Исследование повторяемости ветров на Новосибирском водохранилище Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УПРАВЛЕНИЕ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ИНФОРМАТИКА

УДК 51-7+556

В. В. Журавлева, Т.В. Дьякова Исследование повторяемости ветров на Новосибирском водохранилище

V.V. Zhuravleva, T.V. Dyakova Researching the Frequency of Winds at the Novosibirsk Reservoir

Приводятся формулы для расчета вдольберего-вого потока наносов в водохранилищах. Рассчитаны и проанализированы повторяемости ветров на Новосибирском водохранилище в 1990-2010 гг. по градациям скорости и направлениям ветра за безледоставный период. Проведено сравнение с периодом 1959-1986 гг.

Ключевые слова: водохранилище, транспорт наносов, повторяемость ветров.

This article describes formulas for calculating the sediment transport along the bank of reservoirs. The frequency of winds at the Novosibirsk Reservoir in 1990-2010 was calculated and analyzed by gradations of speed and direction of winds for the unfreezing-over period. A comparison with the period of 19591986 was carried out.

Key words: reservoir, sediment transport, frequency of winds.

Цель данного исследования - расчет повторяемостей ветров по данным гидрометеонаблюдений (на береговой линии Новосибирского водохранилища, с. Быстровка) и анализ полученных данных.

На основании полученных результатов в дальнейшем планируется решить следующие задачи:

- расчет параметров волн вне береговой зоны по активным румбам;

- расчет вдольберегового потока наносов на береговой линии Новосибирского водохранилища;

- анализ динамики вдольберегового потока наносов на береговой линии Новосибирского водохранилища.

Среди практических приложений данного исследования можно указать прогноз изменения береговой линии водохранилища и определение границ движения речного транспорта.

Подходящие под некоторым углом к берегу волны, разрушаясь, создают вдольбереговой дрейф воды в прибрежной зоне и, следовательно, перенос (транспорт) наносов.

Полный (через весь створ береговой зоны) расход наносов вдольберегового потока (^, м3/с) зависит от высоты, периода волны и угла подхода волн на линии их обрушения, а также от крупности транспортируемого материала. Крупность материала характеризуется его медианным диаметром

^50.

Существует большое число полуэмпирических формул для расчета расхода вдольберегового потока наносов. Для песчаных наносов в интервале крупностей 0,01 < d50 < 1 мм широко используется

так называемая формула СБЯС [1, 2], которая будет применяться в дальнейшем:

К

------------)„■

Q=-

• (H C C • sin 20 С1)

3

16(р / р-1)(1 - ^)(1.416)5 2

где рц - плотность наносов, кг/м3 (для кварцевых песков 2650 кг/м3); р - плотность воды, кг/м3 (для пресной воды 1000 кг/м3); р - коэффициент пористости (для песчаного грунта 0,4); Н - высота волны, м; С8 - групповая скорость волны, м/с; в - угол подхода волны.

Индекс Ь означает, что соответствующие параметры берутся на линии обрушения волн.

Следует обратить внимание на то, что в формуле (1) для расчетов используются высота «значительной» волны (Нц) и период пика волнового спектра (Тр), которые связаны со средними параметрами волн (Н и Т) следующими соотношениями [2]:

Hs

1,6H, Tp = 1,2T

(2)

Величина К в формуле (1) - безразмерный коэффициент емкости потока, зависящий от крупности транспортируемого материала [3]:

К(d) = 1,434d502 - 3,2445d50 + 2,0184. (3)

Представим все действующие на данный участок берега в течение заданного отрезка времени (года, а для замерзающих акваторий - периода открытой воды) волновые нагрузки как набор «штормов». Каждый шторм имеет некоторую продолжительность Р (часов) и характеризуется заданными параметрами волнения.

