Гидравлика, гидрология и метеорология (стр. 39 )

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, ниже ее – впадиной (ложбиной). Наивысшая точка волны – вершина, наинизшая – подошва. Расстояние между двумя последовательными гребнями или подошвами двух волн – длина волны (лв), расстояние по вертикали между гребнем и подошвой – высота волны (hв). Отношение высоты волны к ее длине характеризует крутизну волны. Промежуток времени, в течение которого волна проходит путь, равный ее длине, называется периодом волны (фв). Скорость волны (св) – это расстояние, проходимое  какой-нибудь точкой ее (например, гребнем) в единицу времени.

Высоту волны hв (м) можно вычислить по формуле :

hв = 0,0208 uв5/4 Dр1/3,                        (13.7)

где uв – скорость ветра, м/с;

Dр – 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 > лв/2 дно не влияет на волны; при Н ≤ лв/2,  i ≤ 0,001 происходит деформация волн. При уменьшении глубины до критической величины (Нкр = 2hв) 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 б < 45є происходит вкатывание волны на берег. Высота вкатывания волны hвк зависит от шероховатости берега кб (например, для каменной наброски кб = 0,77, для гладкой стенки к = 1,0), высоты волны hв, уклона берега (tgб) и может определяться по формуле :

hвк = 3,2 кб hв tgб.                        (13.8)

При подходе волны к отвесному, или крутому (б > 45є) берегу либо к стенке происходит удар и отражение волны, которое будет полным при Н > Нкр.

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.

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 45є 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. 13.3).

Рис. 13.3. Сейши: а – одноузловая, б – двухузловая

Неподвижная ось, около которой колеблется водная поверхность, называется  у з л о м. Сейши могут быть одноузловые, двухузловые 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, содержания кислорода, взвесей на различных глубинах, водообмен между открытыми и прибрежными районами.

13.6. Гидрохимические, оптические и биологические

особенности водоемов

Гидрохимический облик водоема определяет сочетание следующих групп элементов: м и н е р а л ь н ы е  в е щ е с т в а, образующие истинные растворы и ионный состав воды (ионы НСО3, СО3, SО4, Cl, Ca, Mg, Na, К), которые содержатся обычно в сравнительно больших количествах; б и о г е н н ы е  э л е м е н т ы (азот, фосфор, кремний, железо), находящиеся в воде в различных формах и имеющие особо важное значение для развития жизни в водоемах; р а с т в о р е н н ы е г а з ы  (кислород, углекислый газ, сероводород, азот, метан, водород); о р г а н и ч е с к и е  в е щ е с т в а как поступающие с водосбора (а л - л о х т о н н ы е), так и образующиеся в водоеме (а в т о х т о н н ы е).

По минерализации озера делятся на пресные (до 0,1% солей), солоноватые (0,1–2,47%), соленые или минеральные (2,47–4,7%) и рассолы (более 4,7%).

Кислород поступает в воду из атмосферы и продуцируется при фотосинтезе водными растениями, расходуется при окислительных процессах – разложении органического вещества, окислении органических соединений, дыхании водных организмов, а также выделяется в атмосферу при избытке его в верхнем слое воды. Углекислый газ образуется более интенсивно у дна при окислении органических веществ и при дыхании водных организмов, расходуется главным образом в процессе фотосинтеза. Сероводород образуется в придонных слоях некоторых озер при разложении белковых веществ и восстановительных процессах в анаэробной среде (без доступа кислорода).

В глубоких озерах со слабым развитием жизни и невысоким содержанием органического вещества, прозрачной, относительно холодной водой кислорода достаточно, насыщение даже у дна не бывает меньше 70%. Распределение кислорода по вертикали зависит от температуры воды. В сильно прогреваемых летом озерах с интенсивным развитием жизни и высоким содержанием органического вещества наибольшее количество кислорода содержится в эпилимнионе, где он продуцируется фитопланктоном и поступает из воздуха. Содержание его резко убывает в слое температурного скачка, а в гиполимнионе ощущается его дефицит. Зимой количество кислорода убывает, особенно у дна, часто до нуля; содержание углекислого газа возрастает.

Минерализация и состав воды водохранилищ могут сильно варьировать по акватории и объему в связи с различиями состава вод притоков и сбросами сточных вод промышленных предприятий, населенных пунктов и с удобряемых полей.

В первые годы после заполнения водохранилищ, особенно в лесной зоне, в них поступает большое количество органического вещества. Весьма интенсивно происходит разложение затопленной растительности и органического вещества почв, на которое затрачивается большое количество кислорода, в связи с чем возникает его дефицит и нередко заморы рыб. Такие явления могут продолжаться 5–10 лет и более.

Оптические свойства вод зависят от количества и состава взвесей, растворенных веществ, развития планктона. Они определяют глубину проникновения радиации и характер ее распределения в водной толще.

Количество и глубина проникновения света, попадающего в воду, меняется в течение суток и года в связи с изменением положения солнца над горизонтом. Чем выше солнце, тем большая часть света проникает в воду, тем больше освещенность глубинных слоев.

Основными оптическими характеристиками природных вод являются прозрачность и цвет. П р о з р а ч н о с т ь  можно приближенно характеризовать глубиной воды (м), на которой перестает быть видным белый диск диаметром 30 см. Она изменяется от нескольких десятков метров (Байкал – 40 м, Иссык-Куль – 30 м) до нескольких десятков сантиметров. В центральной части прозрачность больше, чем у берегов; например, в Онежском озере летом она уменьшается от центра к берегу от 0,50–0,55 до 0,30–0,40 м. Для водохранилищ характерны значительные изменения прозрачности по акватории (увеличивается от верховий к плотине) и по сезонам.