Значение ветровых волн. Общие сведения из теории ветровых волн. Основные характеристики волн

Ветровые волны

Штормовые волны в Северной части Тихого Океана

Океанские волны

Ветровые волны создаются вследствие воздействия ветра (передвижение воздушных масс) на поверхность воды, то есть нагнетания. Причина колебательных движений волн становится легко понятна, если заметить воздействие того же ветра на поверхность пшеничного поля. Хорошо заметна непостоянность ветровых потоков, которые и создают волны.

В силу того что вода является веществом более плотным, чем воздух (примерно в 800 раз) - реакция воды на воздействие ветра несколько «запаздывает», и рябь переходит в волны лишь через некоторое расстояние и время при условии постоянного воздействия ветра. Если учесть такие параметры, как постоянность потока ветра, его направление, скорость, площадь воздействия, а также предыдущее состояние колебания поверхности водной глади, то мы получаем направление волны, высоту волны, частоту волны, наложение нескольких колебаний-направлений на один и тот же участок поверхности воды. Следует отметить, что направление волны не всегда совпадает с направлением ветра. Это особо заметно при изменении направления ветра, смешивании разных воздушных потоков, изменении условий среды воздействия (открытое море, гавань, суша, залив или любое другое достаточно большое тело, способное внести изменение в тенденцию воздействия и образования волн)- это означает, что иногда ветер гасит волны.

Вертикальное движение волн

В отличие от постоянных потоков в реках, что идут в практически одном и том же направлении, энергия волн содержится в их вертикальном колебании и частично горизонтальном при малой глубине. Высота волны, а точнее, её распределение, расценивается как 2/3 над среднестатистической поверхностью воды и всего лишь на 1/3 в глубь. Примерно такое же соотношение отмечается и в скорости движения волны вверх и вниз. Вероятно, эта разница вызвана разной природой сил воздействия на движение волны: при подъёме водной массы действует в основном давление (волну буквально выдавливает из моря повышенное давление воды на данном участке и сравнительно низкое сопротивление-давление воздуха). При движении волны вниз в основном действуют сила гравитации , вязкость жидкости, давление ветра на поверхность. Противодействуют этому процессу: инерция предыдущего движения воды, внутреннее давление моря (вода медленно уступает место опускающейся волне - перемещая давление в близлежащие районы воды), плотность воды, вероятные восходящие потоки воздуха (пузыри), возникающие при опрокидывании гребня волны, и т. д.

Волны как возобновляемый источник энергии

Особенно важно отметить тот факт, что ветровые волны являются сконцентрированной энергией ветра. Волны передаются на большие расстояния и сохраняют в себе потенциал энергии на долгое время. Так, часто можно наблюдать волнение моря после бури или шторма, когда ветер давно стих, или волнение моря при штиле. Это даёт волнам большое преимущество как возобновляемому источнику энергии в ввиду его сравнительного постоянства и возможности прогнозирования, поскольку волны возникают практически с небольшой задержкой после возникновения ветра и продолжают существовать долго после него, перемещаясь на далёкие расстояния, что делает получение электроэнергии от волн более рентабельным по сравнению с ветрогенераторами . Сюда следует добавить постоянство морского волнения вне зависимости от времени суток или облачности, что делает волновые генераторы более рентабельными по сравнению с солнечными батареями , так как солнечные батареи вырабатывают электричество только днём и желательно при ясной летней погоде - зимой же процент производительности ниспадает до 5 % от предполагаемой мощности батареи.

Колебания водной поверхности являются результатом воздействия солнечной активности. Солнце нагревает поверхность планеты (причём неравномерно - суша нагревается быстрее, чем море), повышение температуры поверхности приводит к повышению температуры воздуха - а это, в свою очередь, приводит к расширению воздуха, что означает повышение давления. Как известно, воздух с избыточным давлением перетекает в область с менее высоким давлением - то есть создаётся ветер . А ветер нагнетает волны. Надо отметить, что этот феномен также хорошо действует и в обратном направлении, когда поверхность планеты неравномерно остывает.

