Действие ветровых и волновых течений, турбулентность воздушного

потока и т. д. Однако трохоидальная теория хорошо объясняет волно­вые процессы, происходящие в правильном волнении

В исследованиях (проведенных в ГИИВТе) показано, что для озер водохранилищ выражения (30)-(32)дают значительные погрешности поэтому следует использовать выражения

По данным А. В. Васильева,

По данным В. В. Неволина,

Для прибрежных морских районов, где эксплуатируются суда смешанного река-море плавания Р. Н. Фатьянов рекомендует следую­щие формулы:

Наблюдение за волнением с судна обычно заключается в глазомер­ном определении высоты волны и состояния поверхности водоема или определении элементов волны с помощью подручных средств.

Состояние поверхности воды оценивается в бал­лах по специальной шкале волнения (см. прил. l). При этом гладкая поверхность характеризуется баллом 0, а предельное волнение—бал­лом 9.

Направление движения волн определяется по ком­пасу стороной горизонта, откуда движутся волны.

Высота вол н,ы определяется по лоту или наметке в средней части судна, где меньше сказывается качка. Высоту волны можно за­мерить по борту судна. Для этого замечается последовательное поло­жение подошвы и гребня двух или трех волн.

Длина волны измеряется следующим образом. Если она меньше длины судна, то два наблюдателя становятся около борта так,

чтобы в один и тот же момент они находились против смежных гребней волн. Расстояние между наблюдателями затем измеряется.

Если длина волны больше длины судна, то с кормы на тросике сбрасывают легкий буек. Тросик потравливают настолько, чтобы на­блюдатель на корме и буек находились на двух смежных гребнях волн. Длина тросика затем измеряется.

При косом набегании волны ее истинная длина находится по форму­ле

Xв=rсоs A, (41)

где т — расстояние при измерении; а — курсовой угол движения волн.

Скорость волны определяется по времени прохождения одного и того же гребня мимо линий визирования наблюдателей. Пери­од волны определяется по времени последовательного прохождения нескольких гребней.

В настоящее время создан целый ряд методов расчета элементов волнения. Для определения элементов волны hв и Хв, м, на глубокой воде (глубина воды в водоеме равна длине волны или больше нее) могут быть применены следующие формулы Н. А. Лабзовского:

В этих формулах:

Кин — коэффициент, отображающий развитие волнения, т. е. интенсивность нарастания высоты волн вдоль разгона, причем

vb — скорость ветра, м/с;

/Зраз — длина разгона волн, км;

е — характеристика крутизны волны на глубокой воде, определяемая по выражению

Здесь Х.в и hв — соответственно длина и высота волны на глубокой воде,м;

е = 2,718 — основание натуральных логарифмов.

Для перехода от волн на глубокой воде к волнам на мелководье существуют такие зависимости:

Значения коэффициентов а и Р определяют по табл. 18 в зависимости от отношения Нr/Xв

Та блица 18

Hг/Xв	А	В	Hг/Xв	А	В
0,01	0,119	0,251	0,26	0,724	0,753
0,02	0,161	0,306	0,28	0,740	0,767
0,03	0,200	0,352	0,30	0,765	0,780
0,04 0,05	0,238 0,275	0,394 0,428	0,35 0,40	0,796 0,823	0,810 0,832
0,06	0,310	0,462	0.45	0,850	0,854
0,07 0,08	0,343 0,378	0,493 0,519	0,50 0,55	0,866 0,890	0,871 0,890
0,09	0,400	0,542	0,60	0,904	0,904
0,10	0,435	0,564	0,65	0,918	0,918
0,12	0,485	0,596	0,70	0,930.	0,930
0,14	0,540	0,635	0,75	0,942	0,942
0,16	0,582	0,662	0,80	0,956	0,956
0,18	0,617	0,685	0,85	0,967	0,967
0,20 0,22 0,24	0,652 0,679 0,703	0,703 0,720 0,736	0,90 0,95 1,00	0,980 0,990 1,000	0,980 0,990 1,000

