1.6. Стоячие волны

1.6.1. Причины возникновения

Стоячая волна возникает в результате наложения друг на друга двух одинаковых встречных длинных волн. Такие волны, наблюдаемые в озере, водохранилище или канале, обычно называют сейшами. Возникновение сейш в водоемах может быть вызвано следующими причинами:

а) неравномерным распределением атмосферного давления над акваторией или его периодическим изменением во времени;

б) действием ветра на водную поверхность;

в) резкими повышениями или понижениями уровня в какой-либо части водоема за счет притока или оттока речных вод, выпадением дождя или града;

г) сейсмическими колебаниями земной коры.

В некоторых случаях сейши в водоемах возникают в результате совместного действия двух или даже трех разных факторов.

Наиболее отчетливо сейшевые колебания уровня выражены при отсутствии ледяного покрова.

Во многих водоемах сейши действуют в течение 30-50 % продолжительности безледоставного периода, а в таких озерах, как Байкал и Балхаш, суммарная продолжительность их действия может достигать даже 80-90 % [189].

Рис. 1.13. Зависимость высоты сейшевых колебаний уровня от скорости ветра и охваченной им площади водной поверхности.

Охват площади водной поверхности: 1 - 100 %, 2 - 40 %, 3-20%, 4 - 10 %.

Сейшевые колебания уровня неизменно сопровождаются сейшевыми течениями, осуществляющими перенос и перемешивание вод и в связи с этим нередко оказывающими заметное влияние на формирование водных масс со специфическими чертами химического и биологического состава или термического режима. По этим причинам изучению сейшевых явлений необходимо уделять должное внимание.

В натурных условиях до настоящего времени не удалось получить надежных данных о возникновении сейш и их зависимости от определяющих факторов. Часть таких данных получена путем экспериментальных исследований в аэрогидравлическом лотке [174]. Эксперименты показали, в частности, что высота сейшевых колебаний уровня заметно увеличивается с увеличением скорости ветра, но при постоянном ветре оказывается практически одинаковой при охвате ветром 100, 40, 20 и 10 % водной поверхности (рис. 1.13). Этот экспериментальный результат подтверждает полученные ранее теоретическим путем представления о незначительных затратах энергии на возбуждение стоячих волн и убеждает в том, что даже в крупных внутренних водоемах возможно возбуждение сейш под действием местных ветров или внутримассовых шквалистых ветров.

Экспериментальным путем выяснено влияние интенсивности нарастания скорости ветра на высоту сейшевых колебаний уровня.

а также определены соотношения между сейшевыми колебаниями уровня и установившимися сгонами-нагонами уровня.

Скорость ветра на экспериментальной установке принималась нарастающей от нуля до заданного значения за промежутки времени выраженные относительно периода одноузловой сейши и равные

Рис. 1.14. Зависимость высоты сейшевых колебаний уровня от продолжительности периода нарастания ветра и его скорости Значения V:

Эксперименты проведены при трех диапазонах скорости ветра: Оказалось, что высота сейшевых колебаний уровня увеличивается с уменьшением промежутка времени нарастания скорости ветра и тем интенсивней, чем больше скорость ветра (рис. 1.14). Наряду с этим, сейшевые колебания превышали установившийся сгон-нагон уровня, показанный на рис. 1.14 штриховой горизонтальной линией, примерно в 2 раза при слабых ветрах и в 3 раза при наиболее сильном из воспроизведенного на экспериментальной установке ветре. Если воспроизводимый ветер задавался пульсирующим во времени и совпадающим по фазе с ходом уровня, то высоту сейшевых колебаний удавалось увеличить за счет резонанса в несколько раз.