Колебания уровня

 

На свободных реках основной причиной колебаний уровня является сезонное изменение расхода воды, связанное с замерзанием и таянием (рис.5.3.1). Существенное влияние на ход уровня могут оказывать естественные переформирования русла реки, а также зажоры (скопления всплывшего внутриводного льда и мелкобитых льдин при осеннем ледоставе) и заторы (нагромождения льда на мелководных перекатах, в сужениях и излучинах при весеннем ледоходе).

На зарегулированных реках характер колебаний уровня резко изменяется и, в значительной степени, определяется как попусками воды сверху, так и режимом работы гидроэлектростанций, расположенных ниже по течению. В результате амплитуда сезонных колебаний уровня в значительной степени уменьшается (рис.5.3.1).

На водохранилищах, имеющих значительную площадь водной поверхности, на ход колебаний уровня оказывает влияние ветер, вызывающий сгонно-нагонные колебания.

 

Рис. 5.3.1. Годовой ход среднемесячных значений уровня воды: 1 - на свободной реке; 2 - после образования водохранилища

На морских побережьях и в устьях рек основными причинами колебаний уровня являются:

· гидрометеорологические процессы, вызывающие горизонтальное и вертикальное перемещения водных масс;

· силы притяжения Луны и Солнца;

· тектонические процессы, связанные с колебаниями, разломами и сдвигами в земной коре.

 

Гидрометеорологические процессы являются причиной:

1) колебаний уровня, связанных с изменением атмосферного давления;

2) сгонно-нагонных колебаний уровня, возникающих под действием ветра;

3) сейшевых колебаний, причиной которых являются изменение атмосферного давления, ветровые нагоны, паводковый сток рек, землетрясения.

Колебания уровня под воздействием атмосферного давления происходят при медленном его изменении над водоемом значительных размеров. В этом случае поверхность воды стремится занять новое положение равновесия в результате статического действия атмосферного давления. При изменении атмосферного давления на 1 мм рт. ст. уровень воды должен измениться на 13.3 мм (изменению уровня на 1 см соответствует изменение давления на 1 мбар). Однако, под влиянием местных условий (узкостей, мелководья, криволинейности береговой черты) измеренные величины уровня несколько отличаются от указанной величины.

Сгонно-нагонные колебания уровня наблюдаются в прибрежных мелководных зонах, заливах и узкостях при значительных скоростях ветра. В результате трения между воздухом и водой возникает и распространяется до некоторой глубины поступательное движение частиц воды (ветровое или дрейфовое течение). В случае продолжительного шторма более 5-6 часов у наветренного берега наблюдается повышение уровня (нагон), а у подветренного - одновременное понижение (сгон). В реальных условиях величина сгонно-нагонных колебаний зависит от рельефа и уклона дна, конфигурации береговой линии, силы и продолжительности шторма. Наибольшие значения колебаний уровня при сгонно-нагонных явлениях наблюдаются на отмелых берегах в устьях рек, узкостях, заливах и достигают 2-3 м. В мелководном Финском заливе нагоны возникают под воздействием продолжительных западных ветров и достигают наибольших значений (более 4 м) в устье р. Нева. Из «Медного Всадника»:

“Но силой ветра от залива

Перегражденная Нева

Обратно шла, гневна, бурлива,

И затопляла острова,

Погода пуще свирипела,

Нева вздувалась и ревела,

Котлом клокоча и клубясь,

И вдруг как зверь остервенясь

На город кинулась.........

................... Народ

Зрит божий гнев и казни ждет.”

 

 

В устье р. Волга и мелководной северо-восточной части Каспийского моря уровень при нагонах поднимается на 2-2.5 м, а при сгонах опускается на 1-1.5 м. В Азовском море разность уровней у наветренного и подветренного берегов достигает 3 м. Величина сгонно-нагонных колебаний в устье р. Дон составляет соответственно 2 и 2.5 м. В районе г. Таганрог вода при сгонах может уходить от берега на расстояние 4-5 км. У прямолинейных малоизрезанных берегов величина сгонно-нагонных колебаний относительно невелика и изменяется в пределах от 30 до 50 см.

При проектировании гидротехнических сооружений величину ветрового нагона определяют по данным натурных наблюдений либо расчетным путем.

Сейши возникают в замкнутых и полузамкнутых бассейнах в случаях, когда водные массы выведенные из состояния равновесия какой-либо внешней силой (колебания атмосферного давления, нагон, паводковый сток рек, землетрясение) возвращается в исходное положение, совершая исходные затухающие колебания. В отличие от прогрессивных волн в сейшах отсутствует видимое поступательное движение формы волны.

 

Сейшеобразные колебания уровня наблюдаются во всех озёрах, замкнутых морях, бухтах и морских заливах. Амплитуда колебаний обычно не превышает 1 м.

В ряде случаев на защищенных акваториях портов возникают своеобразные колебания, представляющие собой комбинацию вертикальных и горизонтальных движений воды. При этом скорости горизонтальных колебаний могут достигать значительных величин и создавать неблагоприятные условия стоянки судов у причалов. Это явление получило название тягун (порты Сочи, Туапсе, Батуми, Клайпеда и др.).

Приливо-отливные колебания уровня вызываются главным образом под действием сил притяжения Луны и Солнца и наблюдаются у берегов океанов и открытых морей.

В практике портостроения и мореплавания используют сведения о характеристиках приливо-отливных колебаний в конкретных районах Земного шара. Согласно статической теории максимальная амплитуда приливов в Тихом океане не превышает 90 см, что подтверждается данными наблюдений на островных станциях (о. Гуам в Тихом океане - 80 см, о. Св. Елены в Атлантическом океане - 80 см).

На побережьях со сложной конфигурацией береговой черты величина приливов достигает 2-6 м. Более значительные амплитуды приливов наблюдаются в вершинах заливов, проливах, эстуариях и устьях рек (Пенжинская губа Охотского моря - 12 м, Бристольский залив на побережье Франции - 15 м, залив Фанди на Атлантическом побережье Канады - 18 м).