Ветровые волны являются гравитационными, так как ветер – это та сила, которая при воздействии на водную поверхность выводит жидкость из состояния равновесия, а сила тяжести заставляет ее возвращаться в исходное состояние. Благодаря инерции движение осуществляется в виде последовательных колебаний частиц воды, которые при достаточно большой глубине движутся по круговым орбитам и сообщают нижележащим слоям такое же движение, ослабляющееся по мере удаления от поверхности воды. Из этого следует, что волнения быстро затухают с глубиной. Если глубина водоема ограничена, то трение о дно оказывает влияние на форму орбит: с глубиной они, уменьшаясь в абсолютных значениях становятся все более вытянутыми и принимают форму эллипса, а в природном слое частицы двигаются лишь в горизонтальном направлении. Видимая часть волны перемещается в пространстве в виде поступательного движения волн. По внешнему виду формы волны волнение подразделяется на двухмерное и трехмерное. Как правило, двухмерное волнение встречается на открытых акваториях морей и океанов после окончания действия ветра. На внутренних водоемах почти не встречаются ветровые волны правильной формы, так как воздействие даже постоянного по направлению и скорости ветра осуществляется в форме неодинаковых импульсов, передаваемых водной массе. Изменчивость ветра по направлению может вызывать присутствие в водоеме одновременно нескольких систем волн, при наложении которых друг на друга создается сложная картина трехмерного ветрового волнения, гребни волн, которого не создают правильной линии фронта, а располагаются в условном шахматном порядке. Форма и размер волн определяются их элементами. Для наглядности рассмотрим волновые колебания в фиксированной точке водоема при прохождении через нее волн, а также волновой профиль – сечение взволнованной поверхности в фиксированный момент времени вертикальной плоскостью в главном направлении распространения волн . (См. рисунок 2.1)

Рисунок 2.1 Профиль и элементы волн

По степени развития ветрового волнения различают нарастающие, установившиеся и затухающие волнения. Характерным признаком нарастающего волнения является то, что размеры волн еще не достигли тех величин, которые они должны иметь при длительном действии ветра данного направления и скорости. Установившееся волнение характеризуется тем, что рост волн прекращается, не смотря на дальнейшее увеличение скорости ветра. Ученые предполагают, что это явление наступает при соотношении между скоростью распространения волн и ветра, равном 0.8, так как при этом величина передаваемой ветром энергии будет равна ее диссипации, помимо этого величина передаваемой ветром энергии будет уменьшаться, вследствие усиления поступательного движения волн. Затухающие волнение присутствует, когда происходит затухание ветра и водная масса еще не пришла в равновесие. Высоты волн при затухающем волнении, как правило ниже, чем при установившемся, и постепенно сходят на нет. Размеры ветровых волн зависят от ряда факторов, основными из которых являются: продолжительность действия ветра и скорость, длина разгона – расстояние от подветренного берега до расчетной точки, глубина водоема и очертание береговой линии. На внутренних водоемах влияние данных факторов проявляется иначе, чем на открытых акваториях морей и океанов, где основную роль в развитии волн играет ветер, скорость и направление которого меняются по акватории, так как разгоны достигают сотен и даже тысяч километров. И только вблизи береговой линии на мелководий глубины и очертания берегов влияют на волны. На внутренних водоемах, и их сравнительно небольшими размерами акваторий, направление и скорость ветра нередко можно считать постоянными по площади акватории и определять по данным наблюдений прибрежных метеорологических станций. Ограниченные размеры акваторий являются также причиной того, что на водохранилищах и озерах ветер в течение короткого времени развивает волнение до установившегося состояния, и волны достигают предельного развития уже через несколько часов после начала действия устойчивых по скорости ветров. При постоянном ветре статистические характеристики волнения не изменяются со временем. Четкие границы установившегося волнения точно не определены, и разные ученые оценивают его по разному. Главной особенностью ветрового волнения на внутренних водоемах является его практическая независимость от длительности действия ветра. Волнение и затухает достаточно быстро вслед за ветром, поэтому на внутренних водоемах практически не встречается зыби.

