9.4.1: Хвилі та течії на зовнішній дельті
- Page ID
- 1108
Можна сміливо констатувати, що морфологія зовнішньої дельти дуже складна і мінлива. Це означає, що хвилі та течії стикаються з дуже складною топографією ліжка, наприклад, шкали довжини не набагато більші за довжину хвилі вітрових хвиль або набухають. За допомогою заломлення, дифракції та відбиття це може призвести до складних хвильових моделей із сильною просторовою мінливістю.
Струми поблизу приливного входу частково приливні, частково хвилеподібні та частково вітрові. Приливні течії в основному зосереджені в основних каналах, хвилеподібні течії в районах, де хвилі розриваються. Вітрові течії виникають переважно під час штормових подій і тому є досить епізодичними, але тим не менш важливими (хоча часто забуваються!).
Хвилеві візерунки
Що стосується загальної картини хвиль, то є кілька моментів розгляду, таких як проникнення хвильової енергії в ущелину і укриття від впливу хвиль в різних ділянках системи. Розглянемо типовий вхід між двома бар'єрними островами, представник одного з входів Ваттового моря. У разі нормально падаючих хвиль весь край дельти і ущелина піддаються впливу хвильової енергії. За рахунок заломлення гребені хвиль повертаються, щоб ставати все більш паралельними контурам глибини. Тому хвильова енергія зосереджена в центральному передньому краї приливної дельти, тоді як бічні частки дельти будуть менш оголені, ніж центральна передня частина. Через обриву на мілини зовнішньої дельти ущелина також буде менше оголюватися (рис.9.10).
У разі похило падаючих хвиль одна бічна пелюстка буде оголена, а інша - укрита. За наслідком, хвильовий клімат на захищеній бічній частці буде відрізнятися від офшорного або на передньому краї дельти. Наприклад, західна частка на рис. 9.11 буде повністю піддаватися впливу західних хвиль, менш схильна (через заломлення) північним хвилям і захищена від східних хвиль. Як наслідок, хвильові довжні течії в околицях цієї західної частки переважно спрямовані на схід. Так само течії поблизу східної частки переважно західні.
Ще один аспект, який заслуговує на увагу - проникнення хвилі у вхідний отвір. Зрозуміло, що бар'єрні острови забезпечують значний притулок басейну, але хвильова енергія може проникати через ущелину. Останній, однак, певною мірою захищений від відкритого моря зовнішньою дельтою. Отже, хвильова енергія, яка досягає задньої частини ущелини, набагато менше, ніж офшорна. Згодом ця енергія зазвичай випромінюється в басейн, де щільність енергії і висота хвилі швидко розпадаються. Як наслідок, хвильова енергія, яка проникає з відкритого моря в басейн, зазвичай досить мала і обмежується ділянкою прямо за ущелиною. Енергія хвиль далі в басейн, як правило, обумовлена хвилями, що генеруються всередині басейну, якщо переважаючий вітер зустрічає досить довгу вибірку.
Різко інша ситуація може виникнути, якщо відбувається спрямування хвильової енергії (рис.9.12). Це явище пов'язане з уловлюванням хвиль в каналі, якщо напрямок хвильового променя майже паралельно берегам. У такому випадку райони, які на перший погляд захищені від морських хвиль, можуть піддаватися відносно високій енергії хвиль і, отже, набагато більшій ерозії, ніж очікувалося.
Складність рельєфу ліжка та суміш морських/набухаючих хвиль, що надходять з морських та локально генеруються хвиль набагато коротшого періоду всередині басейну, роблять моделювання хвиль для припливних входів особливо складним. Модель для довгочубатих монохроматичних хвиль (тобто хвильових полів з одним напрямком, одним періодом і однією висотою в кожній точці модельної області) тут не працюватиме. Натомість знадобиться хвильова модель, яка дозволяє нерегулярні, короткочубаті хвилі різних періодів і включає генерацію хвиль. Такі (часто повністю спектральні) хвильові моделі були доступні протягом деякого часу для прогнозування глибоководних хвиль, але це поняття було перекладено лише відносно недавно на більш дрібну воду.
Приливні залишкові струми
У секті. 5.7.6 ми вже обговорювали схему залишкового припливу в результаті прискорення потоку через впускну ущелину. Приливна схема залишкового струму в високо схематизованій ситуації, що обговорюється там, зводиться до чотирьохкрапки гірів, двох по обидва боки від вхідного отвору (рис. 5.74). В реальності картина залишкового струму набагато складніше, ніж ця. Зазвичай над зовнішньою дельтою існує чіткий струм, що переважає відливом (тобто усереднений за припливом, потік знаходиться в напрямку відливу), і часто біля кінчиків островів є потокові канали. У Ваттовому морі навряд чи зустрічаються добре розвинені дельти паводків (весь басейн виступає дельтою паводку, і відповідне паводково-залишкову течію важко відрізнити). Багато впускних отворів на східному узбережжі США, однак, дійсно проявляють таку особливість і мають добре розвинену залишкову циркуляцію всередині вхідного отвору.
