Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 . Современное состояние изученности приливных явлений и приливного переноса примеси в мелководных прибрежных районах морей и эстуариях 12
1.1. Гидродинамическое моделирование приливных явлений и переноса примеси в мелководных прибрежных районах морей и эстуариях 12
1.2. Гидродинамическое моделирование приливных явлений и переноса примеси в мелководных прибрежных районах Белого моря 17
Глава 2 . Натурные исследования приливных процессов в отдельных частях акватории Белого моря 24
2.1. Физико-географические особенности Белого моря 24
2.2. Объекты экспериментов 32
2.3. Постановка экспериментов 35
2.4. Анализ данных 39
2.4.1. Термохалинная структура вод в Кандалакшском и Онежском заливах 39
2.4.2. Течения и колебания уровенной поверхности в приливных движениях... 52
Глава 3. Моделирование приливных явлений 62
3.1. Описание моделирующей системы CARDINAL 62
3.2. Численные эксперименты по расчету приливных течений и колебаний уровня и сравнение результатов с натурными данными 66
3.2.1. Онежский залив 66
3.2.2. Эстуарий р. Онега 73
3.2.3. Эстуарий р. Кемь 80
3.2.4. Бухта Никольская 85
3.2.5. Эстуарий р. Кереть 88
Глава 4. Моделирование переноса и диффузии примеси 96
4.1. Экологическое состояние Белого моря 96
4.2. Численные эксперименты по переносу и диффузии вещества в Белом море. 100
4.2.1. Онежский залив 100
4.2.2. Устье р. Онеги 101
4.2.3. Устье р. Кемь 109
4.2.4. Бухта Никольская 114
4.2.5. Устье р. Кереть 116
Заключение 122
Литература 133
Приложение 1 151
Приложение 2 154
- Гидродинамическое моделирование приливных явлений и переноса примеси в мелководных прибрежных районах морей и эстуариях
- Физико-географические особенности Белого моря
- Описание моделирующей системы CARDINAL
- Экологическое состояние Белого моря
Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы Белое море привлекает значительное внимание как исследователей, так и пользователей. Это связано с новым этапом освоения ресурсов самого моря и его водосбора (отметим здесь предполагаемую добычу алмазов, рыбных ресурсов, развитие марикультуры, планирование транспортировки природного газа со Штокмановского месторождения Баренцева моря в Западную Европу, строительство в связи с этим побочных производств). Все эти и другие мероприятия требуют разработки научных основ рационального использования и охраны ресурсов моря.
В последние годы отмечены такие негативные воздействия на экосистему Белого моря, как загрязнение нефтепродуктами и промышленными стоками устьев крупнейших, в том числе нерестовых, рек, сброс сточных вод промышленных предприятий, находящихся на водосборе. Ряд городов на побережье моря не имеет комплекса очистных сооружений (КОС), или они работают не в нормативном режиме. В настоящее время в Белом море в десятки раз сократились запасы и вылов промысловых видов рыб, резко снизилась численность гренландского тюленя. Столь резкое снижение запасов основных промысловых объектов Белого моря обусловлено целым рядом причин, в том числе и загрязнением моря, в особенности его прибрежной зоны, заливов и эстуариев. Усиление антропогенного воздействия на прибрежные регионы моря может привести и уже приводит к серьезным нарушениям, не только в отдельных организмах, но и на уровне прибрежных экосистем.
В связи с возрастающим антропогенным воздействием на экосистемы прибрежных акваторий Белого моря актуальной задачей научных исследований является разработка и усовершенствование методов оценки состояния, управления, охраны и рационального использования их ресурсов. Наряду с натурными исследованиями акваторий, перспективным путем решения различных проблем, в том числе и проблемы распространения и трансформации примесей в прибрежных районах, является математическое моделирование (Моделирование..., 1978; Моделирование..., 1979; Дмитриев, 1995; Abril J., et al., 2000; Andrews et. al., 1999; Cheevaporn, Menasveta, 2003; Cugier, Hir, 2002; Cetina, Rajar, Povinec, 2000; Gillibrand, 2001; Gillibrand, Balls, 1998; McCay, 2003; Perianez, 1999; Tappin et. al., 1997; Yanagi, et. al., 1997; и др.).
