Teoria Generala Asupra Curentilor Costieri

Capitolul 1 Teoria generala asupra curenților costieri

Termenul de „curenți costieri” a fost introdus în literatură pentru a defini curenții asociați direct cu acțiunea valurilor generate de vânt în zona de spargere a valurilor. Circulația costieră este controlată de forțele induse de val, fiind asociate cu spargerea valurilor în apă puțin adâncă. Cu toate acestea, datorită scării geografice si a intervalului de timp care afectează zona costieră nu ar trebui sa fie neglijate.

Figura 1.1. Structura generală a unei zone costiere

În regiunea din apropierea țărmului, valurile generate de vânt se propagă de la apă adânca la linia coastei, fiind dupuse proceselor de refracție, difracție și de spargere.

Pe măsură ce valurile se propagă în apa putin adâncă, mai aproape de mal, procesul de spargere devine dominant, iar acest proces este însoțit de o turbulență mare. Impulsul transportat de valuri atrage forțe care reprezintă factorii generatori pentru curenții costieri.

Mișcările particulelor de fluid atrase de valuri și curenți mișcă sedimentele de la fundul mării care pot fi transportate pe distanțe foarte mari. Astfel, mișcările fluidului sunt responsabile pentru transportul sedimentelor si pentru oscilația grosimii stratului de sedimente. Chiar dacă, la rândul lor sedimentele in mișcare pot afecta mișcarea fluidului, în special în zona de fund, această influența este considerată suficient de mică pentru a fi luata în considerare doar prin intermediul fenomenului de frecare cu fundul mării.

Circulația costieră este considerată ca fiind rezultatul combinării următoarilor factori:

Fluxul de masă de apă transportat către țărm de valuri;

Curenții longitudinali care se propagă de-a lungul coastei;

Curenții de intoarcere către larg, care se pot grupa în curenți transversali și curgerea uniformă de revenire către larg.

Figura 1.2. Generarea curenților din zona costieră

Elemente de teoria valurilor

Curenti costieri longitudinali

Curenții longitudinali generați de vânt sau de val se propagă paralel cu linia coastei și sunt mai puternici în zona de surf, scăzând semnificativ in exteriorul zonei de surf. Acești curenți sunt rezultatul gradienților din fluxul de impuls (efortul de radiație) datorită valurilor incidente oblice si a componentei vântului orientate de-a lungul coastei.

Vitezele curenților longitudinali, în mod obișnuit, pot prezenta valori medii de circa 0,3 m/s sau chiar mai puțin, iar valorile care depășesc 2 m/s pot apărea in condiții mai energetice. Vitezele acestor curenți longitudinali sunt relativ constante pe înalțime [4]

Conceptul de effort de radiație a fost aplicat de Bowen [5], Louget-Higgins[6,7] și Thornton [8] în modelarea matematică a curenților longitudinali. Aceste studii s-au bazat pe omogenitatea in direcția paralelă cu coasta și îin absența fortării prin vânt, reducând ecuația de mișcare oscilatorie dintre forțarea prin valuri, frecarea cu fundul si amestecul lateral.

Gradientul efortului de radiație centrifugal Sxy este forța generatoare pentru curenții longitudinali:

Rby=

Utilizând teoria liniară, rezultă:

Sxy= ρ g H2 cosα sinα

unde:

n = raportul între viteza de grup și viteza de fază.

Variabilele care determină curenții longitudinali induși de valuri reprezintă unghiul dintre creasta valului, conturul fundului mării și înălțimea de val. Înalțimea de val afectează nu doar viteza longitudinală a curentului indus de valuri, dar și rata totală a schimbarii volumului de curgere, determinându-se în acest fel mărimea zonei de surf.

Figura 1.3. Distribuții tipice ale curenților costieri pentru zonele cu paje plane [2]

Louguet-Higgins a dat o soluție analitică simpla, cu presupunerea omogenității longitudinale in batimetrie si înalțime de val, a teoriei liniare a valului. Considerând unghiuri mici de spargere, panta plajei variază uniform, făra incricișare laterala si spargere a valurilor saturate pe yona de surf. Având în vedere aceste condiții, curentul longitudinal in zona de surf este dat de relați:

V=

unde:

V= viteza curentului longitudinal;

Tan β = panta plajei modificată pentru înălțarea valurilor;

Cf = coeficientul de frecare cu fundul;

α= unghiul crestei de val relativ la conturul fundului mării.

Panta modificata a plajei tan β ia în considerare schimbarea în adîncimea apei datorită înaltarii induse de valuri. Coeficientul Cf ia valori între 0,005 – 0,01 și depinde de asprimea fundului. Distribuția curentului longitudinal in direcția perpendiculară la linia coastei, care a fost data de ecuatia anterioara, este de formă triunghiulara, cu o limită de maxim la linia de spargere a valurilor.

