Зоны водохранилищ, колебания уровней воды, горизонты водохранилищ.

 

С точки зрения судоходства у водохранилищ различают три зоны: озерную, озерно-речную и речную с высотой волн соответственно более 2,0; 2,0-1,2 и менее 1,2 м.

Нижняя озерная (приплотинная) часть водохранилища имеет небольшую протяженность, в ней находится зона активного стока. Скорости течения в этой зоне повышенные, особенно в период сброса в нижний бьеф весеннего паводка. Приплотинная часть водохранилища глубоководная при любых уровнях воды. Волнение здесь наибольшее по сравнению с другими частями водохранилища. Дно не подвергается воздействию волн.

Средняя (озерно-речная) часть водохранилища имеет наибольшую протяженность и слабое течение. Она имеет большие глубины только при высоких уровнях. При понижении уровня глубины над поймой небольшие, волнение сильное, распространяющееся до дна. Высота волны 1,2 – 2,0 м. При нормальных подпорных уровнях условия плавания здесь такие же, как в нижней зоне.

Верхняя (речная) часть водохранилища при высоких уровнях представляет собой мелкий водоем. При низких уровнях и сохранившемся небольшом подпоре воды входит в меженное русло. Волнение здесь слабое, высота волны менее 1,2 м. Глубины небольшие и часто меняются из-за колебания уровня. Русло постоянно переформировывается. Зона выклинивания подпора представляет собой устье главной реки со сложным гидрологическим режимом.

Горизонты водохранилищ. На водохранилищах различают:

подпорный уровень ПУ – уровень воды, образующийся в водотоке или водохранилище в результате подпора

нормальный подпорный уровень или горизонт (НПУ, или НПГ) – наивысший уровень, который плотина может поддерживать в течение длительного времени при обеспечении нормальной эксплуатации всех сооружений;

форсированный подпорный уровень (ФПУ) – высший подпорный уровень, который можно поддерживать недолгое время в период пропуска паводка, обеспечивая сохранность сооружений;

уровень мёртвого объёма (УМО) – минимальный уровень, допустимый в условиях нормальной эксплуатации.

Колебания уровней воды

При регулировании стока колебания уровней воды в водохранилищах составляют несколько метров в год и зависят от вида регулирования стока и количества поступающей воды при весеннем половодье.

Обычно в весенний период (в течение двух-трех месяцев) водохранилище наполняется стоком талых вод и уровень воды повышается на несколько метров. В течение лета и зимы происходит сработка воды и снижение уровня, что сказывается на судоходных глубинах. Например, при снижении уровня на З м на Цимлянском водохранилище движение судов в средней части возможно только по фарватеру, в нижней – судоходство возможно даже вне фарватеров.

Колебания уровней воды во многом зависят от вида регулирования стока водохранилища и количества поступающей воды при весеннем половодье.

В маловодные годы при недостаточном стоке воды с бассейна уровень может быть ниже нормального подпорного уровня. В следующий год водохранилище может не восполнить израсходованную воду и уровень не достигнет прежних отметок.

Нагонно-сгонные колебания уровней воды происходят под воздействием ветра. При ветре поверхностное течение приводит к подъему уровня воды у наветренного берега. В результате разности уровней в глубине водоема образуется обратное -- компенсационное течение, которое встречает сопротивление дна и поэтому имеет меньшую скорость, чем поверхностное течение. Нагон происходит до тех пор, пока разность в уровнях не усилит компенсационное течение настолько, что между ним и поверхностным течением установится скоростное равновесие и уровень воды получит определенный уклон.

У глубоких водоемов с обрывистыми берегами влияние дна на компенсационное течение меньше, чем у мелких, поэтому компенсационное течение у первых водоемов несколько сильнее и скорее приходит в равновесие с поверхностным. Следовательно, у глубоких водоемов величина нагона воды будет меньше, чем у мелководных.

Наибольший подъем уровня бывает в начале нагона, когда водная масса еще не приобретает глубинного компенсационного течения. Нагоны особенно велики в узких и мелких заливах, вытянутых по направлению ветра.