Поскольку гидродинамические процессы, определяющие перенос субстанции и перемешивание вод, являются базисными факторами в развитии водных экосистем, особую важность приобретает изучение этих процессов и возможность их численного моделирования. Определяющую роль в динамическом режиме Белого моря играют приливы. В Мезенском заливе Белого моря высота прилива составляет 5-7 м. $Ш> Максимальные скорости приливных течений в отдельных районах моря превышают 200 см-с'1 (Гидрометеорология..., 1991). Поэтому изучение влияния приливной динамики на перенос и диффузию примеси в прибрежной зоне является одной из важных задач современных океанологических исследований Белого моря.
Ф>
К настоящему моменту отечественными и зарубежными учеными проведен определенный, объем исследований, посвященных моделированию приливного переноса и диффузии примеси в прибрежной морской зоне и приливных эстуариях (Альхименко и др., 1996; Еремеев, Иванов, 1981; Моделирование..., 1979; Озмидов, 1986; Проблемы..., 1986; Руховец, 1982; Сеидов, Личнов, 1985; Aldridge, 1997; Bai, Wang, Shen, 2003; He, Chao, 1994; Gerritsen et. al., 2001; Inoue, Wiseman, 2000; Lafite et. al., 2000; Luyten, 1997; Makinson, Nicholls, 1999; Mason, Garg, 2001; Xing, Davies, 2003; и др.). Для акваторий северных морей нашей страны можно привести примеры моделирования переноса и трансформации радионуклеидов в акваториях Баренцева и Карского морей (Kulakov, Pavlov, Stanovoy, 1995), распространение загрязняющих веществ в приливном эстуарии р. Сев. Двины Белого моря (Бреховских и др., 1997; Бреховских, Перекальский, 2002; Лапина, 2000, 2001). Подобные работы по другим акваториям Белого моря до сих пор, насколько нам известно, не проводились. Относительно небольшое количество работ по моделированию динамики вод, распространению примесей в эстуариях обусловлено сложностью их численного моделирования, связанной с мелководностью, сложностью рельефа дна и берегов исследуемых акваторий, а также зачастую отсутствием данных натурных наблюдений.
Поскольку Онежский и Кандалакшский заливы, выбранные нами в качестве объектов исследования, являются по данным В.В. Сапожникова и С.А. Соколовой (1994) подверженными значительному антропогенному воздействию, актуальность моделирования переноса примеси в этих заливах очевидна для решения многих задач.
Развитие марикультуры и рыболовства, навигация, строительство и функционирование портов и промышленных предприятий, расширение рекреационных зон определяют в настоящий момент хозяйственное использование прибрежной морской зоны этих заливов. Берега Онежского и Кандалакшского заливов отличаются значительной изрезанностью, наличием большого количества островов. Поэтому на приливной перенос загрязняющих веществ в их прибрежной зоне существенное влияние оказывают мелководье и очертания береговой линии. Особую сложность представляет изучение приливного переноса и диффузии вещества в эстуариях, в которых происходит взаимодействие приливных течений и речных потоков. В этом случае наиболее эффективным путем исследования процессов переноса и трансформации вещества является математическое моделирование в сочетании с натурными измерениями.
Наглядным примером важности понимания исследуемых процессов и явлений і является обоснование выбора мест для размещения марикультуры. Создание промышленной марикультуры двустворчатого моллюска - мидии {Mutilus edulis) было начато на Белом море в 1983 г. (Океанографические ..., 1991). По биотехнологии, разработанной ЗИНом, в настоящее время под мидиевые хозяйства уже освоено около 50 га водной поверхности. Мидиевые хозяйства оказывают существенное влияние на экосистему акватории. Под мидиевыми плантациями происходят изменения донного сообщества, а при определенных неблагоприятных гидрологических условиях могут появляться заморные зоны (Примаков, 2002; Садыхова, Ляхин, 1994). Отрицательное воздействие марикультуры. мидий на экосистему акватории значительно уменьшается в условиях интенсивного водообмена. В связи с этим, при выборе мест под плантации важно оценить особенности водообмена конкретной акватории.
Подготовка сведений для разработки научных основ управления ресурсами Белого моря, в особенности его прибрежной зоны, позволит повысить эффективность мероприятий по улучшению качества водной среды, а также по снижению риска от чрезвычайных антропогенных экологических ситуаций, таких как поступление нефтепродуктов при авариях судов, аварийные сбросы сточных вод в прибрежной зоне, добыча полезных ископаемых, дноуглубление русел.