ВНУТРЕННИЕ ВОЛНЫ

На рис. 57 показано вертикальное распределение плотности о воды в море (Н — глубина). Температура и соленость воды с глубиной существенно изменяются. Это изменение происходит не плавно. Обыч­но из-за сильного прогрева температура верхних слоев воды значи­тельно выше, чем подстилающих. Причем, если соленость на поверх­ности из-за притока речных вод или дождей меньше, чем в глубине, то в верхнем слое плотность воды значительно отличается от плотно­сти глубинных вод. Увеличение плотности от поверхности до дна про­исходит неравномерно. Слой, где температура и соленость, а следо­вательно и плотность, бывают наибольшими, называется слоем скачка. Устойчивый слой скачка плотности толщиной в несколько метров образует как бы поверхность в океане, разделяющую менее плотные и более плотные водные массы. Если на эту поверхность бу­дут воздействовать какие-нибудь внешние силы, то она начинает ко­лебаться и создаст внутренние в о л н ы.

Внутренние волны могут образовываться под влиянием приливо-образующих сил Луны и Солнца, ветра, атмосферного давления, те­чений, подводных препятствий и т. п.

Наблюдаемые в природе внутренние волны обычно являются ре­зультатом сложения отдельных волн, каждая из которых порождена каким-либо возмущением. Например, приливообразующие силы и пере­пады атмосферного давления непосредственно воздействуют на слой скачка. Ветер генерирует поверхностные волны, которые, в свою оче-

Рис. 57. Вертикальное распределение плотности воды в море

Рис. 58. Мертвая вода

редь, как бы раскачивают нижние слои до тех пор, пока там не возни­кают огромные, но медленно распространяющиеся внутренние волны.

В зависимости от воздействующих сил длина, высота и период вну­тренних волн изменяются в широком диапазоне. Приливы обычно по­рождают внутренние волны с полусуточным и суточным периодом и высотой, достигающей в некоторых случаях более 30 м. Ветровые волны заставляют слой скачка колебаться с периодом от нескольких минут до часа. Высота таких волн до 5—6 м.

Развитие внутренних волн вдали от берега зависит в основном от рельефа дна, направления, постоянных течений и господствующего направления атмосферных образований — циклонов.

Вблизи берега слой скачка плотности возникает чаще всего в райо­нах впадения рек, а также во время таяния льда, когда относительно тонкий слой почти пресной воды располагается на высокосоленой и плотной морской воде. Эти факторы служат причиной образования так называемой «мертвой воды» (рис. 58). Она возникает на границе разде­ла между верхним и нижним слоями, резко отличающимися по плот­ности, если толщина верхнего слоя приблизительно равна погружен­ной части судна.

Явление «мертвой воды» встречается повсеместно вблизи устьев крупных рек: Лены, Енисея и др. Особенно часто оно наблюдается в арктических морях в штилевую весеннюю погоду при ледотаянии. Судно, скорость которого примерно совпадает со скоростью сво­бодного движения волны, будет создавать не только судовые волны на поверхности, но и внутренние волны (рис. 59) на границе раздела двух слоев воды — «легкого» верхнего и «тяжелого» нижнего. Волновое сопротивление сильно возрастает, так как вода в верхнем слое, тол­щиной, равной осадке судна, двигается в обратном направлении и вызывает потерю скорости судна.

Суда, идущие с небольшой скоростью, попав в «мертвую воду», внезапно теряют ход и, наоборот, при выходе из нее сразу набирают

скорость. Буксируемые суда на «мертвой воде» рыскают и плохо слушаются руля.

Рис. 59. Внутренние волны:

/ — траектория течения; 2 — Поверхность раздела

Поверхность воды при движе­нии по «мертвой воде» приобретает в штиль своеобразный вид. За кор­мой увеличиваются поперечные волны, впереди появляется боль­шая волна, которую судно толкает.

В узких проливах при значи­тельных скоростях течений внут­ренние волны разрушаются и образуется внутренний прибой. В некоторых случаях он заметен на поверхности. Иногда, благодаря сильному сужению сечения, вихревое движение внутренней прибойной волны достигает поверхности и вызывает сильную толчею и водовороты.

Внутренние волны способствуют размыванию берегов и разруше­нию оснований портовых сооружений. На некоторой глубине давле­ние, вызываемое ударами внутренних волн, может быть больше, чем давление поверхностных волн.

ЛЕДОВЫЙ РЕЖИМ НА РЕКАХ

Перед ледоставом на поверхности реки появляется сало — по­верхностные первичные ледяные образования, состоящие из игло­образных пластинчатых кристаллов в виде пятен или тонкого сплош­ного слоя.

