книги из ГПНТБ / Земляновский, Д. К. Общая лоция внутренних водных путей учеб. пособие

ветра увеличивается в среднем на 30%. Однако скорость ветра обусловлена и особенностями рельефа. При низких и открытых бе­ регах средняя скорость ветра возрастает почти в 1,5 раза, а под лесистыми и высокими берегами уменьшается.

Препятствия оказывают разнообразное влияние на воздушный поток в зависимости от их размеров и форм, от расположения по отношению к ветру, от скорости ветра и от состояния атмосферы.

На рис. 56 показаны направления и цифрами — скорость ветра на участке реки, имеющем высокий правый берег (80—100 м ) и низкий левый берег. Ветер, дующий с горы, сохраняет свое на­ правление лишь у противоположного берега. Непосредственно под горой ветер приобретает обратное направление. Следовательно,

СЗ

ветер, наблюдаемый на подходе к горе как отвальный, фактиче­ ски вблизи нее будет навальным. Опасными для судов являются разрывы высоких берегов долинами притоков, оврагами. Через эти разрывы ветер с большой силой «сваливается» на реку или водо­ хранилище.

Разберем несколько типичных случаев.

При ветре, дующем из-за берегового отдельно стоящего пре­ пятствия, вблизи него создается ветровая тень, а на некотором расстоянии — вихрь с горизонтальной осью и ветром обратного направления.

няет направление почти на обратное (до 150°). Направление ме­ няется по часовой стрелке и сказывается на расстоянии, равном одной-двум высотам берега.

112

Высокие и изрезанные берега изменяют скорость ветра, дую­ щего со стороны берега, придавая ветру в прибрежной полосе не­ устойчивое направление и порывистость.

Сила и направление ветра не остаются длительное время по­

Все перечисленные особенности ветра необходимо учитывать при управлении судном, особенно при швартовке.

§ 23. ВЕТРОВЫЕ ВОЛНЫ

Образование. При слабом ветре, дующем со скоростью, 0,25—1,0 м/сек, на поверхности воды появляются волны очень ма­ лых размеров, называемые р я б ь ю , или к а п и л л я р н ы м и вол­ нами. В образовании их основное значение имеют силы поверх­

воздействия ветра гребни и ложбины на водной поверхности рас­ полагаются беспорядочно. Такая система волн называется т р е х ­ ме рной .

Обычно в водоемах волны бывают трехмерными. В некоторых случаях встречаются двухмерные. Считается, что длина и высота двухмерных волн не меняются на большом расстоянии вдоль фрон­ та волны. К таким волнам относится з ыбь . Она представляет собой волны, распространяющиеся по инерции, когда ветер уже затих. Трехмерные волны более неблагоприятны для судоходства, чем двухмерные.

Ветровые волны, на распространение которых оказывает дей­ ствие глубина водоема, называются в о л н а м и м е л к о в о д ь я . Эти волны возникают там, где глубина водоема менее половины длины волны.

Элементы волн. Различают следующие элементы волн (рис. 57): верхняя часть волны 1, возвышающаяся над спокой­ ным горизонтом, называется г р е б н е м волны; нижняя часть 2 —■

подошвы волны до гребня; д л и н а в о л н ы X — расстояние меж­ ду двумя гребнями; п е р и о д о м в о л н ы т называют время про­ хождения через один и тот же створ двух последовательных греб-

ней волн; расстояние, на которое перемещается в единицу време­ ни профиль волны, называется скоростью с волны.

Понятие о трохоидальной теории волнения. Профиль правиль­

но перемещение это кажущееся. В действительности частицы во­ ды в волне перемещаются по круговым орбитам.

По мере перемещения профиля волны поверхность воды опу­ скается. Поэтому под наветренным гребнем частицы воды дви­ жутся вниз. Под подошвой волны частицы двигаются навстречу волновому движению, затем они поднимаются под подветренным склоном волны, после чего движение частиц воды повторяется.

На основании трохоидальной теории волн длина волны, ее пе­ риод и скорость распространения определяются по соотношениям:

Радиусы окружностей, по которым движутся частицы воды, на глубине уменьшаются, поэтому волнение с глубиной затухает.

Глубинные волны характеризуются тем, что гребни и подошвы волн на глубине располагаются под гребнями и подошвами волн на поверхности воды; длина волны, скорость и период на глубине не меняются; диаметр орбиты и высота волны уменьшаются с глубиной в геометрической прогрессии. Например, когда глубина равна длине волны X, то волны имеют высоту в 500 раз меньшую, чем на поверхности, т. е. практически волнение отсутствует. На глубине, равной 0,5 X, высота волны равна 0,04 h, на глубине

0,3 X — 0,15 h, на глубине 0,1 X — 0,53 h.