Цель работы - исследование особенностей приливного переноса примеси в прибрежных районах Белого моря, подверженных значительному антропогенному воздействию. В связи с этим были поставлены и решены следующие задачи:
Изучение закономерностей приливных явлений мелководных прибрежных акваторий Белого моря по данным экспедиционных исследований.
Моделирование особенностей приливной'динамики исследуемых акваторий и оценка вклада различных нелинейных эффектов на динамику вод и перенос примеси в прибрежной зоне.
Оценка адекватности результатов моделирования' приливной динамики исследуемых акваторий путем сравнения с данными натурных измерений.
Моделирование приливного переноса примеси в мелководной прибрежной зоне при изменяющемся комплексе внешних условий, определяемых как антропогенными факторами, так и природными условиями (высота прилива, сток рек, объемы сточных вод).
Изучение особенностей распространения примеси в мелководных акваториях при действии локального источника, имитирующего в бухте Никольской и устье р. Кереть мидиевые плантации, в устьях рек Онеги, Кеми и*Выга сбросы неочищенных сточных вод и аварийные экологические ситуации.
Основные научные результаты, выносимые на защиту:
результаты > анализа данных натурных наблюдений процессов приливного перемешивания вод в прибрежных районах Онежского и Кандалакшского заливов Белого моря;
результаты численного моделирования приливной динамики изучаемых акваторий, оценка возникающей в них остаточной приливной циркуляции;
оценка вклада различных членов уравнений движения в особенности приливной динамики исследуемых акваторий;
выявленные закономерности распространения примеси в мелководных бухтах, эстуариях и Онежском заливе Белого моря при изменяющихся внешних факторах, таких как условия сизигийного и квадратурного прилива, весеннего паводка, а также при варьировании коэффициентами неконсервативности примеси и горизонтального турбулентного обмена.
Объектами исследования диссертационной работы являются Онежский залив Белого моря, мелководные эстуарии рек Онега, Кемь и Выг Онежского залива, а также эстуарий р. Кереть и бухта Никольская, расположенные в Кандалакшском заливе, в разной степени подверженные антропогенному воздействию.
Материалы и методы исследований. В работе использовались натурные А данные, полученные в ходе следующих экспедиций:
;
1982-83 гг. - устье р. Онеги (ИВПС КарНЦ РАН);
1982-83 гг. - пролив Соловецкие Салмы Онежского залива (ИВПС КарНЦ РАН);
1994, 1995, 1998 и 2000 гг. - устье р. Кереть и бухта Никольская Кандалакшского залива (кафедра океанологии СПбГУ);
2000-01 г. - губа Чупа Кандалакшского залива, Онежский залив и эстуарий р. Кемь (ИВПС КарНЦ РАН); Автор принимал непосредственное участие в экспедициях кафедры
океанологии в губе Чупа Кандалакшского залива и в экспедиции ИВПС КарНЦ РАН в Онежском заливе в 2001 г., а также в обработке и анализе полученных данных.
Для модельных расчетов приливной динамики и переноса примеси в мелководных прибрежных районах Белого моря использовалась программа CARDINAL (Вольцингер и др., 1989; Клеванный, 1999; Klevanny et. al., 1992; Klevanny, Matveyev, 1993). Программа реализует систему уравнений мелкой воды и уравнение горизонтального переноса и турбулентной диффузии примеси в криволинейных координатах и предназначена для исследования* динамики прибрежных вод. Использование криволинейной системы координат особенно удобно при аппроксимации расчетной области в прибрежной зоне, изобилующей заливами, островами и полуостровами. Для задания начальных условий при моделировании использовались гидрологические ежегодники, другие опубликованные материалы, а также данные экспедиционных наблюдений в заливах и бухтах Белого моря. Достоверность полученных результатов расчетов была подтверждена их совместным анализом с имеющимися натурными измерениями. При построении криволинейных координатных сеток использовались навигационные карты. В работе для анализа полученных данных применялись стандартные методы статистической обработки, корреляционный и спектральный анализ.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
* Исследованы особенности приливных явлений и связанных с ними процессов
переноса примеси в слабо изученных мелководных прибрежных районах
Белого моря.
