= ФИЗИКА МОРЯ =
УДК 551.466.4
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛОКАЛЬНОГО ОТРАЖЕНИЯ ДЛИННЫХ ВОЛН ОТ ПОДВОДНОГО СКЛОНА
© 2015 г. Я. В. Сапрыкина1, С. Ю. Кузнецов1, А. Н. Коваленко2
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: saprykina@ocean.ru, kuznetsov@ocean.ru 2Филиал Открытого акционерного общества, Научно-исследовательский институт транспортного строительства, научно-исследовательский центр "Морские берега", Сочи
e-mail: andrey.covalenko2012@yandex.ru Поступила в редакцию 26.11.2013 г., после доработки 24.10.2014 г.
На основе данных лабораторного эксперимента, проведенного в масштабе 1 : 20 к натурным условиям, исследованы закономерности локального отражения длинных волн от подводного склона разного уклона. Показано, что коэффициент локального отражения волн уменьшается с увеличением расстояния от берега. Диссипация энергии волн существенно уменьшает локальный коэффициент отражения волн как вблизи уреза, так и в самой мористой точке подводного склона. Это приводит к существованию выделенного максимума локального коэффициента отражения на некотором расстоянии от берега на границе зоны обрушения. Наличие особенностей рельефа дна в виде подводного бара или траншеи также может существенно изменять локальный коэффициент отражения и влиять на его значения в мористой части подводного склона.
DOI: 10.7868/S003015741502015X
ВВЕДЕНИЕ
Волны, распространяясь к берегу, могут отражаться не только от различных инженерных берегозащитных конструкций и особенностей подводного рельефа дна, но и непосредственно от наклонного дна береговой зоны. Значительное отражение волн от подводного склона может существенно изменять направление и величину транспорта наносов. Это особенно важно учитывать в случае, если существуют выделенные области отражения волн, вызванные, например, особенностями подводного склона или неоднородностями рельефа дна.
Отражение волн, как правило, характеризуется коэффициентом отражения, или отношением амплитуды отраженной волны к амплитуде падающей волны. Исторически изучение отражения волн было вызвано необходимостью расчета различного рода берегозащитных конструкций. Например, в случае жесткой вертикальной стенки берегозащитной структуры отражение может быть полным, т.е. практически вся энергия падающих волн отражается обратно в море, и коэффициент отражения равен единице. Для проницаемых структур или наклонных стенок берегозащитных конструкций происходит частичное отражение, и коэффициент отражения меньше единицы [20]. В большинстве задач о распространении волн в береговой зоне отражением волн от подводного склона береговой зоны пренебрегают, считая его менее 10% [9], и для очень пологого склона даже полагают его равным нулю [3].
Известно, что волны малой крутизны отражаются от подводного склона сильнее, чем более крутые волны, что связывается с процессом обрушения крутых волн и, соответственно, диссипацией их энергии. Также установлено, что чем более пологое дно, тем меньше оно отражает волны. В целом коэффициент отражения уменьшается с увеличением частоты и высоты волн (например, [2, 14]). Теоретический анализ отражения длинных волн от глубоководных склонов разной формы, проведенный в [1], показал, что отражение от подводного склона может носить распределенный характер.
Для определения коэффициента отражения используются многочисленные эмпирические формулы [2, 8, 11]. Это связано с тем, что теоретически формулы для коэффициента отражения получаются для стоячих отраженных волн без учета потерь энергии волн при их трансформации [2, 19]. Учет потерь энергии на трение, обрушение, а также учет частичного отражения достигается добавлением различных эмпирических коэффициентов или критериев. Например, существует критерий, основанный на некоторой критической крутизне волны для данного уклона, для которой происходит обрушение и диссипация энергии, и, соответственно, частичное отражение, а для волн с крутизной меньшей критической — полное отражение. В виде эмпирических коэффициентов и функций вводятся различного рода параметры
шероховатости, учитывающие потери энергии волн на трение.
Следует также отметить, что получаемые по этим многочисленным эмпирическим формулам значения коэффициента отражения волн от подводного склона рассчитываются либо на расстоянии нескольких длин волн от берега, т.е. на достаточном удалении от него, либо расчет производится только в одной точке — у подножия подводного склона волногасящей конструкции, погонная длина которого, как правило, существенно меньше длины подходящих волн [20]. В то же время, реальные волны зыби и свободные инфрагравитационные волны (далее ИГВ), возникающие в результате обрушения ветровых волн, имеют длины порядка сотен метров, что сравнимо с размерами той части береговой зоны, где происходят наиболее интенсивные процессы взаимодействия волн с дном, что является важным для оценки морфодинамических изменений в этой области. Например, в работе [18] по данным натурных наблюдений показано, что коэффициент отражения ИГВ может существенно изменяться (как возрастать, так и убывать) на расстояниях порядка 500 м от берега. В пределах этих же расстояний от берега часто находятся подводные волногасящие и берегозащитные сооружения, а также акватории различных гаваней. Поэтому детальное описание процесса отражения длинных волн от подводного склона важно с точки зрения инженерного строительства в береговой зоне. Учет правильного отражения волн от подводного склона также крайне важен для моделирования и мониторинга волнения в береговой зоне, поскольку это дает более качественное представление о его пространственной изменчивости [6].