С наступлением холодов, примерно за 12—20 дней до полного ледо­става, появляются забереги— полосы льда, смерзшиеся с бере­гами водных объектов при незамерзшей основной части водного про­странства. Забереги увеличиваются до определенной ширины, после че­го их края из-за постоянного воздействия плывущих льдин рез­ко обозначаются сплошным валом битого измельченного льда. Такие забереги (по которым можно судить о направлении судового хода) на Волге получили название утор.

В этот же период на реке появляется так называемая снежура — скопление снега, плавающего в воде. Снежура при таянии по­глощает часть тепла, вызывая охлаждение воды и ускоряя процесс об­разования льда.

На реках ледоставу предшествует образование внутриводного льда — скопления первичных ледяных кристаллов, обра­зующихся в толще воды и на дне водного объекта.

Донный лед—внутриводный лед, образовавшийся на дне водного объекта. Наиболее распространена гипотеза образования дон­ного льда в связи с турбулентным движением воды. По этой гипотезе. переохлажденные на несколько градусов частицы воды и кристаллы льда увлекаются на дно, где, кристаллизуясь, образуют массы рыхлого. льда. Будучи легче воды, донный лед отрывается от дна и всплывает;

на поверхность, образуя льдины. Большие массы этого льда, всплывая на поверхность, иногда увлекают за собой крупные камни, якоря, металлический лом, кабели.

Шуга — всплывший на поверхность или занесенный в глубь потока внутриводный лед в виде комьев, ковров, венков и подледных скоплений. Иногда за шугу принимают плывущую снежуру.

Шугоход — движение шуги на поверхности и внутри водного потока.

Термину «шуга» часто придают более широкий смысл, включая сюда непосредственно шугу, снежуру и ледовую кашу — массы мелкобитого льда, принесенного течением.

Шуга сильно затрудняет судоходство и опасна, так как, прилипая к корпусу судна, образует под днищем большой слой льда. Густота ее увеличивается с понижением температуры воздуха. Стоящие суда мо­гут примерзнуть к грунту, так как шуга может забить свободное про­странство под днищем.

По мере снижения температуры и увеличения количества шуги из нее образуются осенние льдины, дающие начало осенне­му ледоходу. Осенние льдины небольшие, но крепкие и имеют острые края. Они опасны для судов и сооружений, особенно деревянных, так как легко могут их подрезать.

С увеличением количества льдин и шуги продвижение их затруд­няется. Встретив препятствие, масса льда останавливается и смерза­ется. Наступает ледостав — фаза ледового режима, характеризую­щаяся наличием ледяного покрова.

При ледоставе ледяные поля под воздействием течения напирают друг на друга, образуя торосы — ледяные бугры, идущие поперек реки.

Поверхностный лед, создавая дополнительные сопротивления дви­жению речного потока, изменяет характер уровней и скоростей тече­ния. После ледостава нижняя поверхность льда усиливает сопротив­ление движению воды, в результате чего пропускная способность живо­го сечения снижается. В связи с этим происходит подъем уров­ней. Вода через трещины выступает на лед. Эту воду называют «черной водой», так как на белом первом снегу она выглядит черной. Подъем уровней достигает на некоторых реках 2 м. Наибольший подъем бывает в начале ледостава из-за большой шероховатости ледяного по­крова. Затем шероховатость сглаживается и ледяной покров оказывает потоку меньшее сопротивление.

При прибыли воды после ледостава, когда лед еще непрочно смерз­ся с заберегами, может произойти подвижка льда — небольшие перемещения ледяного покрова на отдельных участках реки или водо­ема. При этом все ледяное поле смещается вниз по течению, причем на­блюдается большое нагромождение льда. Подвижка продолжается до тех пор, пока лед окончательно не остановился. Осенние подвижки очень опасны для судов, так как вместе со льдом могут быть унесены целые караваны судов. Чаще всего они наблюдаются на Ангаре и Ени­сее.

Сильный подъем уровней вызывают зажоры, — скопление шу­ги с включением мелкобитого льда в русле реки, вызывающее стесне­ние водного сечения и связанный с этим подъем уровня воды. Зажоры появляются чаще всего на реках или участках рек с быстрым течением:

Ангаре, Неве, Амударье, Свири, Волхове и т. д. Высота зажорных подъемов уровня обычно не превышает 3—4 м (но известны случаи, когда уровень повышался на 6—7 м), причем такие уровни стоят пол­тора-два месяца. Зимние наводнения при зажорах имеют очень тяже­лые последствия.