Все водоемы или их участки по условиям воздействия глубины на волнения делятся на глубоководные – с глубинами более половины длины волны (Н>), мелководные – с глубинами меньше половины длины волны и уклоном дна меньше 0.001 (Н≤,i≤0.001) и смешанные, в которых вдоль разгона имеют место как глубоководные, так и мелководные условия волнообразования, а уклоны дна принимают значения больше и меньше 0.001. Понятия «мелководные и глубоководные» водоемы достаточно относительны: одна и та же акватория может быть, как глубоководной так и мелководной в зависимости от параметров волнения. В большинстве случаев на водохранилищах из за сложного рельефа дна на пути разгона, глубина играет решающую роль в волнообразующих процессах. И расчет глубины подлежит тщательному учету при расчетах ветрового волнения. Количественное влияние глубины на формирование ветровой волны оценивается по разному: одни исследователи предлагают учитывать глубину в точке расчета, другие – среднюю глубину на профиле разгона, третьи – смену глубин по расчетному профилю от участка к участку (метод шагов). Значительную роль играют глубины в формировании волн в условиях водохранилищ и небольших озер. Она тесно связана с морфометрическими характеристиками особенностями водохранилищ, с режимом их эксплуатации, с уровневым режимом. К примеру на Рыбинском водохранилище, представляющем собой затопленное междуречье с глубинами 7-9 м, учет глубины совершенно необходим, так как в случае навигационной сработки водохранилища на 2 м (не заполнения водохранилища до нормального подпорного уровня – НПУ) глубина может существенно ограничивать рост волн на всей акватории. Обратная ситуация на водохранилищах с высоконапорными плотинами (Братское, Красноярское) глубина практически не оказывает влияния на формирование волн, так как при глубинах от 20 до 100 м у плотины эти водоемы могут быть отнесены к глубоководным. Для «смешанных водоемов» (Куйбышевское, Цимлянское водохранилища) характерно более значительное влияние глубины на высоту волны на верхних участках, чем в приплотинной части, близкой по условиям к глубокой воде. Ограничивающее влияние глубины на верхних участках особенно заметно в условиях летней сработки водохранилищ сезонного и многолетнего регулирования. А также при не заполнении водохранилищ многолетнего регулирования до НПУ. На значительных равнинных водохранилищах при колебаниях уровней в без ледовый период 2-3 м значительно изменяется площадь акватории, разгон волн и глубина. В связи с этим в расчетах ветрового волнения необходимо учитывать колебания уровня в без ледовый период. Воздействие глубины на ветровое волнение на замкнутых внутренних водоемах также выражается и в ограничении развития высот волн, когда по условиям разгона и скорости ветра волны могли бы расти. В таких случаях следует говорить о действующем или предельном разгоне при данных ветровых условиях, последующее увеличение которого уже не влечет за собой развития волнения. При максимальной для внутренних водоемов скоростях ветра (20 – 25 м/с) величина действующего разгона составляет около 100 км. Прибрежная полоса как мелководных, так и глубоководных водоемов делиться на четыре зоны, в пределах которых условия волнообразования и характер волнения имеет свои специфические особенности.

При рассмотрении этих зон приняты следующие обозначения: Нкр – глубина, на которой разбиваются волны данной высоты (Нкр=2h),

λ – средняя длина волны на глубокой воде, h – средняя высота волн, которая могла бы наблюдаться на глубокой воде, h 1 – средняя высота волн, которая могла бы наблюдаться в любой точке второй зоны при условии, что Н – глубина воды на границе между первой и второй зонами (переход от уклона i≤0.001 к уклонам i>0.001).

Первая зона – глубоководная (если водоем глубоководный) или мелководная (если водоем мелководный).

Вторая зона – зона трансформации волн, распространяющихся из первой зоны к берегу в направлении уменьшения глубин. В глубоководных водоемах к ней относиться прибрежная полоса воды с глубинами Н кр 0.001, а в мелководных – прибрежная полоса воды с глубинами Н>H кр, и уклонами i>0.001, Hкр=2h 1.