Ветер, создавая волны, передает им определенную энергию. Энергия волны Е складывается из кинетической энергии Ек дви­ жения частиц воды на орбите и потенциальной энергии Еи, кото­ рой' частица обладает при переходе от спокойного уровня к по­ верхности при волнении.

Теория волн для вычисления полной волновой энергии Е в столбе воды с площадью основания Ха дает следующую формулу:

114

Из формулы (24) следует, что энергия волны прямо пропор­ циональна квадрату ее высоты, длине и расстоянию по гребню.

В связи с тем что высота волны убывает с глубиной, наиболь­ шей энергией обладают волны верхних слоев воды. Если принять высоту ветровой волны равной 2 м, длину — 10 м и расстояние по гребню— 10 м, то по формуле (24) она будет обладать энер­ гией, равной примерно 400 т.

Когда волна встречает препятствие, энергия, заключенная в ней, переходит в энергию удара. Этим объясняется причина того, что волны вызывают большие разрушения.

В трохоидальной теории волн есть некоторые допущения. Про­ филь волны лишь весьма приближенно можно считать трохои­ дой; движение воды рассматривается как движение идеальной жидкости, т. е. жидкости, лишенной сил сцепления и трения; не учитывается воздействие ветровых и волновых течений, турбулент­ ность воздушного потока и т. д. Однако трохоидальная теория хорошо объясняет волновые процессы, происходящие в правиль­ ном волнении.

Внутренние волны. Возникают на поверхности раздела между верхним опресненным слоем воды и нижним, более соленым и, следовательно, более плотным. Это явление известно у судоводи­ телей под названием «мертвой воды». Оно наблюдается около устьев рек или тающих ледяных полей, встречается также в про­ ливах, где бывают противоположные по направлению течения (одно из которых поверхностное, второе глубинное), отличаю­ щиеся степенью солености и температурой.

В районе «мертвой воды» снижается скорость хода' судна. Это объясняется тем, что при движении судно увлекает верхний, ме­ нее плотный слой воды, который скользит над более плотным слоем.

В зоне соприкосновения слоев возникают внутренние волны, на образование которых тратится энергия движения судна.

Внутренние волны возникают также под действием приливооб­ разующих сил, колебаний атмосферного давления, ветра и т. д.

Разновидности волнения. В зависимости от формы волны, как указывалось ранее, различают: рябь, правильное (двухмерное) волнение, трехмерное волнение и зыбь. Кроме этого, имеются еще следующие разновидности волнения.

Т о л ч е я — беспорядочное волнение, создающееся при встре­ че волн различных направлений.

При толчее увеличивается высота и крутизна волны и возрас­ тает сила удара. Волны идут с разных направлений. Судно, по­ павшее в такое волнение, может потерять управляемость.

Б у р у н ы — пенистые массы воды, образующиеся на гребне волны при ее разрушении. Буруны возникают на мелях, когда изза трения волны о дно гребень обгоняет ложбину волны и обру­ шивается перед ней.

В з б р о с ы — столбы воды, вздымающиеся, когда волны на­ бегают на крутой берег.

П р и б о й — пенистые валы, образующиеся при набегании волн на крутой и приглубый берег, если волна выходит на мелко­ водье, глубина которого является критической, т. е. равной 2—3 h. Волна в этом случае обрушивается, разбивается и образуются бу­ руны. В прибойной волне частицы воды имеют как орбитальное, так и поступательное движение, поэтому плавающие предметы толчками приближаются к берегу и затем выбрасываются на него. В то же время по дну создается обратное движение в сто­ рону моря. Разбитая волна сильно воздействует на сооружения и опасна для них.

Элементы волн и направление их движения могут значитель­ но изменяться при интерференции, рефракции и дифракции.

И н т е р ф е р е н ц и я в о л н — явление, наблюдаемое при на­ ложении их друг на друга, в результате чего волны либо увеличи­ ваются, либо уменьшаются. Интерференция наблюдается при изменении направлений ветра или при отражении волн от отвес­ ных берегов. При интерференции может возникнуть с т о я ч а я волна, профиль которой не перемещается и узловые точки оста­ ются на месте. Стоячие волны опасны для плотов, так как разру­

к берегу ближайшая к нему часть волны расположена на меньшей глубине, поэтому скорость ее продвижения вперед уменьшается, а части волны, расположенные на больших глубинах, продолжа­ ют двигаться с прежней скоростью. В результате волна как бы разворачивается, стремясь стать параллельной берегу. Поэтому, независимо от направления волны в открытой части водоема, к берегу она всегда подходит под небольшим углом.

Д и ф р а к ц и я в о л н — это искривление волн, при котором не происходит изменения скорости и расстояния между гребнями. Дифракция наблюдается у островов и оградительных сооруже­ ний, за поворотами приглубых берегов, на расширениях водоемов.