Інший тип залишкового струму - дрейф Стокса (Sect. 5.7.6), який залежить від фазового зчеплення між горизонтальним і вертикальним відливом. Показано, що якщо горизонтальний приплив і вертикальний приплив більш-менш знаходяться в фазі (\(\varphi \approx 0\)), може бути значний залишковий струм. Це стає ще більш очевидним для мілин, що межують з приливним каналом, які затоплюють і висихають під час припливу. Там найбільша частина затопленої стадії збігається з потоковим припливом, тому повинен бути залишковий струм, що переважає повені (усереднений над припливом потік знаходиться в напрямку повені). За наслідком, залишковий струм в каналі повинен бути ебб-домінуючим.
Вторинні компоненти потоку можуть виникати, серед іншого, внаслідок кривизни приливного струму (Sect. 5.7.6). Вторинний потік, спричинений кривизною, не змінює знак, коли приплив повертається, і тому у верхній частині товщі води завжди спрямований від центру кривизни потоку, у нижній частині завжди до нього. Таким чином, індукований кривизною вторинний потік сприяє, наприклад, підтримці мілин (див. Рис.
Вторинний потік, спричинений кривизною на зовнішній дельті, був гіпотезований відігравати важливу роль у випадку гройна, яка була побудована в 1995 році для захисту північної частини узбережжя Текселя, одного з бар'єрних островів Голландського Ваттового моря (рис. 9.14). Ідея полягала в тому, щоб дозволити цьому groyne перервати прибережний дрейф у вхідний отвір під назвою Eierlandse Gat. Дослідження з 2D моделями, усередненими глибиною (таким чином, не дозволяючи вторинних моделей потоку) показали, що це призведе до «підручника» шаблону нарощування та ерозії вниз, тому до сильної ерозії на північ від пахової зони. Передбачалося, що гройн доведеться з'єднати жорсткою конструкцією з існуючим облицюванням, яке захищає кінчик острова. Після того, як гройн був побудований, однак, аккреція відбувалася по обидва боки від нього Рис. 9.14, до того, що він зараз значною мірою похований в піску (тому проект виходить надзвичайно вдалим, хоча і ціною інших прибережних елементів). На основі серед інших модельних обчислень Штейна та співавт. (1998) це значною мірою пояснюється вторинним потоком, викликаним кривизною, в ярі навколо верхівки гройна, який послідовно приносить осад до гройна (див. Рис. 9.14). Однак нові обчислення припускають, що припливні течії під час весняних припливів, а не вторинного потоку, відповідають за велику кількість осідання на північній стороні греблі (див. Віссер, 2014).
Підсумовуючи це, існує безліч механізмів, які призводять до приливних залишкових течій, а отже, до транспортування залишкового осаду та морфологічних змін. На мілководних ділянках, таких як приливний вхід, ми повинні відмовитися від мислення припливу як хвилі невеликої амплітуди.
Струми, індуковані хвилями
Як говорилося раніше, зовнішня дельта ніде не знаходиться поблизу прямого призматичного узбережжя. Це означає, що спосіб мислення про струмах, керованих хвилями, як використовується в гл. 5 тут навряд чи можна застосувати. У цьому розділі були розділені рівняння імпульсу вздовж берега та крос-берега, перший описував баланс імпульсу для рівномірного довгого струму, а другий - баланс налаштування. Однак у випадку складної топографії з перерваним розривом ситуація набагато складніша; рівняння імпульсу не можуть бути розділені і їх потрібно вирішувати у двох горизонтальних вимірах; в принципі, хвилевий струм у цьому типі ситуації є 3-D. Щодо простий приклад, мілина, на якому ламаються хвилі, вже був наведений в Секті. 5.5.7 (Рис. 5.49). Загальною схемою був чистий потік у напрямку хвилі над мілиною, знову повертаючись на море через канали між мілинами. У приливних входах хвилеподібні течії навколо мілин на зовнішній дельті можуть бути настільки сильними, що домінують над приливними залишковими течіями. Це має серйозні наслідки для механізму обходу осаду, див. Розділ. 9.4.2.