Большую опасность для судоходства представляют сгоны, которые могут вызвать посадку судов на грунт. Величина сгонов может приближенно приниматься равной величине нагонов.

Колебательные движения всей массы воды в водохранилище или озере называют сейшами (фр. Seiche. Стоячая волна – явление интерференции волн, распространяющихся в противоположных направлениях, при котором перенос энергии ослаблен или отсутствует. Например, стоячая волна возникает при отражении волны от преград в результате взаимодействия (интерференции) падающей и отражённой волн, как при колебании струны). Поверхность воды при сейше приобретает уклон то в одну, то в другую сторону. Ось, вокруг которой колеблется поверхность водоема, называется узлом сейши. Сейши могут быть одноузловые (а), двухузловые (б) и т. д.

Сейши возникают при резких изменениях атмосферного давления, прохождении грозы, при резких изменениях силы и направления ветра, способных раскачать массу воды. Водная масса, стремясь возвратиться в прежнее положение равновесия, приходит в колебательное движение. Колебания под воздействием трения будут постепенно затухать. Траектории частиц воды в сейшах подобны траекториям, наблюдаемым в стоячих волнах.

Чаще всего сейши имеют высоту от нескольких сантиметров до метра. Периоды колебаний сейш могут быть от нескольких минут до 20 ч и более.

Колебания уровня воды во время сейш отличаются важной особенностью: относительно некоторой узловой линии, в которой колебаний воды нет, движение частиц по каждой из сторон этой линии происходит в одной фазе, но в противоположных направлениях. Точки или линии, вдоль которых наблюдаются наибольшие колебания уровня, называются пучностями. Ф. Форелем (швейцарский физик XIX в.) было впервые научно установлено, что взаимное расположение узлов и пучностей в каждом водном бассейне не меняется.

Однако характер движения частиц воды на отдельных участках сейш различен: в узлах частицы перемещаются в горизонтальном направлении, в пучностях – в вертикальном. Направление перемещения изменяется на противоположное с периодичностью, равной периоду сейши. Наглядное представление о природе сейш может дать обыкновенная тарелка с водой. Если тарелку слегка наклонить и резко вернуть в первоначальное горизонтальное положение, то вода в ней будет совершать колебательные движения.

При двухузловых сейшах колебательное движение воды характеризуется тем, что в то время, как в середине водоема ее уровень повышается, у краев он опускается, и наоборот (рис.1,6). Сейши бывают также трех-, четырехузловые и т.д. Известно о существовании шестнадцатиузловой сейши.

Основными элементами сейши, как и любой стоячей волны, являются период, амплитуда, высота и длина. Период – время, в течение которого масса воды совершает полное колебание. Амплитуда – наибольшее отклонение уровня воды от положения в состоянии покоя. Высота – разность между высшей и низшей отметками. Длина волны – расстояние между двумя соседними пучностями. В реальных морских водоемах сейши имеют самые различные значения периода и амплитуды.

Стоячие волны наблюдаются не только в портах, но и в более обширных частях морей. Так, колебания уровня у острова Мальта обусловлены, по-видимому, многоузловыми сейшами между островом Сицилия и Африкой. На южном берегу Сицилии в районе Сиракуз часто наблюдаются колебания уровня, амплитуда которых достигает 1 метра, при этом со дна поднимаются частицы ила, придающие воде красноватый оттенок. На Каспийском море в районах Баку и Махачкалы отмечены сейши высотой примерно 70 сантиметров с периодом 3 - 4 часа. В открытой части Балтики наблюдаются сейши высотой 7 - 8 сантиметров с периодом приблизительно 20 минут. На Черном море в зависимости от местных условий отмечены сейши с периодами от 10 минут до 2 часов.

Интересной особенностью сейш является их возникновение и существование даже под сплошным ледовым покровом.

Таким образом, можно сказать, что свободные колебания водной массы – сейши – являются обычным состоянием любого водоема, и если они не всегда заметны, то лишь вследствие преобладания малой амплитуды колебаний.