Если учесть возможность повышения концентрации энергии на квадратный метр поверхности путём уменьшения глубины дна и (или) создания волновых «загонов» - вертикальных барьеров, то получение электричества от волновых колебаний водной поверхности становится очень выгодным предложением. Подсчитано, что при использовании лишь 2-5 % энергии волн мирового океана человечество в силах перекрыть все свои нынешние потребности в электроэнергии на глобальном уровне в 5 раз.

Сложность воплощения волновых генераторов в реальность заключается в самой водной среде и её непостоянстве. Известны случаи высоты волн в 30 и более метров. Сильны волнения или высокая энергоконцентрация волн в районах ближе к полюсам (в среднем 60-70 кВ/кв.м.). Этот факт ставит перед изобретателями, работающими в северных широтах, задачу обеспечить должную надежность устройства, чем уровень КПД . И наоборот - в Средиземном море и Чёрном море, где энергоёмкость волн составляет в среднем около 10 кВч/квадратный метр, конструкторы, кроме живучести установки в неблагоприятных условиях, вынуждены искать способы повышения эффективности установки (КПД), что неизменно приведёт последних к созданию более рентабельных установок. Примером может послужить Австралийский проект Oceanlinx .

В Российской Федерации эта ниша производства электроэнергии пока не заполнена, несмотря на практически неограниченные водные просторы разной энергоёмкости, начиная с Байкала, Каспийского, Чёрного морей и кончая Тихим Океаном и другими северными водными просторами (на период незамерзания).

Кроме того, в местах преобразования волн в электроэнергию морская жизнь становится более богатой ввиду того, что дно не подвергается деструктивным воздействиям во время шторма.

Примечания

• Carr, Michael "Understanding Waves" Sail Oct 1998: 38-45.
• Rousmaniere, John. The Annapolis Book of Seamanship, New York: Simon & Schuster 1989
• G.G. Stokes (1847). «On the theory of oscillatory waves». Transactions of the Cambridge Philosophical Society 8 : 441–455.
  Reprinted in: G.G. Stokes Mathematical and Physical Papers, Volume I . - Cambridge University Press, 1880. - P. 197–229.
• Phillips, O.M. (1977), «The dynamics of the upper ocean» (2 nd ed.) ISBN 0 521 29801 6
• Holthuijsen, L.H. (2007), «Waves in oceanic and coastal waters» , Cambridge University Press, ISBN 0521860288
• Falkovich, Gregory (2011), «Fluid Mechanics (A short course for physicists)» , Cambridge University Press, ISBN 978-1-107-00575-4

Ссылки

Волнение сопровождается перемещением водных масс. Движение частиц воды при волнении происходит по незамкнутым орбитам и представляет собой сложный для теоретического описания случайный неупорядоченный процесс, зависящий от многих факторов.

Основные элементы морских ветровых волн следующие: высота h - расстояние по вертикали от впадины волны до гребня; длина X - горизонтальное расстояние между двумя последовательно расположенными гребнями или впадинами; период Т, - интервал времени между прохождением вершин двух последовательно идущих волн через фиксированную вертикаль.

Высота морских ветровых волн уменьшается по мере движения от поверхности к дну моря. Согласно классической тро- хоидальной теории волн их высота уменьшается с глубиной по экспоненциальному закону

h 2 = hе -2яг/ ^ (3.1)

где z - глубина от поверхности моря; h z и h - высота волн на глубине z и на поверхности моря соответственно.

В действительности затухание волн с глубиной происходит несколько быстрее, чем это следует из классической теории волн. Результаты натурных исследований показывают, что уменьшение высоты поверхностных волн с глубиной для аква-

торий, глубина которых в 2 раза и более превосходит длину волны, правильнее оценивать по выражению

h z = he -5,5(z/Х)0,8 . (3.2)

Однако для инженерных расчетов такие уточнения не существенны. На указанных акваториях приближенно рассчитать высоту волны h z на глубине z можно, исходя из несложного правила: если глубина увеличивается в арифметической прогрессии, то высота волн уменьшается в геометрической прогрессии (табл. 3.1).

