WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

В параграфах 2.2 и 2.3 приведено подробное описание четырех натурных экспериментов «Нордерней-94», «ЭброДельта-96», «Новомихайловка-02», «Новомихайловка-03» (Рис. 1), проведенных специалистами Института Океанологии им. П.П.Ширшова РАН и его Южного отделения при участии автора настоящей работы, лабораторного эксперимента «Sistex-99» и методов обработки полученных данных.

Рисунок 1 - Схема расположения исследовательских полигонов:

«Нордерней» (а), «ЭброДельта» (б), «Новомихайловка» (в) Программы экспериментальных работ включали измерение мгновенных концентраций взвешенных наносов в ряде точек по вертикали и горизонтали, состава и гидравлической крупности наносов, возвышений свободной поверхности воды, составляющих вектора скорости водного потока, параметров донных микроформ. Измерения проводились на участках песчаных пляжей в зонах деформации и разрушения волн на глубинах 0.4-3.5 м. Получено около записей уникальных измерений длительностью от 20 до 60 минут каждая.

В параграфе 2.4 обосновывается методика выделения турбулентной составляющей скорости воды. Резкое уменьшение значений функции когерентности между колебаниями уровня свободной поверхности и скоростью воды, и изменение угла наклона спектров составляющих скорости воды на частоте 0.8 Гц позволяют считать, что при частотах выше 0.8 Гц доминирующее положение занимают турбулентные флуктуации (Косьян и др., 1999). С использованием полосовой численной фильтрации по методу быстрого преобразования Фурье, были получены хронограммы турбулентных компонентов составляющих вектора скорости.

Таким образом, использование современных методов и приборов позволило провести достоверные высокочастотные синхронные измерения концентрации взвешенных наносов и гидродинамических параметров в натурных условиях и получить уникальную базу данных. Результаты лабораторного эксперимента "Sistex-99", имевшего аналогичную научную программу, дали возможность сравнить и проанализировать особенности формирования полей концентрации взвеси в натурных и лабораторных условиях. Количество и качество исходных данных вполне достаточно для исследования механизмов и закономерностей взвешивания песчаных наносов.

В третьей главе рассмотрены особенности пространственно-временной изменчивости концентрации взвеси в береговой зоне.

Анализ записей пульсаций концентрации взвеси в зоне деформированных волн показал, что взвешивание осадков происходит в виде серий пиков концентрации длительностью 1-5 секунд. С увеличением расстояния от дна частота появления пиков концентрации и их величина снижаются. В большинстве случаев, возникновение пиков концентрации взвеси приурочено к моменту смены знака скорости потока. Иногда взвешивание происходит дважды за период волны.

Эти наблюдения хорошо согласуются с полученными ранее данными (Пыхов и др., 2003). Спектры концентрации взвешенных наносов под деформированными волнами характеризуются широким максимумом в диапазоне 0.008-0.05 Гц, локальным пиком на частоте максимума спектра волнения и плавно понижаются с увеличением частоты. По мере удаления датчиков концентрации от дна, локальный максимум на частоте подходящих волн становится менее выраженным, спектр – более гладким.

Под разрушающимися волнами спектральная плотность концентрации взвеси монотонно увеличивается с уменьшением частоты и имеет широкий максимум на частоте 0.02-0.05 Гц. Визуальный анализ временной изменчивости концентрации взвешенных наносов в условиях обрушающихся волн показал, что на хронограммах наблюдаются пики концентрации продолжительностью от 5 до 15 с. Значения концентрации взвеси в момент интенсификации взвешивания осадков превышают ее средние значения в 5-10 раз (Рис. 2). Возникновение пиков концентрации не приурочено к определенной фазе волны и не периодично во времени.

Рисунок 2 – Фрагмент синхронной записи концентрации взвешенных наносов (с), вертикальной (w) и нормальной к берегу (u) составляющих скорости воды на горизонте 10 см от дна в зоне разрушения волн Форма вертикального профиля концентрации взвешенных наносов очень быстро изменяется во времени и может значительно отличаться от среднего за запись профиля концентрации взвеси. Анализируя высокочастотную изменчивость вертикального профиля концентрации взвешенных наносов, мы выделили несколько характерных типов вертикального распределения концентрации (Рис. 3) (Kos’an, Krylenko, 2006).

Вертикальный профиль, близкий к логарифмической кривой (Рис. 3a) и слабо изменяющийся в течение периода волны, как правило, наблюдается, когда критерий Шильдса под гребнями волн не превышает критического значения. Во втором случае (Рис. 3b) высокие значения концентрации взвеси резко убывают по направлению к поверхности, градиент концентрации составляет до 1 г/л на см подъема. Третий тип (Рис. 3с) вертикального распределения, приближающийся к линейному виду, наблюдается при прохождении крупных волн или при обрушении волны. Взвешенный песок может подниматься на высоту нескольких десятков сантиметров от дна. Максимальные вертикальные градиенты концентрации смещаются в слой 20-30 см от дна. На рисунке 3d показан четвертый вид вертикального распределения взвеси, имеющий форму ломаной линии. Характерно чередование слоев с высокими и низкими значениями концентрации взвешенных наносов. Значительную роль в формирования такого вертикального распределения наносов играют адвективные процессы.