Исследование повторяемости ветров на Новосибирском водохранилище

Результирующий годовой поток наносов определяется по формуле:

Ql= £Qyi, Qyi = 3600 • Pi • Qi, (4)

где Qi - секундный расход наносов i-го шторма (м3/с), который может быть положительным или отрицательным, в зависимости от направления вдольбере-гового потока (слева-направо или справа-налево); Pi - продолжительность i-го шторма, час/год; Qyi - годовой расход наносов i-го шторма, м3/год.

Для определения продолжительности волновых нагрузок необходимы данные по средней повторяемости ветров по градациям скорости и направлениям за безледоставный период.

Соответствующие математические модели реализованы в виде программного продукта «Инженерный калькулятор», разработанного сотрудниками ИВЭП СО РАН, который будет использован для дальнейшего расчета вдольберегового потока наносов.

В данном исследовании рассматривается сегмент правого берега Новосибирского водохранилища в районе с. Быстровка Искитимского района Новосибирской области, между устьями рек Атаманиха и Бороздиха. По данным гидрометеостанции о направлениях и скоростях ветров, содержащим более 61 тысячи измерений, с 1990 по 2010 г. по с. Быст-ровка были рассчитаны за каждый год повторяемости ветров за безледоставный период и целый год. По направлениям и скоростям ветра в полученных данных прослеживаются определенные колебания в течение расчетного периода.

Повторяемости ветров по активным румбам для 1959-1986 и 1990-2010 гг. приведены в таблицах 1, 2. Для преобразования исходных данных в таблицы были использованы стандартные функции пакета Excel.

Сравнение повторяемостей ветров за указанные периоды проведено с помощью критерия %-квадрат на уровне значимости 0,01. Были установлены существенные различия в данных за эти два периода.

Выводы. Анализ показал наличие колебаний повторяемости ветров на Новосибирском водохранилище в 1990-2010 гг. Сравнительный анализ дан-

ных 1959-1986 гг. показал существенные изменения по активным румбам. В последние десятилетия в рассматриваемом районе ветер стал дуть значительно реже и с меньшим количеством случаев высоких скоростей. Последнее объясняется простым фактом: на побережье водохранилища в районе с. Быстровка за последние десятилетия вырос лесной массив, существенно ослабляющий интенсивность ветров.

Таблица 1

Повторяемости ветров по активным румбам за 1990-2010 гг.*

Градации скорости, м/с Активные румбы

С ССВ СВ З ЗСЗ СЗ ССЗ

0-1 0,1777 0,0137 0,0151 0,0190 0,0165 0,0157 0,0133

2-3 0,0356 0,0257 0,0265 0,0344 0,0195 0,0178 0,0185

4-5 0,0078 0,0067 0,0085 0,0128 0,0058 0,0048 0,0036

6-7 0,0008 0,0002 0,0005 0,0020 0,0005 0,0004 0,0003

8-9 0,0001 0 0,0001 0,0002 0 0,0001 0

* По градациям скорости ветра выше 10 м/с значение повторяемости равно 0.

Таблица 2

Повторяемости ветров по активным румбам за 1959-1986 гг.

Градации скорости, м/с Активные румбы

С ССВ СВ З ЗСЗ СЗ ССЗ

0-1 1,286 1,324 1,171 1,162 1,977 1,237 0,827

2-3 2,494 2,817 2,945 2,746 1,179 2,126 0,554

4-5 1,063 1,477 1,853 1,741 0,616 1,121 0,117

6-7 0,232 0,356 0,637 0,637 0,31 0,327 0,071

8-9 0,099 0,132 0,211 0,434 0,136 0,165 0,004

10-11 0,021 0,021 0,099 0,07 0,041 0,041 0,008

12-13 0,008 0,004 0,004 0,07 0 0,012 0

14-15 0,008 0,012 0,012 0,025 0,017 0,017 0

16-17 0,004 0 0 0 0 0 0

Библиографический список

1. Coastal Engineering Manual. - US Army Corp. of En- 3. Dean R.G. Beach nourishment. Theory and practice //

gineers, 2000. World Scientific. - 2002.

2. Леонтьев И.О. Прибрежная динамика: волны, течения, потоки наносов. - М., 2001.