Введение к работе
"' ' ;
Актуальность проблемы
Охрана водных ресурсов планеты и их рациональное использование являются частью одной большой проблемы - охраны и оптимизации окружающей среда. Без четкого представления о методах рационального использования водных ресурсов невозможно дальнейшее развитие промышленности и сельского хозяйства. Комплексное освоение водных ресурсов требует тщательного и продолжительного изучения режимов рек, природных условий, влияния водо-хозяйственных мероприятий и возможных изменений режимов рек на окружающую среду и отдельные отрасли народного хозяйства.
Существенные изменения в природные условия вносит зарегулирование рек плотинами гидроузлов. Изменение режима реки оказывает влияние на микроклиматические характеристики прибрежной территории, на речную флору и фауну. В никких бьефахч ГЭС образуются незамерзающие полыньи, повышается влажность воздуха. Летом ниже плотины температура вода становится меньше (холоднее) бытовой, что приводит к снижению самоочи-цащей способности реки. Для полной оценки экологического воздействия ГЭС на прибреише районы необходимо уметь прогнозировать гидротермические и ледовые резкими водотоков, моделировать поля течений и процессы переноса тепла в стратифицированных водохранилищах.
Эффективным методом исследования слокннх многопарамет-рических процессо'в является математическое моделирование и вычислительный эксперимент. Создание математических моделей, численных алгоритмов и программ на ЭВМ является актуальной задачей для проведения вычислительного эксперимента в проблеме прогноза влияния строительства ГЭС на гидротермические и ледовые рехпмы рек. Работа выполнялась по темам "Численные методы решения.многомерных задач механики сплошной среды" (номер госрегистрации 8І0І7684), "Численное моделирование трансформации поверхностных волн и их взаимодействие с препятствиями (номер госрегистрации 0187.005086) и в рамках программы "Сибирь" по подпрограмме 5.02 "Экология, охрана
окружающей среды Сибири".
Цель работы
Основная цель - разработка комплекса прогнозных математических моделей для анализа изменений режимов рек после возведения крупных гидротехнических сооружений и выработки рекомендаций по уменьшению отрицательных последствий.
Научная новизна
Для исследования температурного и ледового режимов водотоков, стратифицированных течений в водохранилищах разра-ботанн математические модели различного уровня сложности.
Построены приближенные решения для оценки картины течения стратифицированной жидкости в проточных, водоемах. Для стационарных двумерных течений в линейном приближении задача сведена к решению уравнения Пуассона относительно функции тока. Предложен алгоритм решения двумерных и трехмерных задач в переменных векторный потенциал-вихрь, в котором используются физические граничные условия для плотности и скорости. Использовано понятие и - консервативной разностное схемы и показано преимущество таких схем по сравнению с ш -неконсервативными разностными схемами. Выполнено исследование течения однородной вязкой жидкости в трехмерной полоста прямоугольного сечения. Численно получены новые структуры -угловые вихри и вихри типа Тейлора-Гертлера, присущие трехмерным течениям. На основе разработанных алгоритмов и программ на ЭВМ проведены численные эксперименты, которые позволили изучить влияние положения водозаборного отверстия 1 илотностного числа Фруда на основные характеристики течени. стратифицированной жидкости в проточном водоеме. Показан возможность применения линейного приближения для оцегос структуры течения.
Для определения температурного режима слабопроточног водоема адаптирована одномерная модель верхнего квазиодно родного слоя океана.
Разработаны программы на ЭВМ для определени гидротермического режима в руслах рек и каналов с учете
реальных морфометрических и метеорологических характеристик. Рассмотрены постановки задач , с помощью которых можно описать динамику кромки ледяного покрова в никнем бьефе ГЭС. Показана возможность применения приближенных моделей намерзания и таяния ледяного покрова для практических расчетов.