Ветровые волны подразделяют на вынужденные, возникающие и находящиеся под воздействием ветрового давления, и свободные, имеющие место после прекращения ветра или вышедшие за зону его действия. Свободные волны иначе называют волнами зыби. Результаты многочисленных наблюдений за волнением в натурных условиях показывают, что для глубоководных акваторий, где дно не влияет на форму и размеры ветровых волн, можно считать, что X « 20h для ветровых волн и X « 30h для волн зыби (табл. 3.2). Встречающиеся на пути волн преграды подвергаются гидродинамическим нагрузкам. Согласно современным представлениям гидродинамики основными компонентами общей силы давления волн на любую цилиндрическую преграду являются сила лобового сопротивления, инерционная сила и сила удара воды о преграду.

Сила лобового сопротивления пропорциональна квадрату линейной скорости орбитального движения. Ее максимальное значение достигается при прохождении у моноопоры вершины гребня волны. Сила лобового сопротивления обусловлена тем, что на поверхности преграды при обтекании ее вязкой жидкостью возникает, а при определенных условиях периодически отрывается, пограничный слой вихревой структуры. Энергия,

Таблица 3.1

Уменьшение высоты волн с глубиной моря (в относительных единицах)

Таблица 3.2

Шкалы степени ветрового волнения (числитель) и зыби (знаменатель)

Ветровые волны являются гравитационными, так как ветер – это та сила, которая при воздействии на водную поверхность выводит жидкость из состояния равновесия, а сила тяжести заставляет ее возвращаться в исходное состояние. Благодаря инерции движение осуществляется в виде последовательных колебаний частиц воды, которые при достаточно большой глубине движутся по круговым орбитам и сообщают нижележащим слоям такое же движение, ослабляющееся по мере удаления от поверхности воды. Из этого следует, что волнения быстро затухают с глубиной. Если глубина водоема ограничена, то трение о дно оказывает влияние на форму орбит: с глубиной они, уменьшаясь в абсолютных значениях становятся все более вытянутыми и принимают форму эллипса, а в природном слое частицы двигаются лишь в горизонтальном направлении. Видимая часть волны перемещается в пространстве в виде поступательного движения волн. По внешнему виду формы волны волнение подразделяется на двухмерное и трехмерное. Как правило, двухмерное волнение встречается на открытых акваториях морей и океанов после окончания действия ветра. На внутренних водоемах почти не встречаются ветровые волны правильной формы, так как воздействие даже постоянного по направлению и скорости ветра осуществляется в форме неодинаковых импульсов, передаваемых водной массе. Изменчивость ветра по направлению может вызывать присутствие в водоеме одновременно нескольких систем волн, при наложении которых друг на друга создается сложная картина трехмерного ветрового волнения, гребни волн, которого не создают правильной линии фронта, а располагаются в условном шахматном порядке. Форма и размер волн определяются их элементами. Для наглядности рассмотрим волновые колебания в фиксированной точке водоема при прохождении через нее волн, а также волновой профиль – сечение взволнованной поверхности в фиксированный момент времени вертикальной плоскостью в главном направлении распространения волн . (См. рисунок 2.1)

Рисунок 2.1 Профиль и элементы волн

По степени развития ветрового волнения различают нарастающие, установившиеся и затухающие волнения. Характерным признаком нарастающего волнения является то, что размеры волн еще не достигли тех величин, которые они должны иметь при длительном действии ветра данного направления и скорости. Установившееся волнение характеризуется тем, что рост волн прекращается, не смотря на дальнейшее увеличение скорости ветра. Ученые предполагают, что это явление наступает при соотношении между скоростью распространения волн и ветра, равном 0.8, так как при этом величина передаваемой ветром энергии будет равна ее диссипации, помимо этого величина передаваемой ветром энергии будет уменьшаться, вследствие усиления поступательного движения волн. Затухающие волнение присутствует, когда происходит затухание ветра и водная масса еще не пришла в равновесие. Высоты волн при затухающем волнении, как правило ниже, чем при установившемся, и постепенно сходят на нет. Размеры ветровых волн зависят от ряда факторов, основными из которых являются: продолжительность действия ветра и скорость, длина разгона – расстояние от подветренного берега до расчетной точки, глубина водоема и очертание береговой линии. На внутренних водоемах влияние данных факторов проявляется иначе, чем на открытых акваториях морей и океанов, где основную роль в развитии волн играет ветер, скорость и направление которого меняются по акватории, так как разгоны достигают сотен и даже тысяч километров. И только вблизи береговой линии на мелководий глубины и очертания берегов влияют на волны. На внутренних водоемах, и их сравнительно небольшими размерами акваторий, направление и скорость ветра нередко можно считать постоянными по площади акватории и определять по данным наблюдений прибрежных метеорологических станций. Ограниченные размеры акваторий являются также причиной того, что на водохранилищах и озерах ветер в течение короткого времени развивает волнение до установившегося состояния, и волны достигают предельного развития уже через несколько часов после начала действия устойчивых по скорости ветров. При постоянном ветре статистические характеристики волнения не изменяются со временем. Четкие границы установившегося волнения точно не определены, и разные ученые оценивают его по разному. Главной особенностью ветрового волнения на внутренних водоемах является его практическая независимость от длительности действия ветра. Волнение и затухает достаточно быстро вслед за ветром, поэтому на внутренних водоемах практически не встречается зыби.