Наблюдение за волнением с судна. Обычно это — глазомер­ ное определение высоты волны и состояния поверхности водоема или определение элементов волны с помощью подручных средств.

ней части судна, где меньше сказывается качка. Высоту волны можно замерить по борту судна. Для этого замечают последова­ тельное положение подошвы и гребня двух или трех волн.

116

так, чтобы в один и тот же момент они находились против смеж­ ных гребней волн. Расстояние между наблюдателями затем изме­ ряется.

Если длина волны больше длины судна, то с кормы на троси­ ке сбрасывают легкий буек. Тросик потравливают настолько, что­ бы 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

где г — измеренное расстояние; 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.

Расчеты волн. В настоящее время создан целый ряд методоврасчета элементов волнения. Наибольшее применение получили методы А. П. Браславского и Н. А. Лабзовского, но они громозд­ ки и используются для проектных или эксплуатационных расчетов.

Приближенный расчет высоты h и длины К волны для глубо­ ких озер и водохранилищ можно сделать по эмпирическим фор­ мулам В. Г. Андриянова:

В этих формулах:

W — скорость ветра, м/сек\

D — длина водоема по направлению ветра, км.

Для весьма приближенного подсчета ожидаемой высоты вол­ ны (см) на водохранилище можно предложить следующую зави­

В помощь судоводителям составляются атласы волнения. Поль­ зуясь ими, можно быстро определить ожидаемую высоту волн для любой трассы.

Особенности волнения. Волнение на водохранилищах имеет много общего с волнением на море. Волны в водохранилище, как правило, ниже, чем морские, но круче их. У морских волн длина волны больше высоты в 15—40 раз, а у водохранилищных— в- 10— 20.

Высота волн на разных водохранилищах и озерах различна: на Камском водохранилище — до 1,8 м, Горьковском — до 1,7, Ры­ бинском — до 2,5, Куйбышевском — до 3,2, Цимлянском — до 3, на Онежском озере — до 3,9, на озере Байкал — до 3,5 м. Чем мень­ ше водоем, тем ниже на нем и круче волны. На малых озерах вы­ сота волн не превышает 0,5 м.

11 г

На водохранилищах лесной зоны скорость ветра не превышает 20 м/сек, поэтому высота волны достигает здесь лишь 2 м.

Волнение на водохранилище в различных его районах неоди­ наково. Оно зависит от разгона волны, рельефа берега и дна, растительности и т. д.

Кустарник, затопленный на большой глубине в нижней зоне, не мешает развитию волнения; в средней зоне, находясь на глу­ бине 2—3 м, он оказывает тормозящее действие на волны.

Лес, затопленный на дне водохранилища, уменьшает при не­ большой глубине размер волн, создает рефракцию волнения, а иногда толчею.

На мелких озерах и водохранилищах из-за небольшой глуби­ ны при волнении также создается толчея. Она часто возникает при отражении волн от берега.

Когда ветер стихает, волны на водохранилищах быстро исче­ зают, зыби обычно не наблюдается.

Волновой режим аванпорта верхнего бьефа зависит от ориен­ тировки и размеров входа в аванпорт, величины волн, приходя­ щих из водохранилища и создающихся на акватории аванпорта, типа стенок и т. д. Обычно волна в аванпорту не превышает 0,5-—1,0 м. Ширина входа во многих существующих аванпортах

350—400 м.

Волны на акватории аванпорта создаются в результате интер­ ференции местных волн и волн, поступающих с водохранилища. Волны, проникающие в аванпорт, превращаются в длинные и по­ логие волны типа зыби, в удаленных точках аванпорта они ста­ новятся незначительными.

Местные волны аванпорта, как правило, крутые и короткие, высота их 0,5—1 м.

Внизовьях рек, особенно при ветре, дующем против течения, развивается крутая волна высотой 1,5—2 м.

Вморских устьях рек волнение такое же, как в прибрежных морских участках. В устьях рек Амура, Енисея, Оби волны дости­

гают высоты 3 м и более.

§ 24. ЗИМНИЙ РЕЖИМ РЕК

Процесс замерзания. Перед ледоставом на поверхности реки появляется «сало»— мелкие тонкие льдинки, образующиеся в местах со слабым течением, а также на быстром течении, но в

поглощает часть тепла, вызывая охлаждение воды и ускоряя про­ цесс образования льда.

118

тезе переохлажденные на несколько сотых градуса частицы воды и кристаллы льда увлекаются на дно, где, кристаллизуясь, обра­ зуют массы рыхлого льда. Будучи легче воды, донный лед отры­ вается от дна и всплывает на поверхность, давая начало осенне­ му ледоходу. Большие массы этого льда, всплывая на поверх­ ность, иногда увлекают за собой крупные камни, якоря, металли­ ческий лом.

