Дивинский Б.В., Грюне И., Косьян Р.Д.
advertisement
XXIV Международная береговая конференция ПРИМЕНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ДИНАМИКИ ДОННОГО МАТЕРИАЛА Дивинский Б.В.1, Грюне И.2, Косьян Р.Д.1 1Южное отделение Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Геленджик, Россия исследовательский центр, Ганновер, Германия 2Прибрежный Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция Обобщенная схема транспорта наносов в прибрежной зоне (Soulsby R., 1997) Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция ПОВЕРХНОСТНОЕ ВОЛНЕНИЕ Регулярное С выраженной групповой структурой Нерегулярное Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция НЕРЕГУЛЯРНОЕ ВОЛНЕНИЕ Обоснованной аппроксимацией спектра нерегулярного волнения является спектр JONSWAP (Joint North Sea Wave Project). Общий вид спектра JONSWAP: Параметризованная форма: Спектр JONSWAP определяется тремя параметрами: значительной высотой волны Hs, частотой максимума спектра fm и параметром пиковатости g (peak enhancement coefficient). Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция НЕРЕГУЛЯРНОЕ ВОЛНЕНИЕ Обоснованной аппроксимацией спектра нерегулярного волнения является спектр JONSWAP (Joint North Sea Wave Project). Общий вид спектра JONSWAP: Параметризованная форма: Спектр JONSWAP определяется тремя параметрами: значительной высотой волны Hs, частотой максимума спектра fm и параметром пиковатости g (peak enhancement coefficient). Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция НЕРЕГУЛЯРНОЕ ВОЛНЕНИЕ Обоснованной аппроксимацией спектра нерегулярного волнения является спектр JONSWAP (Joint North Sea Wave Project). Общий вид спектра JONSWAP: Параметризованная форма: Спектр JONSWAP определяется тремя параметрами: значительной высотой волны Hs, частотой максимума спектра fm и параметром пиковатости g (peak enhancement coefficient). Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция НЕРЕГУЛЯРНОЕ ВОЛНЕНИЕ Обоснованной аппроксимацией спектра нерегулярного волнения является спектр JONSWAP (Joint North Sea Wave Project). Общий вид спектра JONSWAP: Параметризованная форма: Спектр JONSWAP определяется тремя параметрами: значительной высотой волны Hs, частотой максимума спектра fm и параметром пиковатости g (peak enhancement coefficient). Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция НЕРЕГУЛЯРНОЕ ВОЛНЕНИЕ Параметр g характеризует особенности распределения волновой энергии в окрестностях основного максимума спектра (форму спектра). В данном примере: значительная высота волн Hs=1.2 м, частота максимума спектра fm =0.2 Гц Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция ВОПРОС Влияют ли особенности частотного распределения волновой энергии внутри спектра нерегулярного поверхностного волнения (при постоянных интегральных характеристиках) на закономерности взвешивания донного материала? ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Данные комплексного эксперимента, проведенного в 2008 году совместными усилиями российских и германских ученых в Большом волновом канале Прибрежного исследовательского центра (г. Ганновер, Германия). Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция БОЛЬШОЙ ВОЛНОВОЙ КАНАЛ Большой волновой канал предназначен для проведения широкого круга исследований в области гидро- и литодинамики. Размеры: длина – 307 м, ширина – 5 м, глубина – 7 м. Волнопродуктор позволяет генерировать поверхностное волнение с произвольной заданной структурой. http://www.santoss.utwente.nl Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция Струнный волнограф Акустические датчики 0.82 м 0.75 м 3.18 м 111.45 м Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция Акустические датчики обратного рассеивания Acoustic backscatter systems (ABS) В исследованиях использовался прибор Aquascat 1000 британской фирмы Aquatech (www.aquatecsubsea.com) Основной принцип работы заключается в измерении мощности отраженного сигнала, пропорционального величине массовой концентрации осадков. Рабочие частоты: 1, 2 и 3.84 МГц Вертикальное разрешение – 1 см Акустический сигнал Отраженный сигнал от взвеси Отраженный сигнал от дна Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция Спектр JONSWAP определяется тремя параметрами: значительной высотой волны hs, периодом пика спектра fm и параметром g, который контролирует частотное распределение волновой энергии внутри спектра. В нашем случае серии экспериментов соответствовали перебору спектральных параметров исходного волнового поля: •значительная высота волны hs=0.8, 1.0, 1.2 м; •период пика спектра tp=5 c; •параметр пиковатости g=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 вещества под воздействием нерегулярного поверхностного волнения. Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция Характер динамического отклика поверхности дна на внешнее возмущение (режим транспорта) выражается в терминах параметра мобильности (O’Donoghue et al., 2006): Y <190 190-300 >300 Реакция дна Рифели Переходный режим Плоское дно Состояние дна (рифельное, плоское) определяет характер взвешивания донных осадков. Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция g=1.0 hs=1.2 м g=9.9 Возвышение свободной поверхности Высоты индивидуальных волн Периоды индивидуальных волн Параметр мобильности Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция Характеристики донных рифелей: l длина h высота h/l крутизна Модели рифельного дна: Wiberg and Harris (1994) Grant and Madsen (1982) (l,h)=f(амплитуда придонных колебаний) (l,h)=f(параметр Шильдса) Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция Wiberg and Harris (1994) Grant and Madsen (1982) Длины рифелей Высоты рифелей Крутизна рифелей hs=0.8 м hs=1.0 м hs=1.2 м Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция Являются ли полученные результаты статистически достоверными? В условиях ограниченных возможностей лабораторного эксперимента, связанных, в первую очередь, с высокой стоимостью исследований, проведение детальных экспериментов несколько затруднительно. В какой-то степени дополнить анализ возможно методами математического моделирования. Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция Модель Буссинеска Модель реализует распространение нерегулярных поверхностных волн над неоднородным дном с учетом возможного забурунивания, обрушения, а также нелинейных взаимодействий в спектре волн. Получено 50 записей возвышений свободной поверхности, по 5 для каждого набора (hs=1.2 м, tp= 5 с, g). Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция Wiberg and Harris (1994) Длины рифелей Высоты рифелей Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция Необходимое замечание. В процессе распространения волн над пологим дном происходит трансформация спектральной структуры. Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция g - исходное значение g - в точке измерений g - исходное значение g - в точке измерений Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция ИТАК: -дно рифельное; -с увеличением параметра gJONSWAP растут линейные размеры рифелей. Как это сказывается на закономерностях взвешивания донного материала? Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция Концентрация взвешенных частиц Средний диаметр частиц g=1.0 Возвышение свободной поверхности Концентрация взвешенных частиц Средний диаметр частиц g=9.9 Возвышение свободной поверхности Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция Концентрация взвешенных частиц Средний диаметр частиц Возвышение свободной поверхности Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция hs=1.2 м, tp=5 с, g=1.0…9.9 Концентрация взвешенных частиц Средний диаметр частиц Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция Основной задачей исследований выступал анализ влияния частотного распределения волновой энергии на динамику взвешивания донного материала и условий образования донных микроформ рельефа с детальным рассмотрением гидродинамических аспектов базового лабораторного эксперимента. ВЫВОДЫ В нашем случае воздействие внешних гидродинамических условий на твердое дно выражается в преимущественном формировании донных рифелей, определяющих картину взвешивания. При неизменной энергетической составляющей процесса (пропорциональной квадрату значительной высоты волны) с увеличением параметра пиковатости спектра происходит увеличение линейных размеров донных микроформ. Укрупнение рифелей способствует более активной инжекции донного материала в верхние слои, сопровождающийся ростом концентрации взвешенных частиц. Использование многочастотности акустических датчиков обратного рассеивания позволяет профилировать как непосредственно концентрации, так и гранулометрический состав взвешенных веществ. Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция АВТОМАТИЧЕСКИЙ ЗАЯКОРЕННЫЙ КОМПЛЕКС «АКВАЛОГ» aqualog.ocean.ru Островский и др., 2009. Заякоренная профилирующая океанская обсерватория. Средства и методы подводных исследований. Туапсе,1-6 октября 2012 г. XXIV Международная береговая конференция БЛАГОДАРИМ ЗА ВНИМАНИЕ! Туапсе,1-6 октября 2012 г.