Все водоемы или их участки по условиям воздействия глубины на волнения делятся на глубоководные – с глубинами более половины длины волны (Н>), мелководные – с глубинами меньше половины длины волны и уклоном дна меньше 0.001 (Н≤,i≤0.001) и смешанные, в которых вдоль разгона имеют место как глубоководные, так и мелководные условия волнообразования, а уклоны дна принимают значения больше и меньше 0.001. Понятия «мелководные и глубоководные» водоемы достаточно относительны: одна и та же акватория может быть, как глубоководной так и мелководной в зависимости от параметров волнения. В большинстве случаев на водохранилищах из за сложного рельефа дна на пути разгона, глубина играет решающую роль в волнообразующих процессах. И расчет глубины подлежит тщательному учету при расчетах ветрового волнения. Количественное влияние глубины на формирование ветровой волны оценивается по разному: одни исследователи предлагают учитывать глубину в точке расчета, другие – среднюю глубину на профиле разгона, третьи – смену глубин по расчетному профилю от участка к участку (метод шагов). Значительную роль играют глубины в формировании волн в условиях водохранилищ и небольших озер. Она тесно связана с морфометрическими характеристиками особенностями водохранилищ, с режимом их эксплуатации, с уровневым режимом. К примеру на Рыбинском водохранилище, представляющем собой затопленное междуречье с глубинами 7-9 м, учет глубины совершенно необходим, так как в случае навигационной сработки водохранилища на 2 м (не заполнения водохранилища до нормального подпорного уровня – НПУ) глубина может существенно ограничивать рост волн на всей акватории. Обратная ситуация на водохранилищах с высоконапорными плотинами (Братское, Красноярское) глубина практически не оказывает влияния на формирование волн, так как при глубинах от 20 до 100 м у плотины эти водоемы могут быть отнесены к глубоководным. Для «смешанных водоемов» (Куйбышевское, Цимлянское водохранилища) характерно более значительное влияние глубины на высоту волны на верхних участках, чем в приплотинной части, близкой по условиям к глубокой воде. Ограничивающее влияние глубины на верхних участках особенно заметно в условиях летней сработки водохранилищ сезонного и многолетнего регулирования. А также при не заполнении водохранилищ многолетнего регулирования до НПУ. На значительных равнинных водохранилищах при колебаниях уровней в без ледовый период 2-3 м значительно изменяется площадь акватории, разгон волн и глубина. В связи с этим в расчетах ветрового волнения необходимо учитывать колебания уровня в без ледовый период. Воздействие глубины на ветровое волнение на замкнутых внутренних водоемах также выражается и в ограничении развития высот волн, когда по условиям разгона и скорости ветра волны могли бы расти. В таких случаях следует говорить о действующем или предельном разгоне при данных ветровых условиях, последующее увеличение которого уже не влечет за собой развития волнения. При максимальной для внутренних водоемов скоростях ветра (20 – 25 м/с) величина действующего разгона составляет около 100 км. Прибрежная полоса как мелководных, так и глубоководных водоемов делиться на четыре зоны, в пределах которых условия волнообразования и характер волнения имеет свои специфические особенности.

При рассмотрении этих зон приняты следующие обозначения: Нкр – глубина, на которой разбиваются волны данной высоты (Нкр=2h),

λ – средняя длина волны на глубокой воде, h – средняя высота волн, которая могла бы наблюдаться на глубокой воде, h 1 – средняя высота волн, которая могла бы наблюдаться в любой точке второй зоны при условии, что Н – глубина воды на границе между первой и второй зонами (переход от уклона i≤0.001 к уклонам i>0.001).

