Введение к работе
Актуальность темы
Под устьевой областью реки понимается географический объект, включающий в себя как участок реки, так и часть моря. Через верхнюю (речную) и нижнюю (морскую) границы устья естественные и антропогенные изменения в бассейнах рек и морей передаются в устье. Устьевые области рек выполняют роль природных барьеров между реками и морями. Здесь отлагается большая часть приносимых реками наносов, задерживаются и накапливаются растворенные в воде вещества, включая загрязняющие. По существу, это переходная зона от реки к морю, на протяжении которой гидрологический режим, свойственный реке постепенно переходит в морской. Наиболее важными и определяющими устьевыми процессами является динамика и смешение речных и морских вод. В результате взаимодействия морских и речных вод происходит обмен массой, импульсом и энергией между двумя водными массами. В основе физического взаимодействия морских и речных вод лежат процессы передачи энергии в результате адвекции, волновых движений и турбулентного обмена. Волновое взаимодействие морских и речных вод определяется колебаниями уровня моря и противодействием потока речных вод. Следствием этого взаимодействия для устьевой области реки приливного типа является процесс более дальнего проникновения приливной волны в устье реки и импульсное поступление речных вод в море. Приливы характерны для устьев всех северных рек. В данной работе изучается динамика приливных течений на устьевом взморье.
Актуальность рассмотрения данной темы определяется тем, что:
-
Мелководные прибрежные районы морей задействованы в экономике страны. В устьях рек, как правило, располагаются крупные промышленные центры. Интенсивное развитие производительных сил, хозяйственное освоение природных ресурсов устьев рек ставит перед исследователями этих географических объектов ряд важных задач. Большое значение приобретает прогноз ожидаемых изменений в гидрологическом режиме, происходящих в результате естественных процессов и хозяйственной деятельности человека.
-
Развитие промышленности приводит к необходимости проведения ряда водохозяйственных мероприятий, которые оказывают существенное воздействие на гидрологический режим устьевых областей рек. К этим мероприятиям относятся дноуглубительные работы на сдерживающих судоходство перекатах, водоснаб-
жение при строительстве и эксплуатации нефтедобывающих и нефтеперерабытывающих предприятиях. Для оценки гидрологических параметров при антропогенном воздействии, а также в связи с освоением нефтяных месторождений шельфа северных морей также необходимо знать основные гидродинамические закономерности в устьях рек. На водный режим устьев северных рек влияют сезонные изменения речного стока, морские колебания уровня воды, сгонно-нагонные явления и наличие льда.
-
Качество воды в устьях рек зависит от динамики переноса загрязняющих веществ под воздействием приливных волн и ветра. Перенос субстанций любого происхождения и их концентрация зависят не только от процессов диффузии, но и от динамики течений. Расчет этих параметров представляет сложную задачу, так как нужно иметь данные о векторном поле осредненных скоростей течения в исследуемом объекте и об изменении этого поля во времени.
-
Приливная волна является одним из основных факторов, определяющих динамику вод в устьях северных рек. Распространяясь в устье, она подвергается сильной трансформации, вызванной шероховатостью дна, многорукавностью русел,а также взаимодействием с речным потоком. Вторжение во время прилива соленых морских вод в устье создает особый гидрохимический режим. В каждой устьевой области приливных рек имеется зона транзита пресных вод и зона смешения речных и морских вод. Процессы смешения морских и речных вод на устьевом участке находится под влиянием приливных колебаний уровня моря, стока речных вод, градиента плотности воды и рельефа дна.
-
Приливные волны создают существенные остаточные перемещения масс воды в прибрежной зоне. Эти движения, наряду с ветровым волнением, — основные переносчики тепла и веществ в мелководной зоне. В отличие от ветровых, приливные движения постоянно действующие. Эти течения оказывают существенное влияние на режим движения наносов, на процессы формирования дельт, а также образование отмелей, русловых протоков. Они воздействуют на поля температуры, солености и определяют своеобразную циркуляцию с остаточными (результирующими) переносами вод.