Струми, індуковані вітром
Часто забутим типом струмів у припливних входах є струми, що керуються вітром, або безпосередньо, через напругу зсуву, спричинену вітром на поверхні води у вхідній зоні, або опосередковано через встановлення рівня води проти узбережжя. Це означає, що компоненти напруги зсуву вітру повинні бути додані до усереднених по глибині рівнянь імпульсу. Ці терміни стресу вітру мають глибину води в знаменнику, а це означає, що вітер, як правило, є більш ефективним у русі струму, коли він діє на меншу воду. Через великі варіації глибини води, які притаманні припливному вході, поле струму, кероване вітром, буде сильно змінюватися в просторі. Загалом, потік буде, як правило, слідувати за вітром у більш дрібних частинок і протистояти йому в більш глибоких частинок, але ця картина може бути значно ускладнена просторовими взаємодіями за допомогою градієнтів рівня води.
Оскільки сила вітру діє на поверхні води, це також вплине на вертикальну структуру потоку: первинний профіль потоку (наприклад, логарифмічний) буде порушений «вторинним» компонентом потоку, який слідує за вітром у верхній частині товщі води і йде проти нього в нижній частині. Зверніть увагу, що цей вторинний потік повинен накладатися на первинний потік (середньоглибинна циркуляція з первинним профілем потоку). Результатом може стати складна 3-D схема потоку.
Ймовірно, навіть важливішим, ніж пряме спричинене вітром форсування, є ефект встановлення рівня води під час сильного шторму (Sect. 5.6). Хоча пік швидкості вітру зазвичай не триває набагато більше декількох годин, настройка рівня води може тривати набагато довше. Однак потрібен час, щоб басейн із заднім бар'єром стежив за рівнем води у відкритому морі, оскільки підвищення рівня води такого басейну на кілька метрів забирає величезну кількість води, яку доводиться видавлювати через вхідні отвори. Звідси іноді трапляється, що струм відливу повністю пригнічується і що протягом дня або більше є потік потоку на вході. Зрозуміло, що такі події можуть значно вплинути на морфологію вхідного отвору. Зрозуміло також, що нові входи і канали переважно будуть створюватися в таких умовах, коли між морем і басейном велика різниця напору.
3D комбіноване поточне поле
Підсумовуючи, ми бачили, що поточне поле навколо вхідного отвору є по суті більш складним, ніж на рівномірному прямому узбережжі, і що всі складові цього поля є по суті 3-D. Тому, моделюючи струми навколо входів, ми повинні думати про 3-D, навіть якщо ми вирішимо використовувати 2-D модель, усереднену глибину. Інтерпретація та подальша обробка результатів (наприклад, напруження зсуву шару, яке буде введено в модель транспортування осадів) тут набагато менш проста.
Хвильово-струмова взаємодія
Приливна та хвильова схема струму на зовнішній дельті значною мірою зосереджена в більш глибоких каналах. Отже, можуть бути сильні струми, які впливають на поширення хвилі за допомогою заломлення струму (див. Розділ. 5.2.3). Це може навіть перейти до блокування хвиль (для хвилі з протилежним струмом). Стоячи на узбережжі з видом на приливний впуск, часто спостерігається різке розмежування ділянок з хвилями і ділянками з рівною водною поверхнею. Це просто тому, що струм досить сильний, щоб запобігти потраплянню хвиль в цю область. Більш того, там, де виникають хвилі, їх малюнок часто досить нерегулярний, знову ж таки як наслідок заломлення на сильно мінливому полі струму. Така форма хвильово-струмової взаємодії ускладнює прогнозування хвильового поля на зовнішній дельті. Такий прогноз повинен базуватися на комбінованій моделі хвилі і струму, і обидва повинні бути ретельно відкалібровані, щоб знайти правильну закономірність.
Більш простою формою взаємодії хвильового струму є вплив хвиль на нижнє напруження зсуву, яке відчуває струм (див. Розділ. 5.5.5 і Сект. 6.5). Механізми, що лежать в основі цього ефекту, суттєво не відрізняються від механізмів у випадку призматичного узбережжя, хоча хвилі та приліжкові течії зараз можуть мати довільні напрямки. Результатом є складний 3-D прикордонний шар з сильно відхиленим вектором швидкості і нетривіальним напрямком напруги зсуву шару. У великомасштабних моделям, таких як ті, які ми використовуємо для припливних входів, однак вплив на напрямок зазвичай ігнорується, а напруга зсуву вважається протилежною середньому струму. Однак ми повинні враховувати посилення напруги зсуву ліжка, спричинене хвилями. Це може мати серйозний вплив на поточну картину: особливо приливний потік, як правило, уникає неглибоких ділянок, де хвильова дія та посилення напруги зсуву є найсильнішими.