Третья зона – зона прибоя, с глубинами H обр

Четвертая зона – зона наката, приурезовая, на границе которой при Н обр =0.65 Н кр происходит окончательное разрушение всех волн и образование наката – прибойного потока воды на берег.

На внутренних водоёмах со сложным рельефом дна по условиям волнообразования вторая и третья зоны могут занимать не только прибрежную полосу, но и располагаться на удаленных от берега мелководных участках водоема. Важными факторами определяющими ветровое волнение на внутренних водоемах, является их конфигурация, изрезанность береговой линии и наличие на пути разгона препятствий (мысов, островов). Таким образом, из за ряда перечисленных особенностей волнообразования ветровое волнение на внутренних водоемах является сложным, трехмерным, а в силу ограниченной глубины крутизна волн значительно больше, чем у морских. В связи с этим теоретические методы расчетов элементов волн, разработанные для морских условий, оказываются непригодными для внутренних водоемов. В настоящее время широкое развитие получили эмпирические методы расчетов элементов волн, а также полуэмпирические, основанные на использовании уравнения баланса волновой энергии с привлечением эмпирических коэффициентов. Наиболее перспективны спектральные метод расчетов элементов ветровых волн.

Основной причиной возникновения волн на поверхности воды является воздействие ветра на водную поверхность. Волны возникают также от движения судов, а на водохранилищах и от пропусков через плотины.

Волны и волновые движения в океанах характеризуются чрезвычайно широким диапазоном длин волн, т. е. расстояний от гребня до гребня, и периодов, т. е. интервалов времени, необходимых для прохождения двух последовательных гребней мимо наблюдателя. Самые малые -- капиллярные поверхностные волны, имеющие длины в несколько сантиметров и периоды в доли секунды. Самые длинные волны -- приливные, расстояние между их гребнями достигает половины окружности Земли, т. е. около 20 тыс. км. Но период приливных волн не самый большой. Длинным периодом отличаются медленные внутренние волны, которым требуются месяцы, чтобы пересечь океан.

По силам, вызывающим волновое движение, т. е. по происхождению, можно выделить в океане (море) следующие типы волн:

• * ветровые - вызванные ветром и находящиеся под его воздействием;
• * приливные - возникающие под действием периодических сил притяжения Луны и Солнца;
• * анемобарические - связанные с отклонением поверхности океана от положения равновесия под действием ветра и атмосферного давления;
• * сейсмические (цунами) - возникающие в результате динамических процессов, протекающих в земной коре и, в первую очередь, подводных землетрясений, а также извержений вулканов, как подводных, так и прибрежных;
• * корабельные - создающиеся при движении корабля.

Основные элементы волны.

• Ш Средняя волновая линия - горизонтальная линия, пересекающая волновой профиль так, что суммарные площади выше и ниже этой линии равны.
• Ш Гребень - часть волны, располагающаяся выше средней волновой линии.
• Ш Вершина волны - самая высокая точка гребня.
• Ш Впадина (ложбина) - часть волны, располагающаяся между двумя соседними гребнями ниже средней волновой линии.
• Ш Подошва волны - самая низкая точка впадины.
• Ш Фронт волны - линия вершин гребней в плане.
• Ш Главное направления распространения волны - направление перпендикулярное фронту волны.
• Ш Высота волны - превышение вершины волны над подошвой.
• Ш Длина волны - расстояние между соседними вершинами или подошвами.
• Ш Система волнения - ряд последовательных волн, развивающихся в определенных условиях.
• Ш Крутизна волны - отношение высоты волны к длине.
• Ш Период волны - промежуток времени, в течение которого частицы совершают полный оборот по всем орбитам, или промежуток времени между прохождением вершин двух соседних волн через фиксированную точку водоема.
• Ш Скорость волны - скорость перемещения гребня волны в главном направлении ее движения.
• Ш Возраст волны - отношение скорости волны к скорости ветра.

Ветровые волны.