Первая зона – глубоководная (если водоем глубоководный) или мелководная (если водоем мелководный).

Вторая зона – зона трансформации волн, распространяющихся из первой зоны к берегу в направлении уменьшения глубин. В глубоководных водоемах к ней относиться прибрежная полоса воды с глубинами Н кр 0.001, а в мелководных – прибрежная полоса воды с глубинами Н>H кр, и уклонами i>0.001, Hкр=2h 1.

Третья зона – зона прибоя, с глубинами H обр

Четвертая зона – зона наката, приурезовая, на границе которой при Н обр =0.65 Н кр происходит окончательное разрушение всех волн и образование наката – прибойного потока воды на берег.

На внутренних водоёмах со сложным рельефом дна по условиям волнообразования вторая и третья зоны могут занимать не только прибрежную полосу, но и располагаться на удаленных от берега мелководных участках водоема. Важными факторами определяющими ветровое волнение на внутренних водоемах, является их конфигурация, изрезанность береговой линии и наличие на пути разгона препятствий (мысов, островов). Таким образом, из за ряда перечисленных особенностей волнообразования ветровое волнение на внутренних водоемах является сложным, трехмерным, а в силу ограниченной глубины крутизна волн значительно больше, чем у морских. В связи с этим теоретические методы расчетов элементов волн, разработанные для морских условий, оказываются непригодными для внутренних водоемов. В настоящее время широкое развитие получили эмпирические методы расчетов элементов волн, а также полуэмпирические, основанные на использовании уравнения баланса волновой энергии с привлечением эмпирических коэффициентов. Наиболее перспективны спектральные метод расчетов элементов ветровых волн.

Волны – это неотъемлемая часть морской жизни яхтсмена, именно поэтому матерые мореманы всегда уделяют данному вопросу достаточно много времени. А вот почему, узнаем далее.

Все очень просто: волны в значительной мере определяют тот самый уровень комфортности нахождения в море. Большие и быстрые волны способны создать опасную ситуацию для судна и пассажиров на его борту, а маленькие и относительно безобидные волны вы можете даже и не заметить.

В данной статье мы хотели бы уделить внимание именно ветровым волнам, то есть тем, которые образуются под действием ветровых потоков (бывают еще волны, возникающие из-за повышенной сейсмической активности – цунами, влияние луны – приливы, отливы). Любая волна начинается с мелкой ряби на поверхности воды, из которой постепенно развиваются гравитационные волны, увеличивая свою длину и высоту.

Структура волны:

Ветровая волна всегда состоит из переднего и заднего склона, основное отличие их друг от друга заключается в том, что передний склон – это фронт направления волны и он всегда более крутой, а задний – наветренный и пологий. Водная масса в волне двигается практически по круговой траектории. Когда сила ветра стихает волна преобразуется в зыбь. На практике чаще всего наблюдается смешанное волнение: зыбь и ветровые волны одновременно.

Основные характеристики волн:

Чаще всего под определением высота волны подразумевают именно значительную высоту ее волнения. Что это означает? Значительная высота определяется, как третья часть от самой наивысшей волны. В реальности наивысших волн будет мало, большинство волн будет иметь высоту ниже.

Крутизна волн

Данная величина может быть выражена простой формулой: отношение высоты волны к половине ее длины. Соответственно, чем выше волна, тем она круче.

Скорость волн

Кроме высоты и крутизны волны опытных яхтсменов также интересует такая величина, как скорость волны. Рассчитать ее можно по формуле длина волны / период волны. Отсюда вывод – чем длиннее волна, тем больше ее скорость.