Между тем, на сегодняшний день такое детальное описание отражения волн отсутствует. Неясно, как меняется локальный коэффициент отражения длинных волн от берега на масштабах их длины. Для каких расстояний от берега и для каких уклонов дна можно считать, что отражение длинных волн полное или пренебрежительно мало? Есть ли выделенные точки отражения волн от подводного склона или локальное отражение носит распределенный характер? Локальное отражение волн над подводным склоном практически не изучалось в натурных экспериментах. Многочисленные лабораторные эксперименты в основном касаются исследований отражающей способности подводного склона масштабных моделей различного рода гидротехнических сооружений, когда коэффициент отражения измеряется в одной точке перед конструкцией (например, [15, 20]). Эксперименты, связанные с изучением отражательной способности самого подводного склона крайне малочисленны. Среди таких работ последних лет следует отметить уникальные ла-
бораторные эксперименты по изучению отражения ИГВ при трансформации волн над наклонным дном [5, 8]. В результате этих экспериментов было установлено, что инфрагравитационные волны также могут быть подвержены процессу диссипации их энергии, как и обычные волны, вследствие чего их коэффициент отражения от подводного склона может уменьшаться, тогда как в более ранних исследованиях считалось, что ИГВ практически полностью отражаются от берега [11].
Цель данной экспериментальной работы — детальное исследование особенностей локального отражения длинных волн от подводного склона, в частности, от береговой линии, и особенностей рельефа дна на этом склоне, происходящего на масштабах порядка длины волны.
ЛАБОРАТОРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Лабораторный эксперимент проводился в гидравлическом лотке НИЦ "Морские берега", г. Сочи, в июле 2013 г. Длина лотка — 22 метра, глубина — 1 м. Для синхронной регистрации волнения, в зависимости от конфигурации профиля дна и уровня воды, использовались от 11 до 14 цифровых емкостных датчиков. Изучалось отражение псевдомонохроматических волн от подводного склона разного угла наклона при их распространении как над ровным наклонным профилем дна, так и над рельефом дна с подводными особенностями в виде проницаемого бара и подводной траншеи. Всего за время эксперимента было промоделировано 19 режимов волнения, соответствующих распространению длинных волн. Описание параметров используемых для анализа серий модельных данных приведено в таблице. Пример наклонного профиля дна и схемы расстановки датчиков приведены на рис. 1.
Проведенный ранее, тщательно спланированный лабораторный эксперимент показал, что процессы отражения волн от подводного склона происходят подобно при экспериментах с короткими и длинными волнами в гидравлических лотках разной длины [19]. То есть для описания процессов отражения применимо физическое моделирование, позволяющее изучать явление на масштабной (подобной) уменьшенной модели подводного склона. В работе [10] экспериментально показано, что эволюция свободных ин-фрагравитационных волн при их распространении над ровным наклонным дном происходит подобно эволюции аналогичных монохроматических волн, включая проявления нелинейных процессов и обрушения. Это дает нам основания экспериментального исследования отражения длинных волн, включая ИГВ, на примере отражения монохроматических волн путем физического моделирования.
Параметры анализируемых экспериментальных волн и условия экспериментов
№ записи К Т, с ^=ъ!^ / V -Чп Нп - начальная высота, Ьп - начальная длина волн Положение точки обрушения, в метрах от волнопродуктора
28 0.043 6.25 0.8 9.97
29 0.043 - 0.72 9.17
30 0.043 - 0.62 8.8
31 0.043 - 0.52 8.37
38 0.022 5.9 0.32 9.97
39 0.022 - 0.28 9.17
40 0.022 - 0.26 8.37
41 0.022 - 0.23 7.67
42 0.022 5.2 0.22 7.67
43 0.022 5.2 0.22 12.27
65 0.022 3.1 0.132 9.17
66 0.022 - 0.14 Без обрушения на склоне
67 0.022, траншея - 0.14 -
68 - - 0.132 10.77
78 - 4.1 0.24 Без обрушения на склоне
79 - - 0.19 10.77
В1 0.022, бар 4.3 0.25 Без обрушения на склоне
В18 - 4.3 0.19 -
Для проведения физического моделирования, согласно теории подобия, при изучении волнового воздействия на гидравлическую модель следует соблюдать геометрическое подобие модели натурному объекту, подобие волнового режима, подобие поверхностных и объемных сил. Такое подобие обеспечивается равенством определяющих
критериев по числам Фруда и Рейн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.