УДК 551.465.555/.468.3(261.24)
О волновых движениях воды в придонном слое мелководных акваторий на примере Вислинского залива Балтийского моря
А. К. Амбросимов*, Ш. X. Якубов*, А. Н. Бабаков**, Б. В. Чубаренко**
Впервые проведены одновременные инструментальные измерения в период с 15 мая по 17 июня 2009 г. характеристик придонных течений и поверхностного волнения в мелководном Вислинском заливе Балтийского моря. Экспериментально подтверждено, что в замкнутых и полузамкнутых водоемах из-за денивеляции водной поверхности, возникающей при длительном однонаправленном действии ветра, образуются придонные градиентные течения, которые могут иметь направления вплоть до противоположных действию ветра. При этом индуцированные поверхностным волнением колебания воды у дна вызывают модуляцию скорости придонного течения, способствуя увеличению горизонтального компонента скорости. На примере наиболее активного шторма в период измерений 12 июня 2009 г. (юго-западный ветер со средней скоростью до 10,5 м/с, средняя высота волн 0,6—0,8 м) количественно оценены характерные значения горизонтальных и вертикальных колебаний воды у дна.
Ключевые слова: Балтийское море, Вислинский залив, ветер, волнение, придонное течение, модуляция течений.
Введение
Наблюдения за волнением в южной части российского сектора Вислинского залива на гидрометеорологическом посту в п. Краснофлотское были начаты в 1959 г. и продолжались до 1976 г. В их задачу входила регулярная визуальная фиксация направления действующего волнения в прибрежной части залива. В его открытой части замеры выполнялись эпизодически, в периоды гидрологических съемок в 1950—1954 и 1957—1965 гг., включая отсчеты высоты по трем волновым вехам: в районе п. Светлый, в центральной и южной частях залива при скорости ветра до 15 м/с [6]. Отсутствие инструментальных измерений и ограниченность рядов визуальных наблюдений восполнялись расчетными данными характеристик волнения [5, 6, 12]. Задачи сравнения условий волнения и его воздействия на донные осадки, а также процессов вторичного взмучивания для Вис-
* Институт океанологии им. П. П. Ширшова Российской академии наук;e-mail: ambrosimov@ ocean.ru, aambrosimov@gmail.com.
** Атлантическое отделение Института океанологии им. П. П. Ширшова Российской академии наук.
Рис. 1. Российская часть Вислииского залива Балтийского моря.
Треугольником отмечеио местоположеиие доииой пирамиды с волнографом-мареографом и измерителем течений.
линского и Куршского заливов решались в рамках приближенного описания волнения для обеих акваторий [11, 13]. В настоящее время особенно остро ощущается недостаток данных инструментальных измерений для инженерных приложений, которые необходимы при сопоставлении характеристик волнения и придонных течений, являющихся, например, ключевыми при оценке интенсивности заиления судоходных каналов.
Целью данного исследования является натурное изучение воздействия ветрового поверхностного волнения на динамику движения воды в придонном слое мелководных полузамкнутых водоемов на примере Вислин-ского залива Балтийского моря.
Эксперимент по изучению ветровых волн и течений был выполнен в период с 15 мая по 17 июня 2009 г. вблизи о. Насыпной в Вислинском заливе Балтийского моря (рис. 1). Точка измерений (54°35,866' с. ш., 19°56,102' в. д.) была выбрана в глубоководной открытой всем ветрам центральной части залива, к тому же она находилась на достаточном удалении от Балтийского пролива, через который происходит водообмен Вис-линского залива с Балтийским морем.
Инструментальные измерения параметров волнения на поверхности и определение расчетным путем придонных колебаний воды в Вислинском заливе проведены впервые. Уникальность гидродинамического эксперимента состоит также в одновременном измерении параметров волн и придонных течений в одной точке, позволяющем исследовать механизм генерации придонного переноса вод под воздействием волнового фактора. При анализе рядов волн и течений использовались данные изменений уровня воды и параметров ветра на близлежащей (5 км) гидрометеостанции Балтийск. Это дало возможность выяснить степень влияния колебаний уровня моря по сравнению с волновым воздействием на динамику придонных вод залива.
Особенность ветрового волнения Вислинского залива определяется его мелководностью (глубина до 4—5 м), вытянутостью акватории с юго-запада на северо-восток на 90 км при ширине от 6 до 13 км и изолированностью от воздействия волн Балтийского моря. Сейшевые колебания и волны
зыби быстро затухают при прохождении узкого Балтийского пролива и практически не достигают акватории лагуны. В результате генерация волн происходит исключительно под действием ветра, дующего только над акваторией залива. Из-за мелководности и узости залива и, как следствие, малой длины разгона волн при ветре северных и южных направлений высота генерируемых волн невелика и зависит от направления ветра. Средняя высота волн 50%-ной и 1%-ной обеспеченности в центральной глубоководной части залива составляет соответственно 0,5 и 0,8 м, а максимальная высота — от 1,1 до 1,6 м [5]. Преобладание ветра западных направлений и вытянутость залива обусловливают наибольшие повторяемость и высоту волнения в открытой части залива под действием юго-западного ветра, а в прибрежном районе у п. Краснофлотское — под действием северо-западного ветра. При развороте ветра поперек продольной оси залива вызванные им волны быстро затухают. Развитие и затухание волнения происходят с задержкой на 1—2 ч относительно времени изменения направления и скорости ветра [6].