В настоящее время принято делить основные направления изучения волнений на:

Гидродинамические

Энергетические

Статистические

Спектральные

2.2.1 Гидродинамические методы:

В основном относиться к безвихревым формам движения, в ходе исследования изучаются волны малой амплитуды на большой глубине. Также результаты показали, что данное направление хорошо работает при условии что высота волны бесконечно мала, по сравнению с ее длиной. В природе данное явление встречается только в приливных волнах. Данное направление преимущественно является морским и на вопрос «как из маленьких волн получаются огромные волн под действием ветра» так и не дало. Для использования данного метода лучше всего подходит теория ветровых волн Герстнера, которая позволила установить взаимосвязь между элементами короткопериодных волн. В основу расчетов волнового режима при проектировке самых первых водохранилищ положены эмпирические расчетные методы:

Способ В.Г. Андреянова. Расчетная формула получена в ходе анализа наблюдений, проведенных Беломорстроем в 1931 – 1932 гг. на озерах Выг и Онежском озере. Элементы волн определялись визуально, в дальнейшем при расчетах применялись только случаи установившегося волнения. Диапазон составил по:

· Величине разгона от 3 до 30 км

· Скорости ветра от 5 – 15 м/с

Полученные зависимости имеют следующий вид:

При скорости ветра больше 15 м/с формула имеет следующий вид:

Продолжительность роста волн (в часах) t определяется по формуле:

t = 0.673 W (2.4)

Максимальная длина разгона, на которой волны могут достигнуть максимальной высоты, определяется как:

Следует заметить, что формулы составлены для средневысокой волны. В результате многочисленных проверок выяснилось, что обеспеченность этой волны близка к 4%.

Способ Н.Д. Шишова. Данные получены на основе наблюдений на внутренних водоемах с разгонами от 70 до 90 км. В формулы включен учет средней глубины на профиле разгона.

где коэффициенты a и b зависят от средней глубины водоема; а изменяется в пределах от 0.021 при глубинах 2 – 4 м до 0.046 – при глубинах 30 – 35 м; b от 0.18 до 0.71.

Способ Е.А. Дьяковой. Данные получены по материалам наблюдений на Северном Каспии:

h max (15%) = 1.61 h ср (2.9)

где Н – глубина в расчетной точке. Способ является не точным так как на формирование волн гораздо большее значение оказывает смена глубин по всему профилю разгона.

2.2.2 Энергетические методы:

В основе данного метода лежит уравнение В.М. Маккавеева, который рассмотрел вопрос роста волн под действием ветра с энергетической точки зрения. Согласно энергетическому принципу, изменение энергии всякой механической системы равно работе внешних сил за исключением внутренних сил и диссипации энергии. Применение данного принципа позволило создать уравнение:

(2.10)

где Е – количество волновой энергии на единицу площади взволнованной поверхности, Ve – скорость переноса волновой энергии, Mv - волновая энергия, Eμ - диссипация волновой энергии, х - расстояние по направлению действия ветра. Данный метод позволил изучить свойства изменения параметров волн под влиянием ветра, рельефа дна. В процессе развития плотно взаимодействуя с гидродинамическим методом дал резкий скачок в процессе познания ветрового волнения.

Способ А.П. Браславского (1952). Зависимость получена в ходе интегрирования уравнения Маккавеева в пределах участка длиной от х н до х н+1 и получил уравнение баланса волновой энергии для установившегося волнового состояния водоема.

где Υ – объемные вес воды, х – расстояние по направлению движения волн, U – групповая скорость волн или скорость передачи энергии вдоль разгона, R 1 - осредненное во времени количество энергии, подводимое за единицу времени извне к объему dx*H (Н – глубина водоема в данном пункте), R 2 – осредненное во времени количество энергии, теряемое за единицу времени в том же объеме воды dx*Н.

R 2 =R 2д + R 2в + R 2г (2.12)

где R 2д диссипация энергии волнующейся поверхности, R 2в – потери энергии внутри водной массы, R 2г – потери энергии внутри грунта дна. Обеспеченность высоты волны в системе волнения равна 1%. Скорость ветра принималась на высоте 10 м. В конечно счете расчетная формула имеет вид:

Решение уравнения производиться подбором. Данный способ нашел широкое применение в инженерных расчетах водохранилищ. Методически расчет ведется по отдельным участкам расчетного профиля и начинается от подветренного берега. Участки определяются однородными характеристиками (i, h, e).

