Глава 3. КИНЕМАТИКА ВЕТРОВЫХ И СУММАРНЫХ ТЕЧЕНИЙ

3.1. Совершенствование представлений о кинематике течений

Всего несколько десятилетий назад данные даже единичных измерений течений, выполненных, например, прибором ВММ [63] с борта судна, рассматривались как достоверные характеристики переноса вод в водоеме. Нередко данные одиночных измерений использовались для составления схем течений водоема или его участка. Такие схемы течений считались вполне надежными и приемлемыми как для решений практических задач, так и для апробации методов расчета течений. Новые данные наблюдений, особенно те, которые получены с помощью самописцев течений длительного действия и авиасъемок огромных акваторий, показали, что перенос вод во внутренних водоемах, как и в морях, осуществляется путем взаимодействия сложной совокупности различных по пространственным масштабам, интенсивности действия и периодам вихреобразных и волнообразных формирований, накладывающихся на относительно плавные перемещения вод, обусловленные синоптическими явлениями, изменениями режима притока-стока и другими плавно изменяющимися во времени и пространстве факторами. Разномасштабность течений, их большая изменчивость во времени и пространстве являются однимн из главных Причин, затрудняющих изучение природных процессов и препятствующих установлению функциональных причинно-следственных связей между характеристиками течений и определяющими их факторами.

Для устранения этих затруднений потребовалось длительное совершенствование методики измерений и измерительных устройств, методики обработки и обобщения материалов, выполнение целенаправленных лабораторных исследований и разработка теоретических моделей явления. В решениях проблемы изучения динамических явлений во внутренних водоемах, как и в морях, важное место занимало выяснение механизма переноса и перемешивания вод, установление кинематических характеристик течения разных видов, причем как на стадии их развития, так и в квазиустановившемся состоянии.

Первые исследования кинематики ветровых течений Каспийского моря с использованием морских вертушек была выполнены В. Б. Штокманом в 1935-1936 гг. [223, 225], а первые исследования течений с использованием электронной аппаратуры —

А. Г. Колесниковым, Н. А. Пантелеевым и другими в 1957 i. [87].

Одновременно с исследованиями течения в натурных условиях начали проводиться лабораторные исследования течений [37, 55, 132]. При исследованиях внутренних водоемов много внимания уделялось изучению изменения вязкости жидкости в горизонтальной плоскости (горизонтальная вязкость) [5, 63, 135]. В последние десятилетия диапазон исследований течений существенно расширился и охватил все важнейшие стороны этого явления.

К настоящему времени удалось существенно расширить представления о физической сущности и механизме переноса вод, получить важные количественные и режимные характеристики течений. Наряду с этим, обнаружены такие процессы, которые должны быть исследованы и обязательно учитываться как при хозяйственном использовании водоемов, так и при научных разработках новых математических моделей динамических явлений. К числу таких процессов по-прежнему относится изменчивость скоростей и направлений течений во времени и по акватории водоема.

Большинство исследователей в настоящее время считают, что турбулентное движение поддерживается средним потоком и изменяется вместе с ним и что пульсации скорости примерно на порядок меньше осредненной скорости потока [130, 210]. Другая группа исследователей допускает, например, возможность переноса энергии от вихрей к среднему потоку [124, 147] и возможность появления в потоке пульсаций скорости, близких к осредненной скорости [10, 205]. Турбулентная вязкость считается зависящей от размеров и интенсивности движений в потоке пространственных структурных образований, в связи с чем различают вертикальную и горизонтальную вязкость.

Вертикальная турбулентная вязкость, которая характеризует пульсационный перенос масс жидкости вихрями в вертикальном направлении, порождается, по мнению исследователей [67, 78], в основном ветровыми волнами и ветровыми течениями, зависящими в свою очередь от скорости ветра и глубины, а в условиях глубоководных водоемов также и от степени стратификации вод.

Горизонтальная турбулентная вязкость, характеризующая пульсационный перенос жидкости вихрями в горизонтальном направлении, зависит от макро- и мезомасштабных структурных образований, а иногда определяется циркуляциями, охватывающими весь водоем или его отдельные части [127, 135].

Идея практического использования сведений о турбулентной вязкости была высказана Экманом еще в 1905 г. [10]. В настоящее время сведения о кинематике и турбулентной вязкости течений широко используют при решении таких инженерных задач, как разбавление загрязняющих водоемы веществ, взмучивание и перенос взвешенных наносов, распределение температуры и плотности воды.

Для обеспечения возможности быстрейшего получения новых сведений о кинематике течений в водоемах необходимо

достижение единства методики измерений течений и единства способов обработки материалов измерений. Первый из этих вопросов решается путем внедрения в практику единой системы метрологического обеспечения измерительных средств [230], а второй — путем применения при обработке материалов методов теории вероятности и математической статистики [13, 63]. В настоящей главе упомянутые вопросы детально не рассматриваются, дается лишь краткое описание методической части экспериментальных исследований, а основное внимание сосредоточено на полученных результатах. Подробно ознакомиться с методикой исследований течений можно по литературным источникам специального назначения [13, 230].