитанные как т2т01т\ -1; ширина спектра волн (a s), определяемая по уровню 0.7 от максимального значения спектра.
Все представленные в этом подразделе эмпирические зависимости построены по 6117 реализациям поверхностного волнения, полученным автономным буем с июля 1996 г по апрель 1998 г.
Оказалось, что среднее значение огибающей волн (Не) линейно связано с высотой значительных волн (Я5), которая традиционно характеризует среднюю высоту третьей части наиболее высоких волн из числа всех наблюдавшихся, и принимается равной четырем величинам среднеквадратичного значения возвышений свободной поверхности воды (далее просто волн) (рис. 2.2.1). На рис. 2.2.1 также представлена зависимость о#е от Hs, которая тоже получилась линейной, с очень малым разбросом точек относительно прямой (Тне- 0.16 Hs. Полученные линейные зависимости свидетельствуют о возможной автомодельности групповой структуры волн на глубокой воде.
Действительно, GF, пропорциональный отношению среднеквадратичной величины флуктуации огибающей к ее среднему значению, по всей видимости, не зависит от параметров волн и изменяется в относительно узком диапазоне значений от 0.65 до 0.85, среднее значение GF по всему наблюденному ряду равно 0.76.
Зависимость фактора групповитости от средней частоты спектра. без явно выраженных тенденций, сходный с рис. 2.2.2 и здесь не приводятся. Таким образом, по-видимому, значения GF на глубокой воде определяются лишь нелинейными свойствами процесса распространения волн и не зависят явно от параметров волн и условий волнообразования. Среднее значение GF по всему наблюденному ряду равно 0.76. Аналогичные зависимости построены для среднего числа волн в группе {NW). Достаточно хорошая линейная зависимость fe от / (fe = 0.24/) так же свидетельствует об автомодельности среднего числа волн в группе (рис. 2.2.3). Больший разброс точек при малых высотах волн и коротких периодах волн, по-видимому, определяется ошибками измерения волн при слабых режимах волнения. Построенные зависимости NW от cos, а е, a h, f, fe, о не и Hs имеют вид облака точек без выраженных тенденций и здесь не приводятся. Среднее значение NWравно 4.
Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют о том, что значения GF на глубокой воде определяются лишь нелинейными свойствами процесса распространения волн и не зависят явно от параметров волн и условий волнообразования, a NW остается постоянным для всех наблюденных режимов волнения.
Мы выбрали два режима волнения - серии dl6 и кЗ, где волны распространялись по нормали к берегу. Серия dl6 измерена в конце сильного шторма, в момент перехода от ветрового волнения к зыби с частотой максимума спектра_/ = 0.11 Гц и высотой значительных волн на глубине 10 м Hs = 1.8 м; серия кЗ - при зыби cfm = 0.12 Гц и Hs = 1.3 м. Серии различаются положением точки обрушения волн: в серии кЗ обрушение происходило в середине эстакады и большая часть волнографов находилась мористее зоны обрушения, а в серии dl6 обрушение начиналось мористее конца эстакады и все волнографы, кроме двух дальних, находились в зоне обрушения волн. Профили дна для этих двух серий, положения зоны обрушения волн, спектры волн, среднее число волн в группе и рассчитанные факторы групповитости (GF и GF1) приведены на рис. 2.3.1. На спектрах заметны частотные диапазоны первых (0.08-0.13 Гц) и вторых (0.13-0.26 Гц) гармоник, появившихся в ходе процесса нелинейной деформации волн (рис. 2.3.1а, б).
Среднее число волн в группах (NW) в обеих сериях по мере их приближения к берегу флуктуирует и примерно одинаково изменяется в диапазоне от 4 до 6 (рис. 2.3.1г). Увеличение средней частоты спектра волн, вызванное ростом высших гармоник вблизи берега, не ведет к резкому увеличению числа волн в группе, так как при этом увеличивается и средняя частота огибающей.
