Физика вод суши by Винников С.Д., Викторова Н.В. (z-lib.org)

схождения, предполагая, что они ограничивают ячейки конвекции.

Выполненные на Ладожском озере подробные исследования пока­ зали, что при глубине воды 8 м расстояние между линиями схож ­ дения d a 3 м, а при глубине 60 м d a 35 м, т. е. расстояние d уве­ личивается с глубиной водоема. Глубина же проникновения цир­ куляции растет с увеличением скорости ветра. По имени ученого,

впервые описавшего этот вид конвективного течения, в литературе закрепился термин «циркуляция Ленгмюра».

I Таким образом, циркуляция Ленгмюра - это результат плот­ ностной неустойчивости, возникающей при охлаждении поверхно-

I стного слоя воды под действием ветра.

Плотностная конвекция и ветровое перемешивание в стоя­ чих водоемах являются причинами образования на некоторой глу­ бине слоя температурного скачка и расслоения их водных масс на три зоны (рис. 7.11): эпилимнион (верхняя зона), металимнион

(средняя зона, или слой температурного скачка) и гиполимнион

(нижняя застойная зона).

Рис. 7.11. Схема ветрового перемеш ивания воды.

1 - распределение температуры воды до воздействия ветра, 2 - распределение температуры воды после ветрового воздействия, 3 - распределение плотности воды до воздействия ветра, 4 - распределение плотности воды после ветрового воздействия.

Описанный процесс конвекции в чистом виде наблюдается в водоемах больших размеров в плане при относительно постоян­ ной глубине. Реальные ж е водоемы ограничены в плане, а глубина

I их уменьшается до нуля у берегов. В этих водоемах при развитии конвекции возникают конвективные течения, схематически пока­ занные на рис. 7.12.

Рис. 7.12. Схема конвективных течений:

а) при охлаждении водоема; б) при нагревании водоема.

При охлаждении водоема наблюдаются поверхностные кон­ вективные течения от середины водоема к его берегам, а при на­ гревании - от берегов к средней его части. Придонные течения имеют обратное направление. В этом случае конвективные тече­ ния обусловлены разностью температуры воды в горизонтальном направлении.

Итак, установление условий возникновения упорядоченной конвекции Бенара, Ленгмюра и др. позволило определить ее зна­ чение в числе других факторов, формирующих деятельный слой водоема (эпилимнион). При этом необходимо также отметить важность учета формирования в водоеме и водотоке зон с повы­ шенной концентрацией растворенных солей и присутствие раз­ личных взвесей (минеральных, органических и др.), обусловлен­ ных конвективным водообменном, при отборе проб воды на хими­ ческий анализ, мутность и на наличие загрязнителей. Например,

вслучае циркуляции Ленгмюра наиболее загрязненная вода будет

вобласти линий схождения, т.е. в зоне конвергенции траекторий частиц жидкости. Если осуществим измерение температуры по­

верхности воды соответственно в зонах дивергенции и конверген­ ции траекторий, то также обнаружим различие в ее значениях в поперечном направлении, что необходимо учитывать при сужде­ нии о температуре воды водоема.

7.4. Конвективный водообмен в устье реки

Явление проникновения морских вод в устьевую зону реки по ее дну (так называемый клин соленых вод) издавна привлекало внимание многих исследователей. Оно характеризуется конвек­ тивными движениями значительных масс воды в этой зоне реки.

В отдельных случаях длина этого клина может достигать сотни

222

Это условие позволяет нам считать его характеристики по ширине реки неменяющимися, т.е. рассматривать плоскую задачу. В верх­ нем слое реки течение под действием силы тяжести направлено в сторону моря, а в нижнем, обусловленное разностью плотностей соленой морской и пресной речной воды, - в обратную сторону

(рис. 7.13). В результате турбулентности и диффузии в потоке мас­ сы более тяжелой (соленой) воды нижнего слоя при своем движе­ нии переходят в верхний слой потока. Следовательно, верхний слой состоит из масс воды реки и моря ( q v + q E03E).

Рис. 7.13. Схема проникновения морских вод в устье реки: 1 - линия раздела по­ токов речной и морской воды (линия нулевых скоростей); 2 - эпюра скорости.

При названных условиях для любого сечения рассматривае­ мого участка реки можем записать уравнение баланса расхода воды:

ные расходы водысоответственно нижнегослоя,перешедшего из

224

нижнего в верхний (расход возвратного потока) и реки; z — ось прямоугольных координат, направленная вверх; S n и S B - средняя

соленость воды (кг/м3) нижнего и верхнего слоев.

Предположим также, что распределение скорости течения и солености воды по глубине происходит по прямой. Это допущение упрощает нам выполнение дальнейших математических преобра­

зований.

Тогда уравнение (7.32) примет вид

где vH и h - средняя скорость течения и толщина нижнего слоя.

Исходя из предпосылки о распределении скорости течения по глубине по прямой, можно записать

Н- 2 h H

h

Если в (7.34) подставим z = — , то найдем выражение для

определения средней скорости нижнего слоя:

Qnh

А после совместного решения (7.33) и (7.35) найдем выра­ жение для определения средней солености верхнего слоя:

Составим уравнения равновесия сил для верхнего слоя потока

и для поверхности раздела потоков (эта поверхность проходит че­ рез точки на вертикали, где скорости равны нулю)

(7.55)

2A^ { S n - S j h [ 2 H S H+ {S«

dSB _ qvH ________________________________ ks ( H - h )

&h [2 H S H + (SK - S B)h]S2 - [ 2 hHSH + (SH- S B\ H - h ) 2] S 2 '

(7.56)

Таким образом, имея зависимость (7.35), (7.36), (7.55) и

(7.56), можем рассчитать характеристики потока на устьевом уча­ стке реки и, в частности, дальность проникновения клйна соленых

вод. При этом должны быть заданы удельный расход реки q p , глу­

бина потока Н - / ( х ) , соленость морской воды в нижнем слое и

толщина нижнего слоя потока \ в створе на выходе реки в море

(в устье реки). Если последняя величина не известна, то она может быть найдена подбором в процессе решения задачи. Что касается

коэффициента турбулентного обмена Az и турбулентной диффу­ зии Ад , то их рекомендуется определять по зависимости, предло­

женной В.М . Маккавеевым для случая разноплотностных потоков:

j чета длины клина соленых вод в реке Оби при удельном расходе