6.3.2. Распределение скорости вдольберегового течения

Скорость вдольберегового течения при установившемся волнении, как правило, изменяется по ширине береговой отмели. Это вызвано неравномерностью распределения волновой энергии, идущей на образование течений, и неравномерностью гидродинамического сопротивления дна. Однако при равенстве определяющих факторов, таких, как рельеф дна, глубина, ширина отмели, элементы волн и направление подхода волн к берегу, в распределении скорости на береговой отмели обнаруживаются общие черты. Это обстоятельство и необходимость разработки расчетных методов побуждают исследователей к выявлению типичных черт распределения скорости вдольберегового течения. В работе [168] на «сновании анализа материалов измерения течений на узких (до 25 м) отмелях Кайраккумского водохранилища выделено четыре

основных типа распределения скорости. Е. И. Сафронова , используя преимущественно данные лабораторных исследований, пришла к выводу о существовании только одного типа распределения поверхностной скорости вдольберегового течения, которое представлено в виде

где — скорость течения в зоне разрушения волн на расстоянии от верхней границы наката; скорость течения в любой точке на расстоянии от той же границы.

Весьма оригинальное решение задачи распределения скорости вдольберегового течения по ширине береговой отмели получил Лонге-Хиггинс [241]. В его расчетном методе скорость вдольберегового течения в условиях разрушения волн на береговой отмели представляется в функции нормального напряжения потока и горизонтальной турбулентной вязкости выражаемых в виде:

где — постоянная величина, равная около 0,01; — плотность воды; градиент местной глубины близкий к уклону дна береговой отмели; -местная скорость волн на мелкой воде; а — местный угол подхода волн к берегу; глубина; ускорение свободного падения; - безразмерная постоянная величина, изменяющаяся в пределах

Общая связь скорости течения с определяющими факторами представляется в виде

где переменные величины представлены в безразмерном виде: скорость вдольберегового течения и относительное значение горизонтального перемешивания выражены в виде:

где

На основании решения уравнения (6.8) с указанными параметрами и некоторыми дополнительными условиями получено распределение относительной скорости вдольберегового течения при различных значениях параметра перемешивания (рис. 6.7). На рисунке видно, что в условиях, когда параметр значителен, скорость вдольберегового течения мала, а ее максимум

расколагается в приурезовой зоне. В условиях, когда местоположение максимума скорости приближается к вертикали, где . В условиях, когда величины стремятся к нулю, а

Результаты рассмотренного теоретического решения довольно удовлетворительно согласуются с данными лабораторных экспериментов [234], но только при и 0,4.

Рис. 6.7. Теоретические кривые распределения скорости течения на береговой отмелн при различных значениях параметра (по методу Лонге-Хнггинса [241]).

О согласовании теоретического распределения скорости с натурными данными определенный вывод сделать затруднительно, поскольку полученные результаты характеризуются разными параметрами.

Данные натурных измерений течений, полученные на отмелях Каховского и Кременчугского водохранилищ, на озерах Большом Яровом и Ладожском, а также на Азовском море, подтвердили вывод о многообразии распределения скорости течения и позволили уточнить представления по этому вопросу.

Наиболее простое распределение скорости вдольберегового течения наблюдается на пологих отмелях в условиях постепенной трансформации волн, а наиболее сложное — на береговых отмелях с одиночными подводными валами и крупными грядами при выраженной неравномерности трансформации волн.

Путем анализа 223 эпюр скорости, полученных по измерениям на береговых отмелях перечисленных выше водоемов, в работе

[144] выделено четыре основных типа распределения скорости вдольберегового течения (рис. 6.8).

Тип I характеризуется отчетливо выраженным максимумом скорости, приуроченным к приурезовой зоне. Распределение скорости течения по этому типу наблюдается в случаях, когда глубина на отмели превышает высоту наибольших волн и они, незначительно. трансформируясь, достигают уреза и разбиваются возле него, передавая постепенно вдольбереговому течению некоторую часть своей энергии.

