Исследование физических механизмов пространственно-временной изменчивости концентрации взвешенных осадков в прибрежной зоне под воздействием нерегулярного поверхностного волнения

Цели исследований

• проведение натурных экспериментов в условиях реального штормового волнения;
• обработка и анализ натурных данных по концентрации взвешенного песка, полученные в штормовых условиях для волн разной степени деформации и типа обрушения;
• анализ взаимосвязи между флуктуациями концентрации взвешенных наносов, изменениями параметров волн и поля скорости;
• исследование особенностей вертикального распределения концентрации взвешенных наносов в зависимости от параметров волнения;
• исследование взаимных спектральных характеристик поверхностного волнения и концентрации взвеси в условиях группового строения волнения.

Методы исследований

• натурные и лотковые эксперименты.

Натурный эксперимент по изучению гидролитодинамических процессов в береговой зоне моря проводился на полигоне «Новомихайловка». Проведены работы по синхронному измерению хронограмм волнения и профилей концентрации взвешенных наносов на участках интенсивной трансформации и разрушения волн. Для проведения наблюдений использовался автономный передвижной комплекс оборудования, созданный на базе экспедиционного автомобиля и мобильный носитель измерительных приборов. Концентрация взвешенных наносов определялась при помощи оптических турбидиметров с частотой опроса 18.2 Гц, а скорость течения и возвышение поверхности воды трехкомпонентным акустическим измерителем течений «Вектор». В результате проведенного эксперимента сформирован массив данных по пространственно-временной структуре взвешенных нерегулярным волнением наносов и массив гидродинамических данных;

• математическое моделирование;
• статистический и спектральный анализы.

Исходными материалами настоящего исследования служат данные комплексного эксперимента, проведенного в 2008 году совместными усилиями российских и германских ученых в Большом волновом канале Прибрежного исследовательского центра Университета г. Ганновера, Германия.

В качестве исходного нерегулярного волнового поля задавались последовательности возвышений свободной поверхности, обладающие JONSWAP-спектрами с заданными характеристиками и случайными фазами.

В нашем случае серии экспериментов соответствовали перебору спектральных параметров исходного волнового поля:

• значительная высота волны h_s=0.8, 1.0, 1.2 м;
• частота пика спектра f_m=0.2 Гц;
• параметр пиковатости γ=1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.3, 4.0, 6.0, 8.0, 9.9.

Таким образом, всего на рассматриваемом этапе было проведено 30 серий наблюдений за динамикой взвешенного наносов под воздействием нерегулярного поверхностного волнения. Длина каждой серии – 1980 с (33 мин.)

Результатом обработки полученных данных явились синхронные ряды:

• возвышений свободной поверхности;
• продольного U и поперечного V компонентов горизонтальной скорости водного потока;
• концентраций взвешенных наносов и средних диаметров частиц.

Основные направления и результаты

1. Анализ влияния частотного распределения волновой энергии на динамику взвешивания донного материала.

Выявлены различия в реакциях размываемого дна на внешнее возмущение, представленное нерегулярным поверхностным волнением с постоянными интегральными характеристиками (значительная высота волн и период пика спектра) и переменным частотным распределением энергии волн (параметр пиковатости γ спектра JONSWAP).

Установлено, что:

• воздействие внешних гидродинамических условий на твердое дно выражается в преимущественном формировании донных рифелей, определяющих картину взвешивания. Концентрация волновой энергии в зоне основного максимума спектра, показателем чего является увеличение параметра пиковатости спектра γ, способствует росту линейных размеров донных микроформ.
• рост параметра γ со значения 1.0 до 9.9 обеспечивает увеличение средней длины рифелей на 10-15%. Увеличение геометрических размеров рифелей способствует более активной инжекции донного материала в верхние слои, сопровождающийся ростом концентрации взвешенных частиц.
• с ростом параметра γ увеличивается глубина эрозии донных отложений, способствуя переходу во взвешенное состояние большему количеству донного материала.
• при небольших значений γ с удалением от дна наблюдается уменьшение величины среднего диаметра частиц. С ростом параметра пиковатости гранулометрический состав взвеси при удалении от дна практически не меняется.

Таким образом, при одинаковых интегральных характеристиках нерегулярного поверхностного волнения (h_s, f_m=const) специфику волнового воздействия на песчаное дно определяют именно особенности частотного распределения волновой энергии. Концентрация волновой энергии в области частоты максимума спектра способствует переходу от нерегулярного к регулярному волнению и, в общем, упорядочению динамического воздействия на твердое дно. Физически это приводит к реализации более устойчивых внешних условий для развития донных микроформ рельефа.

2. Исследование особенностей взвешивания донных осадков при прохождении групп волн разной формы и интенсивности.

Типы групп волн
(а) средние диаметры частиц, мм; (б) логарифм концентрации взвешенных веществ, г/л; (в) возвышение уровня, м

Энергетические характеристики серий наблюдений
(а) суммарные за каждую серию наблюдений волновые мощности
(б) вклад в процентах в суммарную мощность групп волн различных типов

Средние мгновенные потоки взвешенных веществ в зависимости от суммарной мощности групп волн
(а) H_s=0.8 м, (б) H_s=1.0 м, (в) H_s=1.2 м

Выделим основные характеристики групп волн, оказывающие влияние на картину взвешивания донного материала:
высоты индивидуальных волн, образующих группу;
положение наибольшей волны в пределах группы;
количество волн в группе;
длина группы.