Способ Н.А. Лабзовского. В его основе лежит теоретические положения метода Маккавеева. Рассматривается установившееся волнение и пренебрегается рассеиванием энергии. При этом первый и последний члены уравнения баланса волновой энергии становятся равны нулю. В результате получены следующие формулы:

(2.14)

(2.15)

(2.16)

(2.17)

где h, c, λ, τ – соответствующие элементы ветровых волн, а ε – крутизна. Автором выведены эмпирические формулы для определения предельного разгона и крутизны волны:

(2.18)

(2.19)

Так же, в формулу для расчета h введен коэффициент k отражающий более интенсивное развитие волн в начале разгона:

(2.20)

И в конечном счете формула для подсчёта высоты волны принимает вид:

(2.21)

Высота волн, по данному способу, имеет обеспеченность близкую к 1% в системе волнения, а длины – к 50%.

Способы Лабзовского и Браславского используются и поныне. Метод Браславского дает несколько заниженные результаты (до 15%), а метод Лабзовского завышает результаты. Возможно это связанно с тем, что эмпирические коэффициенты получены в основном на мелководном Рыбинском водохранилище.

2.2.3 Статистические методы:

В связи с активным применением инструментальных методов измерения волн – стереофотосъемки волн и волнографных записей, удалось получить непрерывную регистрацию элементов волн в фиксированной точке водоема в течение определенного времени. Благодаря этому стало возможным применение методов математической статистики. Данный метод позволил установить связь между значениями элементов волн и вероятностью появления этих значений при определенных условиях волнообразования. Данные связи называются функциями распределения элементов ветрового волнения. Одни функции характеризуют вероятность появления – статистические, другие- функции распределения элементов волн во времени – режимные. Современные расчеты данным методом позволили установить, что для установившегося, развивающегося и затухающего волнения при одних и тех же условиях эти параметры различны. Большой вклад развитие данного метода внесли Л.Ф. Титов, И.Н. Давидан, Г.В. Ржеплинский. Метод является основой для других расчетных методов.

2.2.4 Спектральные методы:

В основном исследуют особенности внутренней структуры волнения. Широкое развитие данный метод получил после открытия взаимоотношения между энергетическим спектром волнения элементарных волн и видимой высоты. Большой вклад в развитие этого метода внесли Ю.М. Крылов, И.Н Давидан, Г.В. Матушевский. Наибольшее значение играет при расчетах для водоемов сложной конфигурации и замкнутых акваторий. Связанно это прежде всего с тем, что данный метод позволяет точно определять контуры береговой линии.

Спектральный метод расчета волн позволяет произвести анализ физической сущности процесса. Сложение отдельных элементарных колебаний, формирующих сложный вид взволнованной поверхности, происходит со случайным сдвигом фаз и направлений, что придает явлению вероятностный характер и позволяет рассматривать его с позиции теории случайных процессов. Модель взволнованной поверхности полностью определяется двумерным спектром (Крылов и др. 1969) и является внутренней характеристикой волнового процесса. Мы его не видим непосредственно, а лишь наблюдаем результат взаимодействия всех спектральных составляющих, поэтому наблюдаемые волны являются случайными величинами. Угловой энергетический спектр дает подробную информацию о распределении энергии элементарных волн в зависимости от направления их распространения и равен интегралу от двумерного спектра по всем частотам. Впервые аналитическая функция углового распределения энергии волн выявлена В. Пирсом и Р. Артуром и имеет вид cos 2 Θ, где Θ направление распространения элементарной плоской волны. Эта функция была подтверждена эмпирическими исследованиями углового спектра волнения и использована при разработке метода расчета ветрового волнения на водоемах со сложной конфигураций береговой линии. При этом в качестве критерия сложности берегового контура принято соотношение d/D: контур береговой линии может

При рассмотрении приложения А видим, что в точку Р приходят спектральные составляющие с направлениями от –(π/2) до +(π/2) относительно основного направления ветра. Если луч какой-либо элементарной волны встречает на своем пути береговую линию, то ее энергия в зоне прибоя полностью гасится. Энергия элементарной волны определяется только проекцией луча волны на направление ветра. Формирование волнового поля происходит по законам геометрической оптики. А связь между высотой волны и угловым спектром выражается соотношением:

