Проблема нагонных наводнений в С. Петербурге.  Ч.1

Формирование водных потоков.

на страницах сайта 

electrosad.narod.ru

Физические процессы энергообмена на границе раздела воздух - водная среда.

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.

V_возд =k V_воды

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,

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,

Ек = mV²/2,

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 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, 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. Его образование объясняет рис.2, только в качестве преграды для разогнанного объема воды (его скорость равна V2) является водная среда движущаяся в том же направлении но со скоростью V1.

Причем V2 > V1. Набегающий водный объем имеет сопутствующие водные потоки как препятствие и ведет себя примерно так же как показано на рис. 2. Высота волны полностью определяется разностью запасенной энергии.

Волнообразование увеличивает энергообмен воздушная среда - водная поверхность и способствует перемешиванию ВТ и увеличению его групповой скорости (средней скорости). Нам в дальнейшем именно средняя скорость и будет важна. Здесь рассмотрена ситуация 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.

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

 

<<назад>> <<в начало>> <<на главную>>

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

Copyright Sorokin A.D.

Дата - 2007 год. Ver.4