Hidrológiai Közlöny 2005 (85. évfolyam)
3. szám - Varga István–Varga Ádám: A szél hatása tavakban kialakuló áramlásokra
33 A szél hatása tavakban kialakuló áramlásokra Varga István - Varga Ádám Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, 1111. Budapest, Műegyetem rp. 3. Kivonat: A felszín közeli légmozgások következtében kulönbözö vízterekben elsődlegesen kialakuló fizikai folyamatok, periodikus és aperiodikus vízmozgások - többek között - hatással vannak a meder anyagára, a víztér fizikai, kémiai összetételére, a viztéren belüli anyagforgalomra. Az „állóvizek" szél hatására kialakuló mozgásjelenségei meghatározó jelentőségűek a tavak, tározók hidromorfológiai, vízminőségi, ökológiai állapota és állapotváltozásai szempontjából egyaránt, alapvetően befolyásolva a vízterek és közvetlen környezetük gazdasági vagy jóléti célú vízhasználatát és hasznosulását is. A különböző célú meglévő, vagy tervezett vízi létesítmények (kikötők, vízbevezetések és vízkivételek, strandok, stb.), vagy a szabályozás célú beavatkozások (partvédőmüvek, kotrások, stb.) környezeti hatásainak jelentős része a víztér-légtér kölcsönhatásának következménye Feltárásuk a megalapozott tervezés, működtetés egyik feltétele, igényli a meteorológiai jelenségek, ezen belül a szél okozta vlzmozgások jellemzőinek megismerését is. További feltételt a szükséges, használható és hozzáférhető alapadatok köre jelenti. Jelen tanulmány célja összehasonlítani a szél-keltette áramlások kialakulásában szerepet játszó néhány fontosabb tényezők hatását, valamint javaslatot adni felszín közeli légmozgás és a víztér kapcsolatátjellemző és jelentős részben meghatározó hatások - rendelkezésre álló adatokra támaszkodó - mennyiségi becsléséhez, rámutatva a különböző módon érvényesülő hatások mértékének értéktartományairajelentőségére, egymáshoz való viszonyára. Az eredmények alkalmazását a Balaton áramlási állapotainak jellemzésén keresztül mutatjuk be. légmozgás, tó, vízáramlás. Kulcsszavak: 1. A vizsgált fizikai folyamatok megközelítése A szabad felszínű vízterek szél keltette áramlási viszonyait meghatározó folyamat fontosabb, jelen tanulmány kereteiben vizsgált alapelemeit a következők szerint közelítjük: - A vízfelszín közeli légmozgás - a szélsebességtől, a széliránytól, a meghajtási hossztól (a vízfelület vízszintes geometriájától), valamint a vízmélységtől, esetenként a vízi növényzettől, stb. függően - hullámmagassággal, hullámhosszal, hullám-frekvenciával ill. lengésidővel jellemezhető periodikus vízmozgást, hullámzást hoz létre, mintegy „megérdesítve" a vízfelületet. - A légmozgás és a hullámzással „érdesített" vízfelület közötti súrlódás vízszintes (és függőleges) irányú aperiodikus vízmozgást, cirkulációs áramlást eredményez. - A hullámzás periodikus mozgásának aszimmetrikus (szélirányban nagyobb) impulzusai haladó mozgást (tömegáramot) eredményeznek, tovább módosítva az aperiodikus vízmozgás intenzitását. Az előző megközelítés jellemzője, hogy a szél hatása az aperiodikus vízmozgásokra jelentős részben a hullámmozgáson keresztül, közvetett módon érvényesül. A fizikai folyamat paramétereinek meghatározásnál a továbbiakban a következő feltételek teljesülését feltételezzük: - Az áramlás vízszintes síkon kétdimenziós megközelítésű; - A vízfelületen az esetleges légnyomás különbségek elhanyagolhatók, a felszín közeli légtér sűrűsége térben és időben állandó; - A felszín és a légtér hőmérséklete azonos; - A légmozgás sebessége - a felszín feletti turbulens határréteg vastagságának megfelelő magasságban és felette - térben és időben állandó, függőleges komponense a vízszintes irányúhoz viszonyítva elhanyagolható; - A vízteret érő fizikai hatások közül a Coriolis-féle erőhatás elhanyagolható a levegő-víz közötti súrlódás, valamint a hullámmozgás okozta tömegtranszport hatásához viszonyítva. - A terep közel vízszintes, az átlagos terepszint és a vízfelszín szintkülönbsége nem jelentős. Az előző feltételeknek megfelelő, vízszintes síkon kétdimenziós megközelítésű vízmozgás alap-egyenleteinek egyik alakja a következők: dz dp — + -£- + dt dx dy dp L d(up ) + d(vp ) a u dz _ dt dx dy ^ dx = V,. dx 2 dy 2 dq d(uq) d(vq ) dz _ dt dx í dx 2 - y„ + dy d_V dy 2. + gh— = dy Ty,b + Ty,W + K„ (1) p és q: az x és y tengelyek irányú fajlagos vízhozamok [m /sm]; u és v: az x és y tengelyek irányú áramlási függély-középsebességek [m/s]; íj és r w\ az áramlásból a fenéken ill. a légmozgásból a vízfelszínen keletkező csúsztató feszültség [N/m 2]; K„: a hullámmozgás tömeg-transzportja által létrehozott fajlagos - egységnyi vízszintes felületre és sűrűségre vonatkozó - erőhatás, [m 2/s 2]; z: a vízfelszín abszolút magassága [mBf.]; h: a vízmélység [m]; v,: a hosszirányú turbulens viszkozitási együttható [m /s]; p: a víz sűrűsége [kg/m 3]; g: a gravitációs gyorsulás [m/s 2]. A továbbiakban elsősorban a dinamikai egyenletek jobb oldalán lévő, a víztér cirkulációs áramlását kikényszerítő z w!p és K w hatásokat vizsgáljuk. 2. A levegő-víz közötti súrlódásról A légmozgás hatásainak vizsgálataihoz szükséges széladatok általában szárazföldi (kedvező esetben esetleg partközeli) meteorológiai állomások észlelési adatainak statisztikai feldolgozásaiként állnak rendelkezésre adott, terepszint feletti z m magasságban mért W m l szélsebességnek pl. a tartósságával ill. gyakoriságával. A víztér szél-keltette áramlási viszonyainak és következményeinek vizsgálatakor - többek között - a következő kérdések is felmerülnek: - Milyen mértékű a szélsebesség változás a szárazföld és a vízfelület között? - Hogyan változik a vízfelületre ható szélsebesség a meghajtási hossz mentén?