Возникновение турбулентности в необрушенных волнах в береговой зоне
Измерения проводились на Черном и Балтийском морях (эксперименты «Камчия-79», «Нида-81», «Шкорпиловцы-82, 83», описанные в главе 1) на отмелых песчаных берегах со средними уклонами дна порядка 0.02. Возвышения водной поверхности измерялись с помощью струнных волнографов. С помощью датчиков ВДК (Вершинский, 1952, Кестнер, 1961) осуществлялась синхронная регистрация сил динамического давления на их воспринимающие элементы, представляющие собой тонкие диски диаметром 0,02 м. Сила давления на диск пропорциональна квадрату нормальной к диску компоненты эйлеровой скорости потока. Датчик позволяет определять эйлерову скорость движения частиц воды в волновом потоке в диапазоне частот от 0 до 4 Гц (Кузнецов; Сперанский, 1986). Воспринимающие диски датчиков располагались в вершинах равностороннего треугольника со стороной 0,06 м, при этом диск одного датчика располагался в горизонтальной плоскости, а двух других - в вертикальных плоскостях, что дало возможность определить вертикальную и две горизонтальные (одну нормальную, другую параллельную береговой линии) компоненты эйлеровой скорости потока в «точке» измерения. Точки измерения располагались вне придонного пограничного слоя, толщина которого, по измерениям (Jonson, 1978) составляет 2-4% от амплитуды волнового движения частиц воды в придонной области и для условий наших измерений не превышает нескольких сантиметров. Система из трех датчиков последовательно выставлялась в нескольких точках вертикали. Длительность записей составляла 3-6 мин, средние периоды волнения изменялись от 3,8 до 7,0 с, глубина в точках измерения изменялась от 1,5 до 2,4 м. Для визуального анализа были использованы полученные записи возвышений свободной поверхности и силы динамического давления, а для количественных оценок сила динамического давления пересчитывалась в эйлерову скорость. Далее, говоря «скорость», мы будем иметь в виду эйлерову скорость движения частиц воды.
Среди визуализированных записей динамического давления в необрушающихся волнах встречаются три типа реализаций, соответствующих ламинарному, турбулентному и переходному режимам, примеры которых приведены на рис. 3.1.1 (Кузнецов, 1986). Реализации сглажены за счет пространственного осреднения флуктуации воспринимающим элементом датчика. Поток считался пульсационным, если частота флуктуации скорости была более 1 Гц, а амплитуда превышала 3 см/с (уровень шумов при записи). Если таких флуктуации не наблюдалось, то поток считался ламинарным. Значение 1 Гц выбрано в качестве граничной частоты в результате визуального анализа синхронных записей динамического давления и поверхностного волнения. При переходных режимах пульсации имеют место лишь в момент прохождения над датчиками гребней или ложбин волн. В моменты перехода нормальной к берегу компоненты силы динамического давления через ноль (т. е. в фазу перехода от гребня к ложбине, и наоборот) флуктуации, как правило, не наблюдается.
То, что наблюдаемые высокочастотные флуктуации не вызваны высокочастотными движениями поверхности а имеют другую природу, подтверждается отсутствием видимых пульсаций на записях поверхностного волнения, полученных синхронно с записями силы динамического давления (см. рис. 3.1.1), т. е., по-видимому, отсутствует линейная связь пульсаций скорости с поверхностным волнением. Нелинейная же связь поверхностного волнения и волновых скоростей мала по оценке, приведенной в (Kitaigorodskii et al., 1983).
Из выражения (3.1.2) следует, что производство пульсационной энергии равно нулю при значениях (kx-cot), равных ±тг, п==1, 2, ..., т. е. в моменты перехода от гребней к ложбинам, и наоборот. В реальных волнах, по-видимому, происходит то же самое. При этом диссипация энергии достаточно велика, чтобы не позволять существовать флуктуациям заметного уровня в отсутствии подкачки к ним энергии. Далее мы будем рассматривать лишь переходные режимы, когда ламинарные участки перемежаются пульсационными, и попытаемся описать условия возникновения пульсаций. Для анализа были выбраны реализации, полученные при шести различных режимах волн зыби. Для двух из них измерения были проведены она фиксированном горизонте z=0,3 м от дна, а для четырех - по всей толще. Соответствующие характеристики приведены в таблице 3.1.1, где h - глубина в пункте измерения, z-расстояния от дна, на которых были проведены
измерения, v3d- средние придонные (вне погранслоя) экстремальные скорости под гребнем и ложбиной и Г - средний период волн. Так как в переходном режиме пульсации возникают лишь под гребнями и ложбинами, то условия их возникновения связаны с некими характеристиками каждого отдельного гребня или ложбины. В качестве параметров, характеризующих отдельные гребни и ложбины, были выбраны: экстремальные горизонтальные скорости на различных горизонтах; длительность, определявшаяся как время между двумя последовательными точками перехода через ноль горизонтальной компоненты скорости; состояние гребня или ложбины - наличие или отсутствие пульсаций. Эти параметры были определены для 20-40 волн в каждой реализации. Кроме того, для каждой реализации было определено отношение средней длительности гребня к средней длительности ложбины Тг/Тд, характеризующее асимметрию волнового процесса. По полученным параметрам определялись условия образования пульсаций сначала в пределах одной реализации. В пределах одной реализации удалось определить критические экстремальные скорости v , разделяющие пульсационныи и ламинарный режимы. При экстремальных скоростях частиц воды в гребне или ложбине, больших критической, на записи имеются флуктуации, при меньших - нет. Критические скорости для гребней и ложбин волн в пределах одной реализации оказались различными. Длительность конкретной ложбины или гребня не оказывает видимого влияния на появление пульсаций.
Объясним отмеченные особенности поведения vKp. Для этого сделаем два предположения. Во-первых, допустим, что во всей толще потока одновременно создаются условия для появления флуктуации. Это должно было бы привести к затуханию критических скоростей с глубиной по тому же закону, по которому затухают волновые скорости, так как при критическом состоянии потока критические скорости совпадают с экстремальными волновыми. Однако одновременно накладывается эффект асимметрии волнового движения.
Временные масштабы и механизмы взвешивания песчаных осадков
Синхронные измерения концентрации взвешенных осадков, компонент скорости воды, возвышений свободной поверхности, отбор проб взвешенных наносов, а так же промеры профиля дна, отбор проб донных осадков и водолазные наблюдения за параметрами донных рифелей были выполнены во время натурного эксперимента "Новомихайловка-93" на Черноморском побережье Краснодарского края в декабре 1993 года вблизи п. Новомихайловский. Временные масштабы и механизмы взвешивания песчаных наносов подробно рассмотрены на основе этого эксперимента в работах Пыхова, Косьяна, Кузнецова и Кунца (Pykhov,Kos yan,Kuznetsov, 1995; Пыхов,Косьян,Кузнецов, 1997; Pykhov,Kuznetsov,Kunz, 1998,). На участке прибрежной зоны в месте проведения эксперимента изобаты располагаются параллельно береговой линии, а донные осадки до глубины 10 м представлены мелкозернистым песком, средний диаметр которого мало изменяется по длине профиля и составляет 0.21 - 0.24 мм. Средний уклон дна от берега до изобаты 5 м составляет 0.015. Исследования проводились с эстакады длиной 300 м, профиль дна вдоль которой содержит подводный вал. Использованные измерители были установлены на одной вертикали вблизи вершины подводного вала на расстоянии 215 м от берега, где глубина составляла 2.7 м.
Мгновенные значения концентрации взвешенных осадков измерялись на горизонтах 0.04 -г 0.08 м от дна с помощью оптического турбидиметра (Косьян и др., 1995). Горизонтальная, нормальная к берегу и вертикальная компоненты скорости частиц воды измерялись двухкомпонентным электромагнитным датчиком, который располагался в 0.25 м выше турбидиметра. Измерительной головкой датчика являлась сфера диаметром 0.05 м. Возвышения свободной поверхности моря регистрировались струнным волнографом. Сигналы со всех приборов по кабельной линии поступали в лабораторное помещение на эстакаде, где проводилась их синхронная регистрация на персональном компьютере с дискретностью 0.2 с Длительность каждой записи составляла 1 час. Измерения проводились в течение двух непродолжительных по времени штормов. Во время первого ветровые волны подходили под углом 10-20 к эстакаде, располагавшейся по нормали к берегу. Высота значительных волн не превышала 0.7 м, а период Тр соответствующий максимуму спектра на частотах подходящих волн, составлял 4.5 с. (записи R2-R4, табл. 4.2.1) В месте измерений наблюдалась лишь деформация волн, а их обрушение происходило на расстоянии 110 м от берега.
Второй шторм характеризовался волнами зыби, подходившими по нормали к береговой линии. Высоты значительных волн в месте установки приборов не превышали 1 м, а период т р составлял 7 -т- 8.5 с (записи R8-R11, табл. 4.2.1). Обрушение наиболее крупных волн происходило на расстоянии 250 -гЗОО м от берега, а окончательное обрушение всех подходящих волн имело место на расстоянии 120 -130 м.
Полученные данные обрабатывались следующим образом. Для записей, приведенных в таблице 4.2.1, выполнен спектральный и взаимный спектральный анализ синхронных хронограмм концентрации взвешенного песка, скорости частиц воды, возвышений свободной поверхности и огибающей гравитационной компоненты скорости частиц воды. Огибающие гравитационных компонент рассчитывались с помощью преобразования Гильберта. Нижняя частотная граница гравитационного диапазона определялась в зависимости от режима волнения и соответствовала началу резкого увеличения значений спектра при приближении к его основному максимуму. Верхняя граница была выбрана постоянной - 0.4 Гц. Спектральный и взаимно - спектральный анализы выполнялись с помощью Параметры донных рифелей были оценены по эмпирическим зависимостям П. Нильсена (Nielsen, 1991), хорошо согласующихся с результатами: наблюдений на Черном море (Косъян, Пыхов, 1991). Рассчитанные значения параметров рифелей и волнового потока над ними приведены в таблице 4.2.1 Водолазное погружение во время записи R2 показало присутствие на дне рифелей с высотой около 1 см и длиной 7.5 см, что близко к расчетным значениям для этой записи. Фронты рифелей были приблизительно синусоидальной формы и параллельны друг другу, что свидетельствует о начальной стадии преобразования двумерных рифелей с прямолинейными фронтами в трехмерные.
