научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ СПЕКТРА ПОВЕРХНОСТНОГО ВОЛНЕНИЯ НА ДИНАМИКУ ДОННЫХ ОСАДКОВ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ СПЕКТРА ПОВЕРХНОСТНОГО ВОЛНЕНИЯ НА ДИНАМИКУ ДОННЫХ ОСАДКОВ»

= ФИЗИКА МОРЯ

УДК 551.35,551.46

ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ СПЕКТРА ПОВЕРХНОСТНОГО ВОЛНЕНИЯ НА ДИНАМИКУ ДОННЫХ ОСАДКОВ © 2014 г. Б. В. Дивинский1, Р. Д. Косьян1, И. Грюне2

1Южное отделение Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Геленджик, Россия e-mail: divin@coastdyn.ru, rkosyan@hotmail.com 2Прибрежный исследовательский центр, Ганновер, Германия

e-mail: gruene@fzk.uni-hannover.de Поступила в редакцию 08.11.2012 г., после доработки 22.02.2013 г.

Статья посвящена исследованию влияния формы спектра нерегулярного поверхностного волнения на закономерности взвешивания донного материала и образование донных микроформ рельефа (рифе-лей). Показано, что вертикальный профиль концентрации взвешенных частиц, а также возможная частичная деформация донных рифелей связаны с особенностями частотного распределения энергии в спектре волн (при неизменной энергетической составляющей процесса).

DOI: 10.7868/S0030157414020051

ВВЕДЕНИЕ

Степень влияния поверхностного ветрового волнения на донные отложения зависит от множества факторов и определяется как параметрами волнового поля (интенсивностью, спектральной структурой, продолжительностью действия), так и механическими характеристиками грунта (гранулометрическим составом). В зависимости от внешних условий, дно может формироваться относительно плоским или с образованием микроформ рельефа (рифелей). В дополнение к этому возможен режим транспорта донных осадков высокой концентрации в тонком приповерхностном слое толщиной, как правило, в несколько сантиметров (sheetflow в англоязычной литературе). Состояние дна преимущественно определяет закономерности взвешивания и транспорта донных осадков.

Сложность и многофакторность процессов, проистекающих во взаимосвязанной системе вода — размываемое дно, требует корректного задания исходного волнового поля. Несколько упрощенный подход предполагает представление поверхностного волнения в форме регулярных, бихроматических волн или с развитой групповой структурой. Менее изучена природа воздействия на дно реального нерегулярного волнения. В случае нерегулярного волнения его характеристиками выступают, как правило, значительная высота волн и период пика спектра [6]. Влияние частотного распределения волновой энергии в спектре поверхностных волн на транспорт донных осадков практически не исследовалось. В работе [5] впервые был поставлен вопрос о возможности такого влияния. Некоторые предварительные результаты исследований изложены в работе [7].

Основной целью предлагаемой работы является выявление отличий в реакции размываемого дна на внешнее возмущение, представленное нерегулярным поверхностным волнением с постоянными интегральными характеристиками (значительная высота волн и период пика спектра) и переменным частотным распределением энергии волн. В целом, массовое перемещение наносов и динамику рельефа прибрежной зоны следует изучать непосредственно в природных условиях. Тем не менее, анализ деталей и частностей процесса возможен в рамках крупномасштабного лабораторного эксперимента, результаты которого применимы к натурным условиям [3].

Исходными материалами настоящего исследования служат данные комплексного эксперимента, проведенного в 2008 г. совместными усилиями российских и германских ученых в Большом волновом канале Прибрежного исследовательского центра Университета г. Ганновера, Германия.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Большой волновой канал в Ганновере, Германия, является крупнейшим в Европе и позволяет ставить масштабные научные эксперименты для исследований динамических процессов береговой зоны моря. Размеры лотка: длина — 307 м, ширина — 5 м, общая глубина — 7 м. Программно управляемый волнопродуктор генерирует поверхностное волнение с заданными статистическими и спектральными свойствами, в том числе: регулярное волнение с максимальными высотами волн до 2 м и периодом до 10 с (при глубине 5 м);

нерегулярное волнение со значительными высотами волн до 1.4 м и периодами пика спектра до 8 с;

2

149

одиночные волны (в составе волновых пакетов).

Здесь

В условиях рассматриваемого эксперимента дно представляло собой слой песка толщиной 0.82 м. Измерительная аппаратура располагалась на расстоянии 111.45 м от волнопродуктора, начальная глубина при этом составила 3.18 м [5].

В ходе эксперимента был задействован целый ряд регистрирующей аппаратуры (оптические и акустические регистраторы взвешенных частиц, электромагнитные и акустические датчики скорости потока, измерители возвышений свободной поверхности и др.). В настоящем исследовании использованы данные датчика волнения в месте размещения прочей аппаратуры и акустического профилографа взвешенных веществ. В точке измерений поверхностное волнение фиксировалось струнным волнографом; частота опроса датчика составила 40 Гц. На расстоянии 0.75 м от начального положения твердого дна располагались акустические датчики обратного рассеивания (ABS). Акустические многочастотные датчики представлены приборами Aquascat 1000 фирмы Aquatech (www.aquatecsubsea.com); в качестве рабочих использовались частоты 1, 2 и 3.84 МГц. Акустические датчики обеспечивают практически мгновенные измерения вертикального профиля концентрации взвешенных частиц. К сожалению, не представилось возможным проведение инструментальных исследований геометрических параметров донных микроформ в объеме, достаточном для полноценного анализа.