30 30 30 a) c) d) b) 20 20 20 м м м м c c c с,,,, z z z z 10 10 10 0 0 0 0 0.4 0.8 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 0 0.5 1 1.5 2 2.c, г/л c, г/л c, г/л c, г/л Рисунок 3 - Характерные типы вертикального распределения концентрации взвеси, с - концентрация, z – расстояние от дна Во время развития и затухания пика концентрации взвеси вертикальный профиль концентрации изменяется от вогнутого в начале прохождения пика, до выпуклого в моменты наибольшей концентрации в пике (Рис. 4). Выпуклая форма вертикального профиля концентрации взвеси и возникновение пиков на разных горизонтах без видимой задержки по времени свидетельствуют о конвективном характере процессов взвешивания. Это подтверждает гипотезу Нильсена (Nielsen, 1979) о взвешивании и распределении песка в толще воды за счет захвата и переноса материала формирующимися под проходящими волнами вихрями.

30 30 30 c) b) d) a) 20 20 20 м м м м c c c c,,,, z z z z 10 10 10 0 0 0 0 0.4 0.8 1.2 1.6 0 0.4 0.8 1.2 1.6 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 0.5 1 1.5 2 2.c, г/л c, г/л c, г/л c, г/л Рисунок 4 - Изменения вертикального профиля концентрации взвеси (с) во время развития и разрушения пика концентрации (a - начало пика, b, c – середина, d - окончание), z – расстояние от дна Анализ данных показал, что групповая структура волнения оказывает значительное воздействие на взвешивание наносов под отдельными волнами внутри группы. Осредненные за период волны значения концентрации взвеси под индивидуальной волной в конце группы больших волн в несколько раз больше, чем под такой же по высоте волной в начале группы (Рис. 5). Интенсификация процесса взвешивания наносов под группами больших волн происходит только после прохождения максимальных волн в группе и плавно затухает по достижению ложбины геометрической огибающей группы. Мгновенные значения концентрации взвешенных наносов под индивидуальной волной в начале группы больших волн, как правило, ниже, чем под такой же по высоте волной в конце группы.

7.b a 7.м 6., H 6.100 200 300 t, с Рисунок 5 – Вертикальное распределение концентрации взвеси под волнами с одинаковой высотой в начале группы волн (отмечена буквой а) и в конце (отмечена буквой b). H - глубина, z - расстояние от дна, c - концентрация Флуктуации концентрации взвеси когерентны перпендикулярной к берегу составляющей скорости воды в условиях деформированных волн только на частоте максимума спектра волнения. Под разрушающимися волнами флуктуации концентрации взвеси не когерентны флуктуациям скорости во всем диапазоне частот. Это означает, что в зоне разрушения волн временная изменчивость концентрации взвеси не определяется горизонтальной составляющей скорости водного потока или его моментов, и не может быть ею аппроксимирована.

В главе 4 подробно рассматриваются пространственно-временные характеристики турбулентных структур в береговой зоне при разных режимах волнения. Оценивается влияние турбулентных движений воды на изменчивость поля концентрации взвешенных песчаных наносов.

В параграфах 4.1 и 4.2 представлен анализ хронограмм составляющих скорости воды и их турбулентных пульсаций, возвышения свободной поверхности для зоны деформированных волн (Рис. 6). Пики турбулентной энергии острые и узкие, их длительность не превышает 1-2 с. Возникновение локальных максимумов турбулентной энергии может происходить один или два раза в течение периода одной волны.

Рисунок 6 – Хронограммы записей возвышения свободной поверхности (H), турбулентной энергии (E ) и составляющих вектора скорости турбулентных t пульсаций (u t - нормальная, v - вдольбереговая, w t t - вертикальная) На рисунке 7 представлены хронограммы записей составляющих скорости воды и их турбулентного компонента, полученные при обрушении волн.

Длительность пульсаций скорости воды достигает 10-15 секунд, что превышает период отдельной волны.

Рисунок 7 - Хронограммы возвышения свободной поверхности (H), составляющих скорости (u, v) и турбулентных пульсаций (u’, v’) Синхронное измерение составляющих скорости позволило представить диаграмму вектора турбулентного компонента скорости в фазовом пространстве (Рис. 8). Траектория конца вектора скорости имеет форму неправильных эллипсов разных диаметров, что свидетельствует о прохождении в районе датчика серии вихрей (Косьян и др., 1999). Количество вихрей в цуге составляет от 3 до 7 штук. Диаметр отдельных вихрей в зоне разрушения волн составляет от 0.3 до 1.5 м, причем в пределах одной цепочки встречаются образования различной величины (Krylenko, 1997). С увеличением глубины происходит увеличение линейных размеров вихрей (Kos’yan et al., 1997).