На реках с быстрым течением возникают столбы из донного льда — пятры, иначе скопления донного льда, выросшие до поверхности воды. Расширенная шапка их выходит на поверхность реки. Пятры прочно скрепляются с дном, выдерживая скорость воды более 3—4 м/с. Располагаясь рядом и смерзаясь шапками, пятры могут образовать ледяные плотины и вызвать подъем уровней воды.

На некоторых наших южных и европейских реках иногда бывают зимние паводки. При таких паводках уровень воды подни­мается на 6—8 м. Лед, не выдерживая напора воды, ломается и вода устремляется на пойму. Зимние паводки возникают лишь тогда, когда зимой при достаточно высоком снежном покрове наступает сильное потепление и выпадают обильные дожди, которые насыщают снег вла­гой и ускоряют его таяние. В мерзлую почву вода почти не просачи­вается и мощным потоком устремляется в реки, вызывая быстрый подъем уровня.

В зимний период запас грунтовых вод истощается, поэтому уровни воды снижаются, а ледяной покров прогибается и обламывается у бе­регов — происходит оседание льда.

В период ледостава образуются наледи — наросты льда, воз­никающие при замерзании подземных вод, изливающихся на поверх­ность земли, или речных вод, выходящих на поверхность ледяного по­крова. Вода также может выступить на лед вследствие оседания его под тяжестью снега, из родников и незамерзающих источников. Боль­шие наледи значительной толщины образуются в устьевых участках притоков, которые промерзают до дна. Наледи распространены на се­веро-восточных реках. Толщина их может превышать 5 м. При выборе места зимовки следует избегать участков, где могут быть наледи, так как они опасны для судов.

В начальный период ледостава между остановившимися ледяными полями возникают полыньи — пространство открытой воды в ле­дяном покрове, образующееся под влиянием динамических и термиче­ских факторов. С наступлением морозов они покрываются ровным чи­стым льдом. Незамерзающие полыньи встречаются в местах с очень бы­стрым течением, обычно на порогах. Более устойчивы полыньи, обра­зующиеся в истоках рек, вытекающих из озер, на перекатах за длин­ными глубокими плесами. В данном случае вода, выходя из озер и пле­сов, из-за турбулентного перемешивания имеет температуру выше 0° С. Полыньи наблюдаются в истоках Невы, Ангары, Свири, Волхова и других рек.

В полыньях, находящихся перед затонами, накапливается шуга, заполняющая все свободное пространство между корпусами судов, дном и берегами.

После ледостава дальнейший рост толщины ледяного покрова происходит под влиянием низких температур воздуха. Чем больше период низких температур, тем больше толщина льда. Снежный покров, обладая малой теплопроводностью, снижает нара­стание ледяного покрова. Чем выше снежный покров, тем медленнее нарастает лед. Толща льда на одном и том же участке, в местах с ма­лым количеством снега может быть на 0,2—0,5 м больше по сравне­нию с местами, где больше высота слоя снега. Кроме того, толщина льда зависит от скорости течения и притока грунтовых вод. При больших скоростях течения толщина льда меньше. В тихих протоках лед почти в два раза толще, чем в главном русле.

На плесах лед толще, а на перекатах тоньше. Объясняется это тем, что на перекатах степень турбулентности потока больше, чем на пле­сах. Общая температура потока на перекате становится несколько вы­ше 0° С. Положительная температура воды замедляет процесс намер-зания льда и даже является иногда причиной образования полыней.

На реках СССР толщина ледяного покрова до 0,5 м в южных райо­нах и до 2 м в северных.

Толщину льда в естественных условиях при наличии снегового покрова можно рассчитать по следующей эмпирической формуле:

hл=Ф(Et)n, (51)

где ф—коэффициент, равный 1,25—2,0;

Et — сумма среднесуточных отрицательных температур воздуха от начала льдообразования до данного момента;

п — показатель степени для северных рек, равный 0,5.

Весной, с наступлением положительных температур, начинается таяние снежного покрова и льда сверху и у берегов. На льду появляют­ся темные пятна талой воды, которые постепенно распространяются на всю поверхность льда. Ледяной покров при этом выглядит потем­невшим.