Воздействуя на поверхность воды, ветер, благодаря трению о воду, создает касательные напряжения и влекущие усилия, а также вызывает местные колебания давления воздуха. В результате на поверхности воды даже при ветре со скоростью 1 м/с, образуются маленькие волны, имеющие высоту, измеряемую в миллиметрах, и длину - в сантиметрах. Эти едва зародившиеся волны имеют вид ряби. Так как существование таких волн связано с поверхностным натяжением, их называют капиллярными. Стоя ранним утром на высоком берегу над спокойным озером, мы можем видеть, как первый слабый ветерок сменяет безветрие и на поверхности воды внезапно появляются и исчезают пятна легкой ряби, которые иногда называют «кошачьими лапками». Это и есть участки развития капиллярных волн с длиной волны всего лишь 2-5 см. Трение о воздух морщит водную гладь в череду мелких волн, а поверхностное натяжение воды все время стремится возвратить поверхности ее первоначальную гладкость, характеризующуюся минимальной энергией. Вот так и теряют капиллярные волны свою энергию движения, переходящую благодаря молекулярной вязкости воды непосредственно в тепло.

Рост волн приводит к их объединению в группы и удлинению до нескольких метров. Волны становятся гравитационными. Длина поверхностной волны увеличивается до 5 - 30 см, сила тяжести начинает оказывать все большее влияние на ее форму и движение, оставляя силе поверхностного натяжения важную роль только в круто искривленной части волн вблизи гребня. Имея период 1 с, эти волны распространяются очень медленно -- гораздо медленнее типичных поверхностных волн. Соответственно такие волны наблюдаются на склонах и гребнях более быстрых ветровых волн и зыби.

Ветровое волнение зависит от величины водного пространства, открытого для разгона волны, скорости ветра и времени действия его в одном направлении, а также глубины. С уменьшением глубины волна становится крутой. Слабый ветер, дующий длительное время на большом водном пространстве, может вызвать волнение более значительное, чем сильный кратковременный ветер на малой водной поверхности.

Ветровые волны несимметричны, наветренный склон их пологий, подветренный -- крутой. Так как ветер на верхнюю часть волны действует сильнее, чем на нижнюю, гребень волны рассыпается, образуя «барашки».

В ветровых волнах содержится больше энергии, чем в океанских волнах любого другого типа. Такая энергия, однако, распределяется по Мировому океану неравномерно. Возбудителем этих поверхностных волн служат ветры; поэтому можно ожидать, что волны с наибольшим запасом энергии возникают в тех же поясах, где дуют приповерхностные западные и восточные ветры.

Наиболее часто (практически всегда) на поверхности морей и океанов наблюдаются ветровые и приливные волны, при этом ветровые волны доставляют наибольшие неприятности мореплавателям: вызывают качку корабля, заливают палубу, уменьшают скорость хода, уклоняют его от заданного курса, могут наносить повреждения, а подчас вызывают гибель судна, разрушают берега и береговые сооружения.

Волны – это неотъемлемая часть морской жизни яхтсмена, именно поэтому матерые мореманы всегда уделяют данному вопросу достаточно много времени. А вот почему, узнаем далее.

Все очень просто: волны в значительной мере определяют тот самый уровень комфортности нахождения в море. Большие и быстрые волны способны создать опасную ситуацию для судна и пассажиров на его борту, а маленькие и относительно безобидные волны вы можете даже и не заметить.

В данной статье мы хотели бы уделить внимание именно ветровым волнам, то есть тем, которые образуются под действием ветровых потоков (бывают еще волны, возникающие из-за повышенной сейсмической активности – цунами, влияние луны – приливы, отливы). Любая волна начинается с мелкой ряби на поверхности воды, из которой постепенно развиваются гравитационные волны, увеличивая свою длину и высоту.

Структура волны:

Ветровая волна всегда состоит из переднего и заднего склона, основное отличие их друг от друга заключается в том, что передний склон – это фронт направления волны и он всегда более крутой, а задний – наветренный и пологий. Водная масса в волне двигается практически по круговой траектории. Когда сила ветра стихает волна преобразуется в зыбь. На практике чаще всего наблюдается смешанное волнение: зыбь и ветровые волны одновременно.