где h 0 - высота волны при ветре скоростью W м/с и разгоне х * i =r(Θ) cos Θ от берега, r (Θ) – расстояние от подветренного берега до расчетной точки по направлению Θ, Θ i – угол между направлением ветра и данной спектральной составляющей, ΔЕ – доля энергии, которой обладают спектральные составляющие, имеющие направление и расстояние от Θ i – (½)ΔΘ до Θ i + (½)ΔΘ, где ΔΘ – принятая угловая ширина сектора в зависимости от числа спектральных составляющих. Величина ΔЕ определяется как разность Е по таблице каждого из направлений в секторе от +π/2 до –π/2, на основе функции (2/π) *сos 2 Θ и меняется в пределах от 0 при Θ=+(π/2) до 0.5 при Θ=0. В основном удовлетворительные результаты получаются при учете семи секторов с угловой шириной 22.5 о каждый. Тогда расчетная формула примет вид:

где h n (при n=0,±1,±2,±3) высоты волн, которые должны приниматься по расчетной скорости ветра и разгону D n , равном проекции лучей на направление главного луча, совпадающего с направлением ветра. Лучи проводятся из расчетной точки до пересечения с линией берега в направлениях Θ=22,5 о n от главного луча. Расчет ведется по каждой угловой составляющей по тому или иному расчетному методу. Анализ многолетних наблюдений за ветровыми волнениями на внутренних водоемах, выполненный Г.Г. Карасевой на основе учета сложности берегового контура и дифференциации условий глубокой и мелкой воды, позволил установить зависимость высот волн от волнообразующих факторов на глубокой воде для внутренних водоемов:

где h 1% - высота волны обеспеченностью 1 %, D – разгон в м, W – скорость ветра, м/с. На современном этапе развития в ходе анализа и обобщения данных исследований ветрового волнения различных авторов получена номограмма для расчета характеристик ветровых волн. Верхняя огибающая номограммы, приведенная к обеспеченности 1% в системе, близка к результатам расчетов по зависимости Карасевой (расхождение не более 10%). При переходе от средней высоты волны в системе к высоте волн любой обеспеченности нужно среднюю высоту волны с номограммы умножить на коэффициент k i , который показывает изменение функции распределения высот волн в зависимости от безразмерного разгона. Величина коэффициента k определяется для и и берется меньшее значение. Для условий водохранилищ и озер со сравнительно небольшими разгонами для расчета волн на мелкой воде может быть использована величина средневзвешенной глубины на профиле разгона, при этом принимается соответствующей значению . Определение высоты волны в прибрежной зоне осуществляется с учетом трансформации и рефракции волн. Явление трансформации связанно с тем, что на мелководье с большими уклонами дна происходит процесс торможения подошвы волны и перераспределения орбитальной скорости движения частиц и энергии волны. В ходе чего гребень приобретает большую скорость и после прохождения критической глубины происходит опрокидывание волны. Данный процесс можно рассчитать приближенно для откосов с уклоном меньше 45 о и глубинами меньше критических по формуле Н.Н Джунковского, которая дает результаты близкие к наблюдаемым.

(2.25)

где h в высота вкатывания волны от спокойного горизонта, k – коэффициент, зависящий от шероховатости стенок (для каменной наброски k=0,77, для каменной стенки k=1.0), h – высота волны, м, у стенки, α – угол наклона стенки от 14 до 45 о. Если необходимо определить более точно высоту наката волны на берег откосного типа используются также специальные руководства, но расчет по формуле Джунковского близко по значению и практически не уступает по точности.

Следует отметить, что кроме поверхностных волн существуют и внутренние волны, амплитуда которых может превышать амплитуду поверхностных волн в десятки раз. Значение внутренних волн важно и его следует учитывать при расчетах, однако точно рассчитать его пока не удается, но существует гипотеза о воздействии внутренних волн на берег высказанная Н.Н Зубовым, а формулу расчета предоставил В.В. Шулейкин.

Ветровые волны важный элемент, который необходимо учитывать при проектировании и создании водохранилищ, плотин, водных и туристических путей. Если же данный параметр будет определен некорректно или же будет опущен, вследствие халатных действий это может привести к большим человеческим и материальным жертвам.

В настоящее время в связи с ежедневным развитием технологий и накопленных знаний, данные методы развиваются и преобразуются, позволяя исследователям открывать, описывать, рассчитывать и находить все новые и новые закономерности в природе ветровых волн. Что непременно ведет к новым глобальным открытиям и скачкам вперед к познанию окружающей среды.