Талые воды с берегов стекают в реку, вызывая увеличение расхо­дов воды и скоростей течения. Уровни воды повышаются. Температу­ра воды в реке увеличивается, а это вызывает таяние льда снизу. В связи с поступлением в реку талых вод лед наиболее быстро начинает таять у берегов, при этом создаются закраины— полосы откры­той воды вдоль берегов, образующиеся перед вскрытием в результате таяния льда и повышения уровня воды.

При дальнейшем подъеме уровней ледяной покров отрывается от берегов. Под влиянием течения воды возникают подвижки льда. На­блюдения показывают, что подвижки, как правило, начинаются в том случае, если превышение уровня паводковой воды над уровнем ледо­става достигает 1,0—1,2 м. Подвижек может быть несколько. Они опасны для судов и сооружений в русле, так как могут повредить и даже разрушить их. Для предотвращения этого лед около них заранее окалывают.

В результате подвижек льда появляются разводья — про­странства открытой воды в ледяном покрове.

Основная причина вскрытия рек — сильный подъем уров­ней воды, при котором ледяной покров ломается на отдельные льдины, приходящие под воздействием течения в движение. Так начинается весенний ледоход. При ледоходе льдины разбиваются на более мелкие, выносятся в море, озеро или реку, выталкиваются на берега и там тают. На реках, вытекающих из озер (Свирь, Нева и т. д.), наблюдаются обычно два весенних ледохода; при первом река очищает­ся от своего льда, при втором несет лед из озера.

Вскрытие рек, текущих с севера на юг, происходит относительно спокойно. Ледоход проходит в низовье, и лед идет уже по вскрывшей­ся реке. Ледяной покров разрушается при наступлении теплой пого­ды и соответствующем подъеме уровня воды. Такой вид ледохода быва­ет на Днепре, Волге и др.

На реках, текущих с юга на север, вскрытие происходит при проч­ном льде под воздействием паводка, идущего сверху. Ледоход бурный, сопровождается большим нагромождением льда на берегах и частыми заторами. Иногда паводок не может взломать ледяной покров и вода идет поверх льда. Такое вскрытие характерно для северных рек ев­ропейской части СССР и рек Сибири.

Заторы — скопление льдин в русле реки во время ледохода, вызывающее стеснение водного сечения и связанный с этим подъем уровня воды. Лед при заторе часто забивает все живое сечение реки до дна. Особенно часто наблюдаются и достигают больших размеров за­торы весной.

Заторы вызывают большой (до 10 м в сутки) подъем уровней воды. Подъем уровней происходит до тех пор, пока давлением воды затор не будет прорван. Ниже затора уровни резко снижаются. Иногда река уходит в сторону от затора, разрабатывая себе новый ход, называе­мый прорвой.

Заторы опасны для отстаивающегося флота, гидросооружений и населенных пунктов. Подъем уровней выше затора приводит к образо­ванию обратных течений. Устремившийся вместе с течением лед входит в затоны, повреждая суда. Наиболее опасны моменты прорыва затора, когда вода и лед с большой скоростью устремляются вниз, сметая все на своем пути. Суда, находящиеся выше затора над затопленной пой­мой, могут обсохнуть на ней при прорыве затора из-за быстрого спада воды. На некоторых сибирских реках (Енисее, Ангаре, Лене) заторы носят подчас катастрофический характер.

Заторы ликвидируют при помощи взрывных работ, бомбардировки и ледоколов.

Осенний ледоход в нижних бьефах наступает на несколько дней позже по сравнению с тем, как это было до создания водохранилища. Ледостав часто сопровождается заторами и подъе­мом уровней воды. За счет поступления из водохранилища воды с по­ложительной температурой ниже ГЭС образуются полыньи (например, ниже Иваньковского водохранилища полынья обычно имеет длину до 25 км, ниже Рыбинского—от 3 до 20 км). При понижении температуры воздуха полынья может быть причиной образования большого количества донного льда и зажоров на нижележащих участках. Если

ниже плотины попусками воды создаются скорости, равные или большие 1—1,5 м/с в южных районах, 2 м/с — в средней полосе и 3 м/с в северной полосе, то ледяной покров не образуется.

Начало весеннего ледохода наступает несколько позднее по сравнению со сроками вскрытия реки, находящейся в естественном состоянии.