Введение к работе
Актуальность темы. Воды суши - важнейшее звено гидросферы. Изучение закономерностей поверхностного стока относится к основным направлениям исследований в науках о Земле.
В настоящее время в гидрологии становится все более необходимо описание гидрофизических процессов, протекающих в пограничных слоях. Однако пока удалось обнаружить лишь малую часть эффектов на границах сред: вода-берег, вода-дно, вода-атмосфера. В связи с этим актуальна проблема количественного анализа взаимодействия водных потоков в контактных зонах для различных пространственно-временных масштабов явления. Особое значение указанная проблема имеет в решении задач антропогенного загрязнения окружающей среды.
Цель и задачи работы. Сформулированные в диссертации вопросы посвящаются решению крупной научной проблемы - разработке теории гидродинамического взаимодействия водных потоков суши.
Целью диссертационной работы служит исследование структуры течений и процессов миграции загрязняющих веществ при контакте вод грунтовых и речных, речных и морских, а также в бассейне окраинного моря.
В задачи диссертационной работы входило: 1) исследование закономерностей стока, связанных с гидродинамическим взаимодействием потоков при разгрузке грунтовых вод в проточный водоем, с помощью численного моделирования; 2) выполнение анализа изменчивости параметров открытого турбулентного потока, береговой и донной фильтрации; 3) проведение сравнения полученных расчетным путем характеристик водных потоков с имеющимися данными экспериментальных и лабораторных наблюдений в придонной области водотоков; 4) изучение особенностей формирования качества воды в прирусловой зоне под влияни-
ем источников загрязнения поверхности почвы в условиях хорошей гидравлической связи фильтрационного и открытого турбулентного потоков; 5) исследование структуры полей течения, температуры, солености и изменчивости турбулентности в прибрежной зоне моря с помощью анализа экспериментальных наблюдений; 6) осуществление теоретической оценки антропогенного влияния на акваториях приустьеиого взморья и сопоставление полученных расчетных данных с натурными; 7) обобщение сведений о циркуляции и режимообразующих факторах для описания взаимодействия водных потоков в бассейне окраинного моря;
-
исследование крупномасштабных динамических неоднородностей в регионе окраинного моря, соединенного проливами с океаном, на основе гидродинамического моделирования течений наибольшей повторяемости;
-
проведение анализа процессов динамической трансформации полей загрязняющих веществ в окраинном шельфовом море с помощью результатов гидродинамического моделирования циркуляции и материалов стандартных гидрохимических наблюдений.
Методика исследования построена на комплексном подходе. В качестве главного способа исследования выбран метод моделирования взаимодействия потоков грунтовых, речных и морских вод. При этом наряду с физическим моделированием; основанном на применении различного рода трассеров, используются результаты математического моделирования. Проводится анализ разнообразных натурных данных, характеризующих распределение гидрофизических параметров и концентраций техногенных примесей в водной среде.
Научная новизна. В работе предложена концепция взаимодействия потоков с различными гидрофизическими свойствами, основанная на изучении комплекса пространственно-временных масштабов в проблеме формирования стока и качества вод суши. В ходе исследований получены новые научные результаты для динамических систем грунт-водоток, приустьевого взморья и бассейна окраинного моря, имеющие как теоре-
- 5 -тическое и методическое, так и практическое значение. При этом впервые :
выполнено обобщение исследований по оценке взаимодействия потоков в изучении гидролого-гидрогеологических процессов;
осуществлена физическая постановка задачи формирования качества грунтовых вод при взаимодействии двумерных открытого турбулентного потока в узком вытянутом водоеме и фильтрационного потока в насыщенно-ненасыщенной прирусловой зоне и получено численное решение задачи с учетом дєйстеия источников загрязнения поверхности почвы;
выявлены закономерности пространственно-временной изменчивости фильтрационного и руслового течений, а также распространения примесей в прирусловой зоне при разгрузке грунтовых вод в проточный водоем;
исследованы процессы турбулентного перемешивания речных и морских вод в районах прибрежного пограничного слоя моря с помощью разработанных способов прямого экспериментального определения параметров горизонтальной турбулентной диффузии;
предложены теоретические методы анализа переноса примесей в прибрежной зоне моря, основанные на использовании натурной информации о структуре течений, стратификации, распреснении, турбулентном обмене, и осуществлена оценка антропогенного воздействия на некоторых акваториях приустьевого взморья;
обоснованы принципы изучения гидрологических особенностей взаимодействия потоков в бассейне окраинного моря;.
получены новые данные о крупномасштабных динамических неодно-родностях в регионе Балтийского и Северного морей с помощью гидродинамического моделирования интегральной циркуляции, включающего учет водообмена между ними через проливы Каттегат, Скагеррак и Датские, реальных морфометрических характеристик и климатической
информации о поверхностном стоке;
- определены районы перманентной аккумуляции в окраинном Балтийском море антропогенных загрязняющих веществ.