Приборы и методика измерений
Экспериментальная установка для комплексного изучения процессов переноса вещества состояла из металлической пирамиды высотой 2,3 м, которая была расположена на дне в центральной части залива на глубине 4,9 м на линии Балтийский пролив — м. Северный (рис. 1). Скорость и направление течения в ходе эксперимента в Вислинском заливе определяли с помощью измерителя течений "Поток", который был укреплен внутри пирамиды. Крыльчатка измерителя течений располагалась на расстоянии 0,9 м от дна. Дискретность наблюдений составляла 0,5 ч. За этот промежуток времени измеритель течений выдавал осредненную величину скорости и направления течения.
В качестве измерителя волнения использовали частотный тензометри-ческий датчик давления ГМУ-2 на основе технологий кремний-на-сапфи-ре (СКБ ГМП, г. Обнинск), включенный в одно из плеч измерительного моста [3, 4]. При изменении уровня воды над прибором изменяется давление, регистрируемое датчиком, которое выражается в изменении его частоты. Кроме измерения пульсаций давления прибор обеспечивает измерение среднего гидростатического давления, эквивалентного измерению уровня воды в заливе, являясь, таким образом, и мареографом. Запись пульсаций гидростатического давления производилась на глубине 2,8 м от поверхности при глубине залива в точке наблюдения 4,9 м. Измерения выполнялись в течение 10 мин в начале каждого часа с 15 мая по 17 июня 2009 г. Дискретность измерения волнения составляла 0,25 с.
Сопутствующие данные о скорости и направлении ветра (с пятиминутным осреднением и фиксацией за этот промежуток времени максимальных значений скорости ветра) в период проведения эксперимента были полу че ны с автомати чес кой ме те ос тан ции, рас положен ной в 5,5 км от места проведения эксперимента в районе Балтийского пролива (г. Балтийск), соединяющего Вислинский залив с Балтийским морем. В этом же районе каждые 4 ч в сроки 0,4,8,12, 16и20 ч измеряли уровень водной поверхности залива.
Расчет волнения на поверхности залива и у дна осуществляли с помощью метода быстрого преобразования Фурье [7, 10, 14, 15] следующим образом. По данным датчика давления рассчитывали спектр пульсаций давления Р(ю). Далее с помощью теоретической передаточной функции совершали переход от спектра пульсаций давления к частотному спектру ветрового волнения 5(ю). На основании моментов
частотного спектра определяли пять важнейших параметров ветрового волнения: характерную высоту волн Нц, период пика спектра Тр, средний период волн х, длину волны пика спектра Ьр, среднюю длину волн Ь. Пересчет характеристик поверхностного волнения в характеристики придонных колебаний воды производили с помощью моментов спектра. Для средней высоты волны имеем
где т0 — нулевой момент частотного спектра. Средний период х определяется через моменты частотного спектра как интервал времени, рассчитанный по параметрам индивидуальных волн на хронограмме значений скорости, выделенных по пересечениям, расположенным выше нулевой линии:
Анализ статистики волнения показывает, что средняя высота волны в определенной степени зависит от волн с высотой меньше или больше средней [8, 9]. Так, наиболее вероятная высота самой большой волны из тысячи последовательных волн, проходящих через фиксированную точку поверхности моря, примерно в 3 раза больше, чем у волн средней высоты; пять на и более вы со ких волн из ста по следо ватель ных волн более чем в 2 раза выше волн средней высоты и т. д. Таким образом, статистические характеристики волнения в исследуемом районе залива можно определить и по известным значениям средней высоты волн путем умножения их на соответствующие коэффициенты.
Для расчета характеристик поверхностного волнения и колебаний воды в толще моря по данным вертикальных и горизонтальных пульсаций скорости течения воды (и наоборот) использовалась линейная теория волн малой амплитуды для случая идеальной несжимаемой жидкости, развитая Ламбом [8]. Пересчет осуществляется в три этапа. На первом этапе строится частотный спектр пульсаций скорости течений П(ю) на заданной глубине, на втором этапе с использованием теоретической передаточной функции г(ю) данный спектр пересчитывается в энергетический спектр ветровых волн 5(ю):
На третьем этапе с помощью обратного преобразования Фурье рассчитываются характеристики волнения на поверхности моря или в толще воды и наоборот.
0
5(ю) = г(ю)П(ю).
В расчетах по воздействию волнения на скорость течения в придонном слое воды использовались данные экспериментов п
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.