1.8. Сгонно-нагонные явления

В водоеме любых размеров и формы при действии ветра и волн практически всегда наблюдаются сгоны-нагоны уровня. Нагонные явления отмечаются у наветренного, а сгонные — у подветренного берега [56, 72, 208].

Сгонно-нагонные явления обусловливаются действием двух факторов: волнового переноса вод и переноса вод, обусловленного действием ветровых течений. Волновой перенос вод может быть вычислен по теории волн большой высоты, разработанной Стоксом [95, 165]. Элементарный расход воды на единицу волнового фронта в единицу времени равен:

где половина высоты волны волновое число.

Скорость волнового переноса убывает по мере заглубления под уровень по экспоненциальному закону

где заглубление рассматриваемого горизонта под поверхность воды.

Из формулы (1.44) следует, что осредненная по вертикали скорость зависит от соотношения между глубиной водоема и элементами волн. Эту характеристику часто представляют в виде функции отношения глубины водоема или участка к средней длине волн, т. е. . С увеличением отношения обычно отмечается уменьшение средней по глубине скорости волнового течения, что приводит в свою очередь к уменьшению волнового сгона-нагона уровня. Таким образом, волновой сгон-нагон уровня при одинаковых размерах волн в мелководном водоеме будет большим, чем в глубоководном водоеме. Волновой сгон-нагон уровня, не искаженный какими-либо другими факторами, наблюдается при действии зыби. В условиях действия ветра и ветровых волн сгон-нагон уровня определяется совместным влиянием ветрового течения и волнового переноса. Поскольку перенос при ветровом течении во много раз больше волнового переноса, то и суммарный

сгон-нагон уровня определяется в основном ветровым течением. В этом нетрудно убедиться, если сопоставить волновой перенос воды, вычисленный по формуле (1.43), с переносом воды ветровым однонаправленным течением, полученным в работе [176] для однонаправленного по глубине ветрового течения в виде

а для разнонаправленного по глубине ветрового течения в виде

где скорость ветра на высоте над водной поверхностью.

Рис. 1.17. Экспериментальные профили водной поверхности при различной скорости ветра в условиях действия волн на глубокой и мелкой воде. 1 — слабый ветер, волны на глубокой воде; 2 — ветер средней силы, волны на глубокой воде у подветренной части, подвергаются влиянию дна в наветренной части; 3 — сильный ветер, волны на мелкой воде.

Выполненные оценки показали, что отношения по данным лабораторных исследований в аэрогидравлических лотках чаще всего укладываются в пределы 2—6, а по данным измерений в водоемах с глубиной 5-20 м достигают 10—40 и даже более [172].

Перечисленные обстоятельства показывают, что сгон уровня у подветренного берега водоема в реальных условиях должен быть меньше, чем нагон уровня у наветренного берега. Только в глубоководном водоеме профиль водной поверхности при сгоне-нагоне имеет вид, близкий к прямой (рис. 1.17), сгон примерно равен нагону, а отметка уровня в центре равновесия примерно равна отметке спокойного уровня.

В мелководных водоемах и водоемах с уменьшающейся глубиной по направлению разгона волн профиль сгонно-нагонного уровня приобретает сложные очертания (рис. 1.17), особенно при сильных ветрах: у подветренного берега водная поверхность почти прямолинейна, у центра равновесия слабо вогнута, у

наветренного берега вогнутость наибольшая. Форма профиля обычно заметно изменяется с изменением скорости ветра и элементов волн. Эти обстоятельства существенно осложняют оценку сгонов-нагонов уровня по данным натурных наблюдений, особенно в водоемах сложной формы с меняющейся глубиной, а также в условиях наложения на сгон-нагон сейшевых колебаний.

Для сравнительно надежной оценки сгона-нагона уровня в глубоководном водоеме простых очертаний желательно иметь записи уровня в трех-четырех пунктах, расположенных в непосредственной близости от подветренного и наветренного берегов и на некотором удалении от центра равновесия в сторону к подветренному берегу или в противоположном направлении. В водоеме сложных очертаний в плане и водоеме с меняющейся глубиной требуется пять—семь пунктов наблюдений.

Поскольку расчетами затруднительно надежно учесть влияние сложных очертаний и рельефа котловины водоема, а также возможные изменения касательных напряжений ветра на водной поверхности, то в СНиП [166] сгоны-нагоны рекомендуется оценивать по данным натурных наблюдений. При отсутствии данных наблюдений нагон уровня допускается определять методом последовательных приближений по формуле

где расчетная скорость ветра на высоте над водной поверхностью, расстояние от уреза подветренного берега до рассматриваемой точки по направлению действия ветра; Я — средняя глубина водоема; коэффициент, принимаемый равным при скорости ветра при скорости угол между направлением ветра и осью водоема.

Для приближенного вычисления разности сгонно-нагонного уровня в водоеме А. В. Караушевым [72] была предложена следующая формула:

где высота волны,

Расчеты ветровых нагонов в водоемах сложной формы Караушев предлагает выполнять последовательно по участкам с учетом гидравлических сопротивлений [72].

Для расчета нагонов в каналах и водоемах размером от нескольких десятков метров до нескольких километров А. С. Судольским предложена формула следующего вида:

где коэффициент, равный

Применительно к морям и крупным водоемам с наклонным дном в работе [31] предложена следующая формула для расчета высоты штормового нагона:

где глубина соответственно в начале и конце участка с постоянным уклоном дна; статистический подъем уровня за счет отклонения атмосферного давления от среднего значения;

Таблица 1.3 (см. скан) Повторяемость продолжительностей стояния сгонно-нагонных уровней в Новосибирск ом водохранилище по градациям максимальных значений, общей продолжительности периода стояния

— тангенциальное напряжение на поверхности; тангенциальное напряжение у дна.

Авторы формулы (1.50) утверждают, что она обеспечивает лучшую согласованность с данными наблюдений, чем другие известные формулы. Однако применительно к небольшим внутренним водоемам это утверждение нуждается в проверке.

Из этого краткого рассмотрения следует, что сгонно-нагонные явления в водоемах изучены недостаточно полно и что существующие расчетные зависимости не дают возможности надежно определять его количественные характеристики.

Для некоторых водоемов получены вполне объективные сведения о сгонах-нагонах на основании обработки лент самописцев уровня.

В качестве примера в табл. 1.3 приведены повторяемости сгонно-нагонных уровней различной продолжительности по градациям максимальных значений нагона и сгона в двух пунктах Новосибирского водохранилища. Один из пунктов — Верхний Бьеф — располагается у плотины ГЭС, а второй — с. Спирино — в зоне выклинивания подпора водохранилища, примерно в 140 км от плотины ГЭС. Из данных табл. 1.3 видно, что у плотины ГЭС чаще наблюдаются нагоны, а в зоне выклинивания — сгоны уровня, что вызвано преобладанием ветров, направленных от верховья водохранилища к плотине ГЭС.

Максимальные нагоны уровня у плотины ГЭС и максимальные сгоны у с. Спирино достигали, по данным наблюдений за три летних сезона, около 70 см, в то время как максимальные нагоны у с. Спирино и максимальные сгоны у плотины ГЭС не превышали 20 см.