-
Турбулентность играет существенную роль в динамике течений,
особенно в мелководных областях. Интенсивность турбулентности определяет процесс обмена, от которого зависит способность потока к самоочищению, трансформации и деградации загрязняющих веществ, его транспортирующая способность. Поэтому изучение турбулентности приливного течения представляет практический интерес.
-
Устьевые области северных рек экспериментально слабо изучены, для них характерна крайне редкая стационарная сеть наблюдений. Также эспериментально мало изучена и турбулентность приливных потоков, поэтому математическое моделирование процессов, происходящих в этих географических районах важная актуальная задача.
-
Устьевые области играют важную роль в воспроизводстве рыбных запасов. Здесь концентрируются для нагула, откорма и зимовки полупроходные ценные породы рыб. Непременным условием для успешного развития рыбного хозяйства является поддержание необходимого качества воды, которое в большой степени зависит от динамики течений.
Цель и задачи исследования
Целью работы является изучение динамики и вертикальной структуры приливных течений в мелководной прибрежной части моря (для областей глубин, не превышающих 10-20 м), их влияния на перенос консервативной примеси, связанный с эффектом повышения осредненного за приливной цикл уровня воды (так называемой нелинейной приливной накачки уровня) и разработка методов расчета изучаемых процессов. В соответствии с этой целью в задачи исследования входило:
исследование эффекта нелинейной приливной накачки уровня для прибрежной зоны с постоянной и переменной глубиной;
расчет нелинейной трансформации приливной волны на мелководье;
расчет остаточных приливных течений с учетом нелинейной трансформации приливной волны;
обобщение двумерной турбулентной модели распространения приливной волны на мелководье (Дебольская Е.И., Зырянов В.Н., 1994) на трехмерный случай;
разработка численной модели расчета вертикальной турбулентной структуры приливных течений в случае открытого потока с учетом
ветра;
- приложение полученных теоретических результатов к Двинскому заливу Белого моря.
Методика исследований
Поставленные задачи решались с использованием асимптотических методов (метод малого параметра) и численных методов решения уравнений в частных производных.
Научная новизна работы:
-
получены аналитические формулы нелинейной накачки уровня как для постоянной, так и переменной глубины с учетом конечности ширины прибрежной зоны мелководья, исследовано поведение накачки в зависимости от ширины зоны мелководья и от коэффициента вертикального турбулентного обмена;
-
получены аналитические формулы для расчета трансформации приливной волны на мелководье для постоянного дна и постоянного коэффициента вертикального турбулентного обмена, вычислен остаточный приливной перенос водных масс;
-
предложено обобщение гипотезы Кармана для масштаба турбулентности на трехмерный случай для градиентно-вязкой модели приливных течений на мелководье, получено уравнение для коэффициента вертикального турбулентного обмена;
-
разработана трехмерная турбулентная модель, позволяющая рассчитывать вертикальную структуру течения, проведен анализ применяемых численных методов, предложен принцип построения адаптивной сетки по вертикали с учетом возникающих пограничных слоев для уравнения баланса турбулентной энергии.
Практическая значимость работы состоит в количественной оценке нелинейной накачки уровня и остаточного приливного переноса водных масс. С методической точки зрения существенно то, что основные результаты получены аналитически. Использование численных методов для расчета таких тонких эффектов не всегда приводит к требуемому результату из-за возникающих ошибок аппроксимации (Rondey F.K., 1979).
Апробация работы
Отдельные части работы докладывались на общероссийских и региональных совещаниях и конференциях: IV Всероссийской конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ и внутренних и окраинных морей", Москва, 1994г., на VI Всероссийской конференция "Про-
блемы построения сеток в задачах математической физики" в 1996г., на XIII Республиканской конференции молодых ученых в г.Сыктывкаре в 1997г., а также на семинарах отдела математики Коми научного центра УрО РАН, семинарах лаборатории гидродинамики ИВП РАН.
Объем и структура диссертации