Рис. 6.8. Основные типы распределения относительной поверхностной скорости вдольберегового течения на береговых отмелях с различной формой профиля дна. расстояние от уреза до точки измерений, В — ширина отмелн.

Максимальная скорость течения в зоне разбивания волн при этом превышает осредненную скорость в 2— 4 раза, а в некоторых случаях — даже в 5—7 раз. К типу I отнесено эпюр скорости, полученных преимущественно на береговых отмелях Каховского и Кременчугского водохранилищ (табл. 6.4).

Тип II характеризуется наличием одной, отчетливо выраженной зоны повышенной скорости, располагающейся в центральной или прибровочной части береговой отмели и совмещающейся с зоной разбивания наибольших и средних по высоте ветровых волн. Чаще всего распределение скорости течения по этому типу наблюдается на узких береговых отмелях и отмелях средней ширины в условиях, когда глубина над бровкой береговой отмели незначительно

Таблица 6.4 (см. скан) Число случаев распределения скорости вдольберегового течения на береговых отмелях разных водоемов

превышает или примерно равна высоте наибольших штормовых волн.

Максимальная скорость течения, как и в типе I, обычно превышает среднюю скорость в 2—4 раза, что является свидетельством основного вклада волновой энергии в процессы возникновения и поддержания вдольберегового течения на береговой отмели. К типу II отнесено эпюр скорости.

Тип III (см. рис. 6.8) характеризуется наличием на береговой отмели двух зон с повышенной скоростью течения, одна из которых располагается вблизи уреза, а вторая — в центральной части или у бровки отмели. Такое распределение наблюдается при несоответствии профиля береговой отмели обычному ходу процесса трансформации и разбивания волн или при одновременном разбивании волн двух заметно различающихся систем. Максимальная скорость в приурезовой зоне превышает среднюю скорость в раза, а в центральной части береговой отмели — в раза. К типу III отнесено эпюр скорости из числа рассмотренных (табл. 6.4).

Тип IV — скорость течения практически не меняется в пределах береговой отмели. Этот тип распределения скорости чаще

всего наблюдается на пологих широких отмелях при плавной трансформации волн, а на других отмелях — при существенном вкладе ветра в процессы формирования вдольберегового течения. Подобный характер распределения скорости наблюдается и на пологих береговых отмелях с большим числом (5-9) подводных валов. К типу IV отнесено 36,8 % эпюр скорости (табл. 6.4).

Менее 5 % эпюр скорости не удалось отнести ни к одному из рассмотренных типов. В их число вошли эпюры с тремя-четырьмя зонами повышенной скорости, а также эпюры с резким изменением скорости в какой-либо части береговой отмели.

Рассмотренные данные дают основание считать, что формирование вдольберегового течения в освещенных наблюдениями условиях происходило под действием преимущественно волновых процессов, в связи с чем зона размещения максимума скорости течения совмещалась с зоной наибольшего расходования волновой энергии. К таким условиям относятся типы I—III.

На формирование распределения скорости вдольберегового течения по типу IV, наряду с плавным расходованием волновой энергии, заметное влияние оказывали процессы непосредственного воздействия ветра на водную поверхность. По этой причине происходило сглаживание эпюр скорости течения, а абсолютные значения скорости заметно увеличились при вдольбереговых ветрах по сравнению со значениями, которые могли быть обусловлены только составляющей волновой энергии.

Наиболее значительное увеличение скорости течения за счет влияния ветра наблюдалось на озерах Ладожском и Большом Яровом, а также на Азовском море. Из этого следует, что для расчета скорости вдольберегового течения на пологих береговых отмелях большой ширины (более 80-100 м), наряду с составляющей волновой энергии, необходимо учитывать непосредственное воздействие ветра на водную поверхность. Для расчета скорости вдольбереговых течений на узких отмелях (до 80-100 м) достаточно учитывать волновую составляющую энергии, так как влияние ветра и градиентов уровня проявляется на них слабо.