Практическая значимость работы
Разработанный в диссертации комплекс алгоритмов и программ на ЭВМ имеет практическое значение в решении крупной научно-технической проблемы - экспертизе проектов гидроузлов. Созданные вычислительные программы применялись для прогноза изменений гидроледотермических режимов рек в случае сооружения Средне-Енисейской, Туруханской ГЭС' Выполнены вычислительные эксперименты с целью оценки динамики кромки ледяного покрова в нижнем бьефе Красноярской ГЭС в случае сооружения конструкций, реализующих поверхностный водозабор из водохранилища.
Численные модели могут входить составной частью в более сложные модели,, направленные на решение ряда фундаментальных и прикладных задач гидротермодинамики, охраны окрукающей среды.
Личный вклад автора
В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных автором в ВЦ СО АН СССР (г.Красноярска). Постановка рассмотренных задач, разработка приближенных решений выполнены лично автором. Выбор численных методов решения, алгоритмическая реализация и разработка программ, численные эксперименты выполнены автором или- под его непосредственным руководством.
Публикация результатов и апробация работы По теме диссертации опубликовано 46 научных работ. Работы опубликованы во Всесоюзных периодических изданиях: "Метеорология и гидрология", "Численные методы механики сплошной среды", "Журнал прикладной механики и технической физики", а также в трудах международных и всесоюзных
симпозиумов и конференций, сборниках, препринтах - и других изданиях.
Результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции по развитию производительных сил Сибири (Новосибирск, 1980), Межвузовской конференции по применению вычислительной техники и математических методов в научных исследованиях (Алма-Ата,1980), I Всесоюзной школе-семинаре по многомерным задачам.механики сплошной среды (Красноярск, 1982), УШ Всесоюзной школе по моделям механики сплошной среды (Омск - Ханты-Мансийск, I9S5), Школе по современным методам комплексного исследования проблем цунами (пос.Шушенское, 1986), Всесоюзной школе-семинаре "Математическое моделирование в науке и технике" (Пермь, 1986), Всесоюзной школе- семинаре "Комплексы .програми математической физики" (пос.Шушенское, 1986), Всесоюзной школе "Теоретические основы и конструирование численных алгоритмов решения задач математической физики (Горький, 1986), Всесоюзной конференции "Актуальные проблемы вычислительной и прикладной математики (Новосибирск, 1987), Научной конференции, посвященной 10-летии кафедры физической механики механико- математического факультета ТГУ (Томск, 1387), V научно-техническом совещании Гидропроекта (Москва, 1987)-, всесоюзном научно- техническом совещании "Лед-87" (Архангельск, 1987), Совещании "Математические модели для решения задач окружающей среды" (Новосибирск, 1988), Школе молодых ученых по численным методам механики сплошной среды (Абакан, 1989), Ш Всесоюзной конферен-^ ции "Динамика и термика рек, водохранилищ и окраинных морей" (Москва, 1989), Всесоюзном научно-техническом совещании "Исследование влияния сооружений гидроузлов на ледовый режим рек и окружающую среду" (Дивногорск, 1989), Ш школе "Математические проблемы экологии" (Чита, 1990), Ш Международной конференции "ЛаврентьєЕские чтения по математике, механике и физике" (Новосибирск, 1990), ХУЛ школе- семинаре "Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования" (Новороссийск, 1990), Координационном совещании "Математическое моделирование в гидроэкологии- 90" (Ленинград, 1990), Всесоюзной конференции "Методы математического
моделирования в задачах охраны природной среды и экологии" (Новосибирск, 1991), на семинарах Института Гидродинамики СО АН СССР, Института теоретической и прикладной механики СО Ж СССР, ВЦ СО АН СССР (Новосибирск), Института водных и экологических проблем СО АН СССР, Красноярского госуниверситета, ВЦ СО АН СССР (Красноярск).
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Объем (с учетом иллюстраций) без списка литературы и приложения составляет 280 стр. Список литературы содержит 303 наименований. Приложение - акты о внедрении - 8 стр.