Основные характеристики волн:

- Высота волн

Чаще всего под определением высота волны подразумевают именно значительную высоту ее волнения. Что это означает? Значительная высота определяется, как третья часть от самой наивысшей волны. В реальности наивысших волн будет мало, большинство волн будет иметь высоту ниже.

Крутизна волн

Данная величина может быть выражена простой формулой: отношение высоты волны к половине ее длины. Соответственно, чем выше волна, тем она круче.

Скорость волн

Кроме высоты и крутизны волны опытных яхтсменов также интересует такая величина, как скорость волны. Рассчитать ее можно по формуле длина волны / период волны. Отсюда вывод – чем длиннее волна, тем больше ее скорость.

При продолжительном действии ветра на по­верхности воды развивается волнение, при котором частицы воды совершают сложное вращательно-поступательное движение. Вода при волнении производит на сооружение дополнительное давление (сверх гидростатического, отвечающего расчетному уровню), назы­ваемое волновым.

Вид волн и значение их параметров (высота h , период , длина волны, - рис. 2.6) зависят от волнообразующих факторов - ско­рости ветра W , продолжительности его действия t , глубины водое­ма H и длины разгона волны D .

Рис. 2.6 Параметры волны

Высоту волны определяют по са­мому невыгодному сочетанию скоростей ветра при расчетном штор­ме и длины разгона. Длина разгона равна расстоянию по прямой от берега до сооружения, а величину скорости ветра в этом направ­лении определяют по розе ветров (рис. 2.7).

Рис. 2.7 Роза ветров (а ) и длина разгона волны (б )

Волны, периоды и высота которых изменяются от одной волны к другой случайным образом, называют нерегулярными; если пе­риоды и высоты отдельных волн одинаковы, их классифицируют как регулярные.

Волновое поле водоема по длине разгона волны делится на зоны (рис. 2.8): I - глубоководную (), где практически дно не влияет на параметры волн;II - мелководную (), в которой по мере уменьшения глубины уменьшаются длина и ско­рость волн и увеличивается крутизна переднего и пологость зад­него склонов (при волны разрушаются и преобразуются в прибойные волны); III - зону прибойных волн, опрокидываю­щихся при движении (); IV - приурезовую, где волны окончательно раз­рушаются и затем накаты­ваются на берег.
Скорость ветра, опреде­ляемая на какой-либо высоте, приводится к высоте 10 м над уровнем воды. Обе­спеченность расчетного шторма для сооружений I и II класса - 2%, III и IV - 4%.

Из-за малой точности оп­ределения волнообразующих факторов, в частности ско­рости ветра, точность расче­та элементов волн невысока. Скорость ветра оценить с достаточной точностью по непосредственным наблюде­ниям не удается вследствие того, что только после созда­ния водохранилища склады­вается соответствующая ситуация, определяющая формирование потока воздуха при переходе с материка на водную поверхность. Получение расчетной высоты волны с точностью примерно 10% требует точности вводимой в расчет скорости ветра около 5%, что пока недостижимо. В результате приближенного определения высо­ты волны получается приближенное значение волновой нагрузки.

Система волн, образующихся при расчетном шторме, характери­зуется средними значениями и , для определения которых вы­числяют по заданным W , H и D безразмерные параметры , , и далее по номограмме рис. 2.9 (СНиП И-57-75) отыскиваются , , определяющие и .
Верхняя огибающая номограммы отвечает глубоководной зоне, для которой расчет и ведут по исходным параметрам и ; при отсутствии фактических данных принимается t = 6 ч.

Oпределив и , по наименьшим их величинам находят средние высоту волны и период .
Поле ниже огибающей кривой отвечает мелководной зоне с ук­лоном дна 0,001 и меньше. Расчет и ведут по параметрам

Рис. 2.8 Деление акватории на зоны по глубине:
I - глубоководная; II - мелководная; III - прибойная; IV - приурезовая; 1 – створ первого обрушения волн; 2 - последнего обрушения

Рис. 2.9 Графики для определения средних значений элементов ветровыхволн в глубоководной I и мелководной (при уклоне дна ) II зонах

и . При уклоне дна более 0,001 расчет высоты волны h производят [СНиП 11-57-75, прилож. I, п. 17] с учетом трансфор­мации волн. т. е. изменения параметров волн вследствие уменьше­ния глубины с учетом рефракции - искривления линии гребня волны при косом подходе волны - и с учетом потерь энергии.