Степень личного участия автора в получении научных результатов, изложенных в диссертации. Основные научные результаты были получены автором при осуществлении плановых научно-исследовательских работ, ответственным исполнителем и руководителем которых он являлся.
Соискателем выполнены постановка и проведение ряда экспериментальных исследований циркуляционных процессов, предложены новые методики этих исследований. На основании проведенного анализа натурных данных разработаны и численно реализованы математические модели для оценки антропогенного воздействия в районах взаимодействия вод с различными гидрофизическими свойствами, а также организовано внедрение основных научных результатов.
Практическая значимость. Особое значение результаты исследования имеют для описания процессов в контактных зонах основных гидрологических динамических систем: поверхностного водотока, приустьевого взморья и окраинного моря. При этом рассматриваются явления взаимодействия потоков на границах раздела грунтовых, речных и морских вод, где натурная информация отсутствует, либо недостаточно полная для изучения процессов формирования стока и качества воды.
Разработанный вычислительный алгоритм решения задачи взаимодействия фильтрационного и руслового потоков, основанный на рассмотрении особенностей течения в зоне аэрации, насыщенной области грунта и открытом турбулентном потоке, позволяет исследовать многие закономерности разгрузки и подпора грунтовых вод, структуру течения в прирусловой зоне и поверхностном водотоке, а также характер распространения примесей от источников загрязнения поверхности почвы. Обнаруженные свойства турбулентной диффузии в прибрежной зоне моря и построенные на них расчетные методы оценки антропогенного влияния
-7-. в областях контакта речных и морских вод найдут также применение для крупных водохранилищ, больших озер и ряда внутренних морей. Описанные теоретические схемы водообмена, полученные при рассмотрении процессов взаимодействия потоков окраинного Балтийского моря с океаном, могут служить основой для дальнейших исследований циркуляции, климата и экологии.
Отдельные результаты и разработки, предложенные в диссертацион-.нйй работе, внедрены в разделе госбюджетных научно-исследовательских тем, а также используются при научном обеспечении Волжского бассейнового соглашения и Государственной программы по очистке Балтийского моря от загрязнений затопленного химического оружия. Автор выносит на защиту:
1. Концепцию взаимодействия потоков с различными гидрофизичес
кими свойствами при формировании стока и качества вод суши;
2. Математическую модель распространения примесей в прирусловой
зоне водотока, основанную на решении квазитрехмерной, нестационар
ной задачи совместного движения жидкости в насыщенно-ненасыщенном
грунте и открытом турбулентном потоке;
-
Характеристику водообменных процессов, связанных с термогидродинамическим взаимодействием ветра, течений и турбулентности в прибрежной зоне моря;
-
Оценку антропогенного влияния в районах приустьевого' взморья с учетом натурной информации о структуре течений, изменчивости турбулентности, стратификации и распреснении;
-
Закономерности взаимодействия потоков в бассейне окраинного моря на примере теоретического анализа циркуляции в регионе Балтийского и Северного морей.
Достоверность научных положений диссертации обоснована совпадением полученных теоретических результатов с натурными наблюдениями течения грунтовых, речных и морских вод, а также данными косвенного
- 8 -сравнения с выводами лабораторных экспериментов.
Апробация работы. Результаты исследований изложены более чем в 40 трудах и персональной монографии автора. Основные положения работы рассматривались на Ученом Совета ИВП РАН при утверждении темы докторской диссертации (25.04.89), докладывались на Международном симпозиуме по инженерной геологии шельфа и континентального склона морей (г.Тбилиси,1988 ), на Международном симпозиуме по гидрологии переувлажненных областей (г. Джонси, Финляндия, 1988), на 1 Советско-Американском симпозиуме по гидрогеологическим и гидрологическим проблемам охраны окружающей среды (г. Ленинград, 1990 ), на научном семинаре в ИПМ РАН под руководством академика П.Я.Кочиной (1992 ), на научном семинаре в Росгидрометцентре ( 1993 ). В полном объеме диссертация докладывалась на расширенном научном семинаре Отдела гидрогеологии ИВП РАН (04.02.93 ), а также, секции "Гидрофизика и экология" Ученого Совета ИВП РАН (27.04.93 ).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Она содержит 245 страниц машинописного текста, в том числе 46 рисунков и список литературы из 153 отечественных и 47 иностранных наименований.
Автор выражает благодарность академику РАН II.Я.Кочиной,за оказанное внимание к работе, чл.-корр. РАН М.Г.Хубларяну за постановку цели исследования и обсуждение основных его этапов, докторам г.-м.н. И.С.Зекцеру и Р.Г.Джамалову за поддержку и ценные советы, а также сотрудникам ИВП РАН, помогавших в проведении исследований и анализе полученных результатов.