1.2. Масштабы динамических явлений

Практически в любом внутреннем водоеме наблюдаемые динамические явления можно разделить на группы или структурные уровни, характеризующиеся определенными физическими свойствами и имеющие присущие им временные и пространственные масштабы. Явления, имеющие существенно разные масштабы, могут формироваться и действовать самостоятельно или совместно с явлениями более высокого или более низкого структурного уровня.

Разделение динамических явлений по их масштабам или структурным уровням крайне необходимо при организации натурных наблюдений, обработке данных регистрации и выполнении расчетов с целью установления основных элементов не только самого явления, но и обусловленных им процессов. Для получения достоверной количественной характеристики, например, волнового явления с временным масштабом около 1 с, необходима непрерывная регистрация колебания уровня в течение нескольких десятков секунд. Если временной масштаб волнового явления составляет несколько часов, то его характеристики можно получить по данным регистрации в течение нескольких суток.

Физические закономерности, свойственные явлениям определенного масштаба, нельзя распространять на явления другого масштаба или другого структурного уровня. Процессы переноса и перемешивания вод в водоемах обычно обусловливаются или сопровождаются разномасштабными волновыми явлениями и разномасштабными вихревыми образованиями.

К наиболее специфичным относятся следующие виды волн: капиллярные, ветровые и зыбь, судовые, стоячие и внутренние.

Вихревые образования в водоемах не имеют столь четкого деления и названий, как волновые явления, но они близки по диапазону изменения масштабов.

Капиллярные волны возникают при внезапном воздействии ветра на водную поверхность и существуют непродолжительное

время; обычно имеют высоту порядка нескольких миллиметров. Предельная теоретическая длина этих волн достигает примерно 20 мм [165].

Ветровые волны обычно наблюдаются на поверхности внутренних водоемов большую часть безледоставного периода. Высота этих волн может изменяться от нескольких сантиметров до нескольких метров. Практическое значение имеют волны высотой более 0,2 м, длиной около 2 м и периодом около 1 с. Длина наибольших ветровых волн в крупных водоемах может достигать 30-40 м, а средний период обычно не превышает 5—6 с. В указанные диапазоны укладываются и размеры волн зыби.

Стоячие волны возникают практически в любом водоеме, а в некоторых водоемах наблюдаются почти постоянно. Их трудно обнаружить визуально, но на хронограммах уровня они отчетливо видны. Наибольшая высота стоячих волновых колебаний в водоемах нашей страны может достигать примерно 1 м [8, 208]. Период стоячих волн в небольших водоемах может меняться от нескольких минут до нескольких десятков минут, а в крупных водоемах — от нескольких часов до нескольких десятков часов.

Внутренние волны возникают на границе раздела слоев с различной плотностью, обычно имеют периоды, укладывающиеся в диапазон изменения периодов стоячих волн или несколько превышающие этот диапазон [104, 202].

Масштабы вихревых образований, возникающих в водоемах в условиях переноса вод, могут изменяться в конкретном водоеме примерно в таких же пределах, как и масштабы волновых явлений.

Наименьшие масштабы имеют вихри, которые возникают за мелкими выступами донной шероховатости, и те, через которые осуществляется рассеивание энергии потока путем перехода кинетической энергии движения в тепловую энергию.

Поперечные размеры наиболее крупных вихрей, из числа тех, которые определяют вертикальный турбулентный обмен в потоке, могут достигать размеров глубины потока. Продольные размеры таких вихрей могут превышать глубину в несколько раз.

Наибольшие вихревые образования с вертикальной осью и пространственные макроциркуляции, охватывающие весь водоем или отдельные его части, формируются ветровыми и сейшевыми течениями. Плановые размеры таких вихрей и макроциркуляций зависят от размера водоема или его части, охваченной ветром. Их временные масштабы могут изменяться от нескольких минут или десятков минут в малых водоемах до нескольких десятков часов в крупных водоемах.

Оценку временных и пространственных масштабов динамических явлений конкретного водоема можно получить на основании литературных источников по специальным таблицам или графикам [68, 202], по аналогии с изученными водоемами или путем расчетов с использованием приведенных ниже зависимостей.