Expresia folosită pentru curenții longitudinali la mijlocul zonei de surf Vmid poate fi utiliyată pentru evaluarea transportului longitudinal de nisip:

Vmid = sin αb cos αb

1.3 Curenții transversali

Spre deosebire de curentul longitudinal, curentul transversal nu este în general constant pe înalțime. Transportul de masă către coastă datorat valurilor este concentrat între înaltimile si golurilor crestelor. Datorită faptului ca nu exista un flux de masă către plajă, transportul de masă datorat valurilor în zona golurilor este balansat de o curgere inversă sub gol.

Masuători deasupra unui profil subavatic cu bară

Forța curentului submarin poate fi relativ puternic, cu 8-10 procente din viteza initiala de fază lângă fund. Curenții de tip „rip” sunt acei curenți puternici si îngusti care se propagă spre larg pornind de la yona de surf.

Aceștia se datoreaza caranterului tridimensional al curgerii și sunt produși de curenții longitudinali care cresc de la zero pana la un maxim, între doi curenti transversali vecini, chiar înaintea curentului transversal de tip „rip”. Acesti curenți si celulele de circulație costiera pot fi generați de variațiile de-a lungul coastei în înaltarea apei datorită valurilor.

1.4 Model simplificat pentru curentii costieri

Pentru o regiune costieră care este neuniformă in direcție longitudinală, curenții pot avea structuri complicate datorita neniformitații topografiei si ale condițiilor de val si datorită variațiilor mecanismelor de forțare pe o scară mai largă. Curgerea dominantă reprezintă de obicei un curent longitudinal si au fost considerate unele situații diverse simplificate pentru predicția acestor curenți.

Primele modele pentru curenții longitudinali au constat într-o batimetrie neuniformă și o distribuție regulată uniformă pe adâncime a curenților longitudinali. Curenții sunt un rezultat între echilibrul dintre efortul de radiatie, frecarea cu fundul și amestecarea turbulentă. Studiile ulterioare au arătat că interacțiunea neliniară dintre curenții longitudinali si transversali, care variază în adâncime, cauzează efectul de dispersie laterală care domină amestecul lateral turbulent în regiunile costiere. Amestecul lateral disperdiv este semnificativ pentru valurile regulate, dar s-a concluzionat faptul că acesta este un element secundar în cazul valurilor neregulate.

Cea de-a doua clasă de modele pentru curenții longitudinali face referire la presupunerea uniforme a topografiei. S-a considerat mișcarea valurilor incidente normale, care se sparg deasupra unei tipografii batimetrice care variază ușor in direcțtia longitudinala, si s-a analizat efectul aclor variații betimetrice longitudinale în definirea caracteristicilor circulației costiere. O extensie a acestor studii a fost data de către cercetătorii Wu si Liu, care au studiat cazul valurilor incidente sub un unghi oblic. Ei au arătat că efectele terminilor neliniari convectivi cresc odată cu creșterea amplitudinii și a unghiului valurilor incidente. Ei au considerat, de asemenea, valuri incidente oblice si, in exemplele lor, se arată că pentru o variație longitudinală usoară a fundului mării si a unghiurilor de incidență mici, gradientul de presiune longitudinal devine un caracter important și contribuie la forțarea curenților longitudinali.

Pentru unghiurile de incidență mari, contribuția gradientului de presiune scade semnificativ prin comparație cu efrotul de radiație. Pentru o topografie cu o bară longitudinală și un canal transversal, forțarea dată de către gradientul de presiune longitudinal este de același ordin de mărime cu forțarea dată de efortul de radiație longitudinal. O situație similară a fost evidențiata in modelul simplificat pentru curenți transversali de Dalrymple.

Se va analiza aria de valabilitate a modelului POS (Putrevu, Oltman-Shay si Svendsen – care reprezintă un model simplu care ia în considerare forțarea dată de valuri, frecarea cu fundul și gradientul de presiune longitudinal – plus efectul amestecului dispersiv, mentionat anterior) prin compararea reyultatelor solutiilor semi-analitice furniyate de Poa, cu reyultatele modelului SHORECIRC. Două configurații batimetrice sunt uitiliyate pentru a ilustra limitările si acuratețea modelului POS. Prima este o plaja plană cu o modulație sinusoidală longitudinală si cealaltă o plaja cu o bară longitudinală cu o variație în înălțimea barei, corespunzătoare unui canal transversal. Modelul SHORECIRC va fi folosit ca un instrument, pentru a evalua importanța fiecarui termen din ecuațiile de mișcare și pentru a cunatifica contribuția lor în curgerea costieră.

S-a găsit faptul că, in ecuațiile transversale si longitudinale de variație ale impulsului, termenii importanți sunt de ordine și de mărime diferite.

Ecuațiile modelului

Ecuațiile de miscare pot fi scrise în funcție de debitul de volum și de componentele vitezei valului uwa și a curentului Va :

Ecuația de impuls mai poate fi rescrisă ca: