= 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.