Среднюю длину волны в глубоководной зоне определяют по фор­муле

(2.10)

Высоту волны р % обеспеченности в системе волн глубоководной зоны определяют умножением средней высоты волны на коэффи­циент который зависит от волнообразующих факторов и имеет величину, равную или несколько меньшую указанной ниже.

Величина критической глубины Н кр (глубина разрушения волн) зависит от многих одновременно действующих факторов. Можно принимать Н кр = (1,25-1,8)h i .

Высота волны отсчитывается от расчетного уровня, который при заданной отметке уровня воды в верхнем бьефе может изме­няться за счет ветрового нагона на величину

(2.11)

Где - угол между продольной осью водоема и направлением ветра.

Ветровые волны возникают под действием ветра, и их называют поступательными волнами. После прекращения действия ветра волны в силу инерции еще продолжаются, и такие волны получили название зыби (на рисунке ).

У волны различают высоту (h) - вертикальное расстояние между соседними гребнем и ложбиной; длину волны (λ) - горизонтальное расстояние между соседними гребнями или подошвами (ложбины ).

Рис. Профиль волны и ее элементы (Судольский, 1991):

1 - статический уровень, 2- средняя волновая линия, 3 - профиль волны, 4 - вершина волны, 5 - гребень волны, 6 - подошва волны, 7 - ложбина волны: λ - длина волны, λ г - длина гребня, λ л - длина ложбины, h- высота волны, h r - высота гребня, h n - заглубление подошвы

Крутизна волны (ϵ) определяется делением высоты волны (h) на ее длину (λ).

ϵ = h/λ

Период волны (Т) - время, в течение которого волна пробегает расстояние, равное ее длине. Возраст волны (В) - отношение скорости волны (с) к скорости ветра (W).

Скорость волны равна

с = λ/Т

Соотношения между элементами трохоидальной волны приведены в таблице ниже. Причем длина волны (λ), период волны (Т) и скорость волны (с) взаимозависимы, и их можно определить по формулам. Высота волны (h) не входит в указанные зависимости, и она определяется наблюдением или другими методами, например, по номограмме А. П. Браславского (1952).

Таблица. Соотношение между элементами трохоидальных волн

Для вычисления высоты и длины волны часто используют формулы В. Г Андриянова (1957):

h=0,0208 W 5/4 D 1/3 и λ = 0,304 W D 1/2

и H. А. Лабзовского (1976):

h= 0,073 W √E D и λ = 0,073 W √D/E,

где h и λ, - высота и длина волны, м; W - скорость ветра, м/с; D - длина разгона, км; Е - крутизна волны (h/λ).

h = 0,33 √L

и малых озерах (L<60 км):

h = 0,33 √L + 0,76 - 0,26 4 √L

Но в озерах с L менее 1 км формула дает не всегда реальный показатель высоты волны.

В формулах Е. А. Дьяковой и Н. Д. Шитова помимо длины разгона (D) и скорости ветра (W) учтена глубина водоема (Н, м):

h = 0,0186 W 0,71 D 0,24 H 0,54

h = 0,151 H 0,34 W D 0,33

λ = 0,104 H 0,57 W D 0,33

Для быстрой оценки элементов волн (высота, длина, период и скорость распространения) в зависимости от длины разгона и скорости ветра можно использовать таблицу Н. А. Лабзовского (1952).

Характеристики волнения и состояния водоемов оценивают по шкале степени ветрового волнения и шкале состояния поверхности озера и водохранилища под влиянием ветра (см. таблицу).

При критической глубине (Нкр ≥ h при попутном ветре) у берегов и лудах (мелях) происходит разрушение волн, которые называются у берегов прибоем , на лудах (мелях) - бурунами .

Вода придонных компенсационных течений на повышенных участках дна или в узких мелководных заливах поднимается вверх. Это выражается в аномально низких температурах по сравнению с температурами на соседних глубоких участках.