Натурные данные подтверждают сделанный по данным лабораторных экспериментов К. Надаокой, Т. Кондохом, П. Зангом (Nadaoka, Kondoh, 1989;

Zhang et al., 1994) вывод, что в береговой зоне турбулентность может генерироваться за счет неустойчивости потока в донном пограничном слое и разрушения гребней волн вблизи поверхности воды; а также показывают, что турбулентные вихри проникают далеко за пределы донного пограничного слоя.

Рисунок 8 – Траектория конца вектора турбулентной составляющей скорости В параграфе 4.3 оценивается влияние турбулентных пульсаций скорости на концентрацию взвешенных наносов. Отмечена синхронность появления пиков концентрации и возрастания турбулентной энергии (Рис. 9), показано, что всплески турбулентности являются важным фактором формирования низкочастотной изменчивости концентрации взвешенного песка.

Рисунок 9 - Фрагмент записи концентрации взвешенных наносов (c) и турбулентной кинетической энергии (E ) t В пятой главе представлена модель флуктуаций концентрации взвешенных песчаных наносов в береговой зоне под деформированными волнами. В качестве исходных данных использовались результаты экспериментов "Sistex-99" и "Новомихайловка-03".

В основу модели положено диффузионное уравнение:

C C C = ws +, s t z z z где C(z,t) - концентрация взвешенных наносов; - коэффициент s ws турбулентной диффузии частиц взвеси; - скорость оседания частиц песка; t – z время, - вертикальная координата. Изменение концентрации взвеси во времени на любом расстоянии от дна определяется изменением по вертикали локального баланса потока взвеси за счет оседания частиц и за счет потока взвеси от дна.

Обобщенный коэффициент диффузии осадков рассматривается переменным по вертикали и представлен в виде (Kos’yan, 1985):

(z) = (z) + (z) + (z) 1 2 Здесь (z) – вклад орбитального движения, (z) – вклад волнового 1 течения, (z) – вклад диффузии в придонном слое. Оценки вертикального профиля обобщенного коэффициента диффузии показали, что вклад в него коэффициента (z) на два порядка меньше, чем от остальных слагаемых и им можно пренебречь.

На свободной поверхности воды поток взвеси принимается равным нулю.

На нижней границе концентрация взвеси описывается выражением:

С(0,t)=p(t), где p(t) – функция локального выброса взвеси (pick-up функция), определяемая выражением:

1.0.6 0. - - 1)0.6 g d (t) (s s cr s = p(t) = 3., – относительная 0. cr плотность наносов, g – ускорение свободного падения (Zou et al., 2005).

Мгновенное значение параметра Шильдса отражает баланс сдвигающих и u* (t) (t) = удерживающих сил:, где d – медианный диаметр (( - ) / ) g ds наносов; u (t) – максимальная сдвиговая скорость.

* На основе анализа экспериментальных данных было установлено, что характер взвешивания песчаных наносов во многом определяется периодичностью следования групп высоких волн и количеством волн в отдельных группах. Взвешивание наносов при прохождении индивидуальных волн происходит не на протяжении всего периода, а виде быстрого выброса облака взвеси. Этот факт учитывается введением коэффициента А, который, равен единице в фазу волны, когда происходит взвешивание, и нулю – в остальных случаях (Рис. 10а). Это касается и групп волн, рассматриваемых в терминах огибающей (Рис. 10b), т.е. коэффициент А=1 только после прохождения максимальной волны в группе (Косьян и др., 2006).

Рисунок 10 – Области значений коэффициента А Расчетные данные достаточно точно отражают моменты возникновения пиков концентрации и их количество. Полученные в результате модельных расчетов пики концентрации взвеси имеют меньшую длительность, чем измеренные и расчетная концентрация после резкого повышения значений снижается быстрее, чем в натурных условиях (Рис. 11).

Расхождения в абсолютных значениях концентрации взвеси, возможно, обусловлены тем, что данная модель не учитывает адвективный перенос взвеси, изменчивость гранулометрического состава твердых частиц и изменение физических свойств потока при повышении концентрации взвеси.

Результаты спектрального анализа хронограмм концентраций взвеси (экспериментальной и модельной) приведены на рисунке 12. Все спектры концентрации характеризуются выраженными локальными максимумами на частотах 0.13 и 0.26 Гц. Модельный ряд концентраций взвеси статистически соответствует экспериментальному.

Разработанная модель прогноза концентрации взвешенных наносов под деформированными волнами учитывает влияние групповой структуры волнения и параметров индивидуальных волн на взвешивание осадков. Модель хорошо отражает все качественные особенности взвешивания наносов (моменты возникновения пиков концентрации, их количество и т.д.) в рассматриваемых условиях волнения при выбранных параметрах.

Pages:     | 1 || 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.