Проблема нагонных наводнений в С. Петербурге

часть 1

Формирование водных потоков

на страницах сайта 

www.electrosad.ru

Полный вариант статьи одной страницей в редакции от 2013 года

Физические процессы энергообмена на границе раздела воздух - водная среда

Нагонные наводнения -
Ветровые нагоны воды в морских устьях рек и на ветреных
 участках побережья морей, крупных озер, водохранилищ.
 Возможны в любое время года. Характеризуются отсутствием
периодичности и значительным подъемом уровня воды.
Википедия — свободной энциклопедия
 
http://ru.wikipedia.org/wiki/

 

 

Наблюдая за водной гладью пруда Вы видите, как легкий ветерок гонит мелкие предметы по поверхности воды. Но это не движение предметов в неподвижной воде, а движение предметов которое демонстрирует движение верхних слоев водной поверхности.

Аналогично проходит взаимодействие между воздушной и водной средой в больших пространствах морей, океанов.

Движущиеся воздушные потоки передают свою энергию водной поверхности, создавая в водной среде соответствующие водные течений, время существования потоков может определяться как часами, так и более продолжительным временем. Скорости воздушных потоков связаны со скоростью возникших водных течений упрощенным соотношением.

 

Vвозд =k Vводы

 

Рис.1

 

Здесь коэффициент K всегда меньше 1. Он зависит от множества факторов и в том числе от:

  1. состояния водной поверхности, определяемой в том числе высотой волны, которая существенно влияет на передачу энергии от воздушных потоков к водной поверхности,
  2. длина пути энергообмена между средами,
  3. соотношения скоростей  Vводы/Vвозд.

Причем необходимо помнить:

  • при  длительном (сотни - тысячи км) расстоянии взаимодействия воздушных и водных потоков Vводы приближается к Vвозд ;
  • при больших энергиях воздушных потоков, эффективный энергообмен между средами может осуществляться на коротких отрезках, например в Невской губе. Что и имеет место сейчас, когда при штормовых западных ветрах подъем воды в р.Неве достигает почти 2 м ( 198 см).

 

При этом воздушные потоки могут иметь ограниченную протяженность, но несколько таких потоков передавая по эстафете от одного к другому разгоняемые массы воды могут передавать им достаточную энергию, чтобы образовать как постоянные течения, так и временные - существующие время определяемое существованием воздушных потоков и энергией запасенной в течении.

 

Рис.2

 

Нам интересны временные течения.

Поскольку скорость временного течения составляет какую-то долю от скорости воздушных потоков, а полученная энергия не имеет ограничений, но меньше энергии полученной от воздушной среды , то запасенная энергия определяется массой движущейся воды временного течения (ВТ). При ограниченной ширине ВТ она определяется глубиной H водного течения.

 

 

Энергетика временного течения

Полная механическая энергия, запасенная течением масс воды равна сумме потенциальной и кинетической энергии.

 

Е = Еп +Ек,

 

Кинетическая энергия временного течения имеющего скорость V и массу движущихся объемов воды m:

 

Ек = mV2/2,

 

Потенциальная энергия массы воды m поднятой на высоту h в поле тяготения Земли:

 

Еп = m q h,

 

Где: q – ускорение свободного падения 9,8190 м/сек2.

Отсюда получаем, для случая обмена энергии без потерь и при условии постоянства суммарной энергии запасенной движущейся массы воды (закон сохранения энергии):

 

q h = V2/2,

 

Отсюда единица массы временного течения движущегося со скоростью V запасает столько кинетической энергии, что при встрече с препятствием (любого вида вплоть до встречного течения) совершает работу достаточную  для подъема этой массы на высоту h (рис.2).

 

h = V2/2q.

 

или при наличии потерь при передаче энергии

 

h < V2/2q.

 

Рис.3.

 

Поскольку запасенная во временном течении энергия Eк зависит от его скорости V, то важно учитывать, что она (как уже говорилось выше), скорость, не может превышать скорость воздушных потоков и будет тем ближе к их скорости, чем больше путь их совместного прохождения.

 

Процесс энергообмена между атмосферными потоками и водной поверхностью носит циклический характер.

Этим объясняется волнообразование на водной поверхности.

Поскольку в объеме движущегося водного потока всегда существуют области с различными скоростями движения (как напримерповерхностные слои и более глубокие слои, или локальные объемы) эти области взаимодействуют друг с другом.

 

Рис.4

(Для просмотра включите воспроизведение gif анимации в броузере)

 

На рис.4, в виде анимации, показаны два фрагмента потока, где в качестве преграды для разогнанного объема воды (его скорость равна V2) является водная среда движущаяся в том же направлении но с меньшей скоростью V1.

 

V2 > V1

 

В показанном на рис.4 случае, набегающий водный поток со скоростью V2 воспринимает водяной поток движущийся в том же направлении с меньшей скоростью V1 как препятствие, и ведет себя примерно так же как показано на рис. 3 в случае его встречи с преградой. Высота волны определяет энергией запасенной в потоке движущемся со скоростью ΔV = V2- V1.

 

Волнообразование не только увеличивает энергообмен воздушная среда - водная поверхность, но и способствует перемешиванию внутри временного течения, выравниванию его скорости по объему и увеличению его групповой скорости (средней скорости).

Нам в дальнейшем именно средняя скорость и будет важна.

При образовании временного течения мы рассматриваем ситуацию когда H - глубина временного течения меньше глубины водоема.

Глубина временного течения H понятие условное. Если сделать вертикальный разрез ВТ, то его скорость от максимальной в верхних слоях снижается до нуля на некоторой глубине. Можно взять для определения глубины течения, глубину на которой сосредоточена основная энергия переносимая потоком. При 90% это глубина на которой скорость течения в нижнем слое в 3,16 раза меньше скорости на поверхности.

Описанные процессы работают везде где имеет место передача энергии (кинетической) от накопившей ее воздушной среды к водной поверхности.

Но аналогичным образом могут иметь место и обратные процессы. Но их эффективность многократно ниже из-за более высокой вязкости воды.

Литература:
1. Знаменский В.А. Экологическая безопасность водной системы Санкт-Петербурга. СПб 2000. 120с.
2. Управления по строительству сооружений защиты Санкт-Петербурга от наводнений, http://www.morzashita.spb.ru/flood1.html,
3. Экологическая база данных, http://enet.spb.ru/lew/base1/html/map.html.
А.Сорокин
2005 год.

Обсудить в Форуме

  1. Проблема нагонных наводнений в С. Петербурге. Ч.1, Формирование водных потоков.
  2. Проблема нагонных наводнений в С. Петербурге. Ч.2, Краткая характеристика, справка.
  3. Проблема нагонных наводнений в С. Петербурге. Ч.3, Движение водных потоков в сужающихся сечениях.
  4. Проблема нагонных наводнений в С. Петербурге. Ч.4, Физика наводнений.
  5. Проблема нагонных наводнений в С. Петербурге.  Ч.5. Другие ситуации варианты ее решения.

  Яндекс.Метрика

<<назад>> <<в начало>> <<на главную>>

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:

/Неизвестный процессор/Охлаждение ПК/Электроника для ПК/Linux/Проекты, идеи/Полезные советы/Разное/
/
Карта сайта/Скачать/Ссылки/Обои/Форум/Каталог/

 

При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна.
Ваши замечания, предложения, вопросы можно отправить автору через 
гостевую книгу или
почтой.

Copyright © Sorokin A.D.©

2002-2012