Основной причиной, порождающей сейши, является ветер. Действуя над водоемом в течение длительного времени, он нагоняет массы воды у одного берега. После прекращения ветра вода под действием разности уровней стремится к положению равновесия, вызывая колебательные движения в водоеме.

Изменения атмосферного давления также часто вызывают колебания уровня воды в водоеме. По закону "обратного барометра" понижение давления на 1 миллибар вызывает повышение уровня на 1 сантиметр. При выходе барического образования с морской акватории на сушу вода, оказавшись без внешнего воздействия, приходит в колебательное движение. Известен случай, когда при резком изменении давления на 8 миллиметров уровень воды в Севастопольской бухте стал колебаться с начальной амплитудой 58 сантиметров и периодом 50 - 60 минут.

В качестве вероятных причин возникновения сейш можно назвать шквалы, резкие порывы ветра, атмосферные фронты, то есть воздушные волны. Наконец, причиной образования сейш могут быть землетрясения, а также вызываемые ими цунами. Так, Лиссабонское землетрясение 1775 года сопровождалось сейшами в ряде швейцарских озер.

Через некоторое время после возникновения сейш их амплитуда уменьшается и колебания затухают. Время затухания определяется силой трения воды о дно и сильно зависит от глубины водоема и конфигурации берегов, тем не менее сейши продолжаются длительное время. Так, известный советский океанолог Л.С. Берг наблюдал на Аральском море сейшу, продолжавшуюся 22 суток.

Конфигурация сейши, число узлов, расстояние между ними зависят от средней глубины бассейна, рельефа дна, наличия бухт и проливов. Чем больше глубина моря, тем на большем расстоянии один от другого располагаются узлы сейши. В замкнутом бассейне узлы располагаются в центре. Если бассейн соединен с морем длинным проливом, то узлы располагаются на его концах. Если же пролив короткий, то узел, как правило, один и расположен в середине пролива. Узловая линия сейши в открытом заливе располагается на выходе из него. В заливах с широким выходом в океан характер сейш меняется. Здесь обычно наблюдаются одноузловые сейши, период их возрастает, а высота и амплитуда уменьшаются.

В связи с тем, что сейша представляет собой маятниковое колебание, энергия, которую нужно затратить, чтобы привести в действие ее механизм, очень незначительна. Ее запасы всегда существуют в природе, поэтому и вероятность образования сейш очень велика.

При образовании сейш с аномально большой амплитудой основную роль играет явление резонанса. Период (в секундах) собственных колебаний воды в бассейне определяется по известной формуле Мериана , где L - длина бассейна в метрах; n – число узлов; Н - глубина в метрах; g - ускорение свободного падения в метрах на секунду в квадрате. Если период действия вынуждающей силы совпадает с циклом собственных колебаний воды в водоеме, то возникают аномально высокие сейши.

Тягун. Резонансные волновые колебания воды в портах, бухтах и гаванях, вызывающие циклические горизонтальные движения судов, стоящих у причалов, называют тягунами. Тягуны создают длиннопериодные стоячие волны с периодом колебаний воды от 0,5 до 4,0 мин. Период колебания поверхности воды и скорость движения ее частиц зависят во многом от конфигурации берегов и глубины бассейна.

Проведенные океанологами исследования показали, что причиной тягуна является совпадение (резонанс) периода собственных колебаний воды в акватории порта с периодами вынуждающей силы, как правило, сейши на входе в порт. Поскольку для образования тягуна нужно, чтобы период действия силы совпадал с периодом собственных колебаний небольшой (относительно всего моря) акватории порта, сейши, сопровождаемые тягуном, имеют малые период и высоту (до 30 сантиметров).

Действию тягуна подвержены берега всех материков, кроме Антарктиды, и бухты внутренних и окраинных морей. Характерно, что большинство районов, подверженных воздействию тягуна максимальной интенсивности, расположены на западных берегах материков и морей. У южных и восточных берегов это явление возникает редко и его действие обычно оказывается слабым. Это обстоятельство, по-видимому, объясняется тем, что в направлении движения циклонов обычно превалирует восточная составляющая, обусловленная направлением вращения Земли.