Положение наибольшей волны определяет пространственную асимметрию группы.

По этому признаку можно выделить три типа групп:
(I) - положительная горизонтальная асимметрия (максимальная волна в начале группы);
(II) - отрицательная горизонтальная асимметрия (максимальная волна в конце группы);
(III) - симметричная (максимальная волна в середине группы).

Промежутки между группами волн внутри одной серии для простоты трактуются как «нерегулярное» волнение. Преобладание групп волн III типа возрастает с ростом параметра g поверхностного волнения, причем это происходит независимо от интенсивности волнения (т.е. hs=const).

Суммарная мощность волнения для серий с одинаковой исходной значительной высотой волн практически не меняется. К примеру, для h_s=0.8 м и γ=1.0…9.9 суммарная мощность волнения каждой серии составляет порядка 300 КВт/м. При этом для серии (h_s=0.8 м; γ=1.0) лишь порядка половины из всех волн объединены в группы, а для серии (h_s=0.8 м; γ=9.9) этот показатель составляет уже 70%.
Выполнена оценка влияния энергетических характеристик групп волн на мгновенный поток взвешенного вещества.

При слабом волнении (h_s=0.8 м), средние мгновенные потоки взвешенных веществ не сильно зависят от волновой мощности групп. Кроме того, минимальны различия между типами групп. При h_s=1.2 м средние потоки вещества увеличиваются с ростом мощности групп. В группах волн с симметричным профилем взвешивание донных отложений происходит более интенсивно по сравнению с группами с выраженной пространственной асимметрией. В абсолютных величинах поток взвешенных веществ внутри групп III-го типа может на порядок превосходить поток в группах I или II.

Несмотря на все разнообразие групп волн, предоставляемых нерегулярным волнением, обобщим некоторые закономерности:

• начальный процесс вовлечения в пределах погранслоя происходит на масштабах одиночных волн, перераспределение в толще вод - в масштабе групп волн;
• закономерности взвешивания внутри группы в значительной степени определяются параметрами донной шероховатости и наличием (отсутствием) рифелей;
• в случае прохождения симметричной группы волн с одинаковыми характеристиками индивидуальных волн для первой и второй половин группы концентрация взвешенных наносов во второй половине группы всегда больше;
• возможны ситуации, когда следствием прохождения группы волн концентрация взвешенных наносов в волновом пограничном слое уменьшается. Этот механизм реализуется в случае перестройки донных микроформ, а именно стирания крутых рифелей и уменьшения эффекта вихреобразования в подветренной части рифелей.
• В целом, взвешивание донного материала под воздействием групп волн характеризуется комплексным характером и определяется сочетанием гидро- и литодинамических факторов: мощностью волнения, последовательностью волн в группе, размером и устойчивостью форм рельефа дна.

3. Закономерности взвешивания донного материала в частотной области.

Полученные синхронные временны́е ряды концентраций взвешенного материала и скорости водного потока предоставляют возможность оценить их взаимосвязи в частотной области. Для анализа выбраны ряды придонных концентраций взвешенных наносов, измеренных на уровне 0.03 м от текущего дна. Датчик скорости располагался на расстоянии 0.20 м от дна.

Для изучения структуры взаимосвязи колебаний скорости и концентраций в частотной области воспользуемся функцией взаимной спектральной плотности, а именно коспектром, т.е. действительной частью кросс-периодограммы. Знак коспектра рядов скорости потока и концентраций взвешенных наносов определяет направление переноса донного материала.

Основные выводы:

• с ростом параметра пиковатости γ основная энергия колебаний скорости водного потока сосредотачивается в диапазоне высоких частот. Это приводит к тому, что в случае узкого спектра (большие значения γ) энергия низкочастотных колебаний скорости составляет 5-6% от энергии высокочастотных составляющих, при этом соотношение практически не зависит от величин h_s  проходящего волнения;
• с ростом и параметра пиковатости, и значительных высот волн вклад низкочастотных колебаний, связанных с групповой структурой волнения, падает и при γ>5 энергия низкочастотных колебаний концентрации взвешенных частиц составляет 30-50% от энергии колебаний высокочастотного диапазона;
• при γ<5 максимальная взаимная энергия синхронных колебаний рядов скорости и концентраций может проявляться и на низких, и на высоких частотах. При γ>5 доминируют синхронные колебания в области основной энергонесущей частоты;
• низкочастотные колебания, связанные с групповой структурой волнения, имеют отрицательный знак коспектра. Это говорит о том, что перемещение песка на этих частотах происходит от берега. Для колебаний, связанных с областью основного максимума спектра, однозначных зависимостей знака коспектра от параметра пиковатости не обнаружено.

Таким образом, при равных интегральных параметрах волнения (высота и период волн) особенности спектрального строения поверхностного волнения определяют доминирование тех или иных физических масштабов (одиночных волн или групп) в процессах взвешивания донных осадков. С ростом параметра пиковатости уменьшается энергия флуктуаций концентрации на низких частотах и расходуемая на взвешивание энергия концентрируется, таким образом, в области основного максимума спектра волнения.