Несомненным преимуществом лабораторных экспериментов является возможность задания нерегулярного волнения с контролируемыми параметрами и определенной спектральной структурой.

В качестве исходного нерегулярного волнового поля задавались последовательности возвышений свободной поверхности, обладающие JONSWAP-спектрами с заданными характеристиками (фазы случайны).

В обобщенном виде спектр JONSWAP записывается в виде [6]:

а

0.0624

2 ( S(f) = (frî f ~5exp

(2п)

-5 К

4 I fm

Y

-Л exp|-ijf-1

2ст \Л

J

или в параметризованной форме

( , S -44 expiai/

S(f) = ah^fif-5 exp

-5 if

4 I fm

-4 Л exp| 27lfm-

Y '

)

0.230 + 0.0336Y-

0.185

a a

0.07 0.09

v.1-9 + Yy

f < f J — J mi

f > fm,

Y — параметр пиковатости (peak enhancement coefficient), g — ускорение свободного падения.

Спектр JONSWAP определяется тремя параметрами: значительной высотой волны hs, частотой пика спектра fm и параметром y, который характеризует частотное распределение волновой энергии внутри однопикового спектра.

В нашем случае серии экспериментов соответствовали перебору спектральных параметров исходного волнового поля:

значительная высота волны hs = 0.8, 1.0, 1.2 м;

период пика спектра tp = 5 c;

параметр пиковатости y = 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.3, 4.0, 6.0, 8.0, 9.9.

Таким образом, всего на рассматриваемом этапе было проведено 30 серий наблюдений динамики взвешенного вещества под воздействием нерегулярного поверхностного волнения.

Отбор материала для определения гранулометрического состава осадков был произведен в районе расположения измерительной аппаратуры дважды. Соответствующие гранулометрические кривые приведены на рис. 1.

Сортировка песка по крупности обычно описывается в терминах логнормального распределения диаметров частиц d с функцией распределения в виде

' log(dMo)^ vV2logtfrf у

где erf — функция ошибок, d50 — медианный размер частиц, <5d — геометрическое стандартное отклонение, определяемое как (d84/d16)05.

Для пробы 1 медианный размер песка d50 равен 0.225 мм, коэффициент однородности, определяемый отношением d60/d10, составляет 2.38. Проба 2 характеризуется значениями: d50 = 0.233 мм, d60/d10 = 2.24. Полученные данные в дальнейшем используются при анализе закономерностей взвешивания донного материала.

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

Геометрические размеры волнового экспериментального канала позволяют реализовывать фактически полномасштабные процессы начала движения, взвешивания и осаждения донного материала под воздействием реального нерегу-

F(d) = 0.5

1 + erf

лярного волнения. Отличие от природных условий связано с отсутствием комбинированного воздействия ветрового волнения и основного течения. Тем не менее, преимуществами лабораторных исследований можно считать возможность полноценного развертывания инструментальной базы, не всегда достижимой в естественных условиях, а также контроль исходных условий.

В ходе эксперимента получено 30 серий измерений возвышений свободной поверхности, соответствующих своему набору спектральных параметров (к, р у). Длина каждой записи — 2200 с. Поскольку записи охватывают период с момента запуска волнопродуктора до фактического затухания волновых процессов, дальнейшая статистика строилась по усеченным (с 50 по 2030 секунду) сериям общей продолжительностью 1980 секунд.

Параметры волн, получаемые путем обработки волнограмм:

ксп% — средняя высота волн, м;

к1/3 — средняя из трети наибольших высот волн ранжированного ряда, м;

к1/10 — средняя из десятой части наибольших высот волн ранжированного ряда, м;

ктах — максимальная высота волн, м; — средний период волн, с;

?1/3 — средний из трети наибольших периодов волн ранжированного ряда, с;

и

1/10

— средний из десятой части наибольших периодов волн ранжированного ряда, с;

1тах — период волны, соответствующий волне максимальной высоты, с.

Характер динамического отклика поверхности дна на внешнее возмущение выражается в терминах параметра мобильности [2]:

и1

¥ =' -(5 - 1^50

где и — придонная орбитальная волновая скорость, « = р^/р — относительная плотность осадков, d50 — медианный диаметр частиц. Придонные волновые скорости находятся на основании линейной волновой теории:

и =

ео8к(2п

¥)

2 Ь

ео8к|2п

(2^ Ь)

где к, I, Ь — соответственно высота, период и длина волны, г — вертикальная координата, d — глубина. В табл. 1 приведены статистические характеристики высот и периодов волн, а также значения параметра мобильности, соответствующие значениям орбитальных скоростей (Ц^, и1/3, и1/10).

ХО'О

% '(р)1

го'о

% '(р\г

Рис. 1. Гранулометрические кривые донного материала.

Таблица 1. Параметры волн в точке измерений

Исходные параметры

Расчетные параметры (по волнограммам)

к,, м У к, м м м к, м tavg, с с ^/ись с 'ш

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.

Показать целиком