Шуга (жужга, шорох, шерех) представляет собой донный лед, находящийся во взвешенном состоянии или всплывший на поверх­ ность. Иногда за шугу принимают плывущую снежницу.

Шуга — серая губчатая масса рыхлого льда, появляющаяся после наступления морозной погоды. Она сильно затрудняет су­ доходство и опасна, так как, прилипая к корпусу, образует под. днищем большой слой льда. Шуга сгущается с понижением тем­ пературы воздуха. Стоящее судно может примерзнуть к грунту, если шуга заполнит свободное пространство под днищем.

При снижении температуры и увеличении количества шуги из нее образуются льдины, дающие начало осеннему ледоходу. Осенние льдины небольшие, но крепкие, с острыми краями. Они опасны для судов и сооружений, особенно деревянных, так как легко могут их подрезать.

По мере увеличения количества льдин и шуги продвижение их затрудняется. Встретив препятствие, масса льда останавливается и смерзается. Наступает ледостав, быстро распространяющийся пореке.

В осенний период, когда тепловые запасы воды крупных рек велики, образование льда в морских устьях начинается на отме­ лях и барах в местах стыка речной и морской воды. При ледоста­ ве ледяные поля под воздействием течения напирают друг на друга, образуя т о р о с ы — ледяные бугры, идущие поперек реки.

Ледостав и его режим. Поверхностный лед создает дополни­ тельное сопротивление движению речного потока, изменяет его уровень и скорость течения. После ледостава сопротивление внут­ ренней стороны льда движению воды увеличивается, в результате чего пропускная способность живого сечения снижается. В связи с этим уровень поднимается. Вода через трещины выступает на лед. Эту воду называют «черной водой», так как на первом снегу она выглядит черной. Подъем уровня на некоторых реках достигает 2 м. Наибольший подъем бывает в начале ледостава из-за боль­ шой шероховатости ледяного покрова. Затем шероховатость сгла­ живается, и ледяной покров оказывает потоку меньшее сопротив­ ление.

В связи с прибылью воды после ледостава, когда лед еще не­ прочно смерзся с заберегами, может произойти п о д в и ж к а

119'

л ь д а ; при этом все ледяное поле смещается вниз по течению, на­ блюдается большое нагромождение льда. Подвижка продолжает­ ся до тех пор, пока лед окончательно не остановится. Осенние подвижки очень опасны, так как лед может унести целые карава­ ны судов. Чаще всего осенние подвижки льда наблюдаются на Ангаре и Енисее.

При большом скоплении шуги, когда она забивает часть жи­ вого сечения реки, создаются з а ж о р ы , вызывающие значитель­ ный подъем уровня. Зажоры появляются чаще всего на реках или участках рек с быстрым течением: на Ангаре, Неве, Нарве, Аму­ дарье, Свири, Волхове и т. д. Зажорный подъем уровня обычно не превышает 3—4 м (однако известны случаи, когда уровень повышался на 6—7 м) и продолжается полтора-два месяца. Зим­ ние наводнения при зажорах сопровождаются очень тяжелыми по­ следствиями.

На реках с быстрым течением из донного льда образуются ле­ дяные столбы — п я т р ы , расширенная шапка которых выходит на поверхность реки. Пятры прочно скрепляются с дном, выдер­ живая скорость более 3—4 м/сек. Располагаясь рядом и смер­ заясь шапками, пятры могут образовать ледяные плотины и вы­ звать подъем уровня воды.

На некоторых наших южных и европейских реках иногда быва­ ют з и м н и е п а в о д к и (р. Дон). При этом уровень воды под­ нимается 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 на­ ступает сильное потепление и выпадают обильные дожди, которые насыщают снег влагой и ускоряют его таяние. Вода почти не про­ сачивается в мерзлую почву и мощным потоком устремляется в реки, вызывая быстрый подъем уровня.

В зимний период запас грунтовых вод истощается, поэтому уровень воды снижается, а ледяной покров прогибается и у бере­ гов обламывается. В устьях рек, впадающих в моря, в результа­ те приливов и сгонно-нагонных явлений происходят колебания уровня.

Вода, выступающая в период ледостава на поверхность ледя­ ного покрова, замерзает и образует поверхностные н а л е д и . Во­ да также может выступить на лед вследствие оседания его под тяжестью снега, а также из родников и незамерзающих источни­ ков. Большие наледи значительной толщины образуются в устье­ вых участках притоков, которые промерзают до дна. Наледи рас­ пространены на северо-восточных реках. Толщина их может пре­ вышать 5 м.

Выбирая место зимовки, следует избегать участков, где мо­ гут быть наледи, так как они опасны для судов.

В начальный период ледостава между остановившимися ледя­ ными полями образуются полыньи. С наступлением морозов они покрываются ровным чистым льдом. Более устойчивы полыньи, образующиеся в истоках рек, вытекающих из озер, на перекатах

120