2.9. Формирование циркуляций транзитным потоком и затухающей речной струей
Практически любое лабораторное исследование течений на модели проточного водоема, выполнявшееся разными авторами (Н. М. Вернадский, Б. В. Проскуряков, В. В. Кузнецов, И. М. Коновалов [11, 215] и многие другие), неизменно приводило к формированию циркуляций, охватывавших некоторую часть котловины.
Рис. 2.9. Вторичные течения на схематизированных гидравлических моделях двух водоемов с транзитным потоком. а — модель округлых очертаний, б - модель эллиптической формы [72].
Хорошо известны результаты исследований названного явления, полученные А. В. Караушевым на двух схематизированных гидравлических моделях [72]. Рассмотрим их с учетом приемлемости для натурных условий.
На гидравлической модели округлых очертаний относительно мощный транзитный поток создает две огромные циркуляции, простирающиеся до внешних границ водоема. Эти циркуляции принято называть вторичными течениями [215]. Скорости течения по пути транзитного потока изменялись незначительно, а в циркуляционных зонах уменьшались по направлению от периферии к центру. Представленная на рис. 2.9 картина течений не испытывала в экспериментах заметных изменений ни во времени, ни по поверхности модели.
В экспериментах, проводившихся на модели водоема эллиптической формы, транзитная струя искривлялась в плане, периодически перемещалась в поперечном направлении и приводила к формированию трех отчетливо выраженных циркуляций, как показано на рис. 2.9 6. Если транзитную струю у входного отверстия искусственно отклоняли влево, как утверждает автор экспериментов, то направление вращения во всех трех циркуляциях менялось на противоположное.
Рис. 2.10. Меандрироваиие затухающей речной струи на гидравлической модели водоема с пологим диом. 1 — начало эксперимента; время от начала эксперимента: 2 - 1,25 мин, 3 - 2,50 мин, 4 - 3,75 мин, 5 - 5,00 мин.
Представленные характеристики циркуляций относятся к водоемам, обладающим очень высоким коэффициентом внешнего водообмена, называемым иногда коэффициентом емкости водохранилища и равным отношению объема его чаши к объему притока (или стока) воды за рассматриваемый интервал времени. В крупных водоемах, имеющих размеры в плане до нескольких десятков или нескольких сотен километров, транзитный поток обычно формирует циркуляции только в устьевой зоне или в непосредственной близости от истока реки. Материалы лабораторных экспериментов и натурных наблюдений подтверждают это обстоятельство.
В крупных водоемах затухающую транзитную струю обнаруживают на расстоянии 1-3 км, реже 4-5 км от входного створа [3, 144, 148].
В условиях совершенно свободного распространения турбулентной струи и при ограниченном расстоянии ее от берега она испытывает волновые колебательные движения и искривляется
в плане, нередко приобретая черты меандрирующего и постепенно расширяющегося по пути потока (рис. 2.10).
В зоне ослабления транзитного потока происходит увеличение шага меандр и даже отчленение некоторых из них. Из отчленившихся от транзитной струи меандр формируются циркуляции, вращающиеся навстречу струе. Такие циркуляции, имеющие поперечные размеры в несколько десятков километров, названы в океанологической литературе, как было отмечено выше, рингами.