* Впервые для Онежского залива и мелководных прибрежных районов устьев
/Ш рек Онега, Кемь, Выг, Кереть и бухты Никольской было проведено
моделирование приливных явлений и переноса примеси с использованием подробных криволинейных координатных сеток, позволивших с высокой степенью точности воспроизвести особенности морфометрии мелководных прибрежных акваторий, имеющих сложную береговую линию, рельеф дна и изобилующих большим количеством островов.
* Выявлена важная роль нелинейных эффектов (трансформация приливной
волны на мелководье) в динамике приливов в мелководной прибрежной зоне.
уЩ * Показано, что сезонные условия (весенний паводок), а также условия
сизигийного и квадратурного прилива оказывают существенное влияние на характер переноса примеси в мелководных прибрежных районах и эстуариях.
* Впервые оценены особенности распространения примеси в мелководных
акваториях при действии локального источника, имитирующего в бухте
Никольской и устье р. Кереть мидиевые плантации, в устьях рек Онеги, Кеми и
Выга сбросы неочищенных сточных вод и аварийные экологические ситуации.
Практическая значимость работы. Впервые так комплексно и подробно
изучена динамика вод, приливной перенос в ряде малоисследованных районов Белого моря. Полученные в работе результаты могут быть использованы при решении задач охраны окружающей среды, в частности, при изучении приливного переноса примеси в прибрежной зоне, при разработке рекомендаций по оптимизации управления природными ресурсами в устьевых областях рек бассейна Белого моря. Полученные результаты позволят повысить эффективность мероприятий по улучшению качества водной среды, а также снизить риск от последствий чрезвычайных антропогенных экологических ситуаций. Выявленные закономерности распространения примеси могут быть использованы при ликвидации чрезвычайных ситуаций, для принятия мер по оптимизации сбросов сточных вод в исследуемые акватории. Результаты работы могут служить основой при планировании натурных экспериментов и при анализе
различных экологических процессов, например, при обосновании выбора зон, наиболее благоприятных для разведения марикультуры.
Апробация работы. Результаты работы были использованы при выполнении
фундаментальных программ ООФАГ и ОНЗ РАН, тем РФФИ и международных
проектов. В частности:
(Ш * тема РФФИ № 03-05-64079а «Комплексный мониторинг динамики вод, наносов
и рельефа, антропогенного загрязнения и условий существования биоты
эстуариев Белого моря» »(2001-2002 гг.);
тема РФФИ № 03-05-79028 «Организация и проведение экспедиции на Белом море по изучению динамики вод, наносов и рельефа, антропогенного загрязнения и условий существования биоты эстуариев» (2001-2002 гг.);
тема ИВПС Карельского НЦ РАН № 55 «Исследования основных элементов экосистемы Белого моря и роли абиотических факторов в ее развитии» (2002-
9і 2005 гг.);
* международный проект ИНКО-Коперникус № ІСА2-1999-10167 «Устойчивое
управление морской экосистемой и природными ресурсами Белого моря —
WHITESEA» (2001-2002 гг.).
Основные результаты диссертации докладывались и были представлены на VII Молодежной научной конференции Института биологии КомиНЦ УрО РАН уЩ1 (Сыктывкар, 2000), на Международной конференции «Поморье в Баренц-регионе на рубеже веков: экология, экономика, культура» (Архангельск, 2000), на Международной конференции «Вековые изменения морских экосистем Арктики. Климат, морской перигляциал, биопродуктивность» (Мурманск, 2000), на Международной конференции «Экология северных территорий России. Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения» (Архангельск, 2002), на Международной конференции «Моделирование живых ресурсов Белого моря» (Хельсинки, 2002), в отчетах кафедры океанологии СПбГУ по проекту «Белое море», на семинарах лаборатории географии и гидрофизики ИВПС КарНЦ РАН.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, из них две статьи - в рецензируемых журналах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов, библиографии, включающей 224 наименование, из них 97
на иностранных языках и 2 приложений. Общий объем работы - 157 машинописных страниц.
Благодарности. Автор выражает искреннюю глубокую благодарность научному руководителю д.г.н. проф. В.Р. Фуксу за постановку задачи, всестороннюю помощь, ценные советы и рекомендации. За помощь в проведении исследований, обсуждении и анализе их результатов и ценные советы автор глубоко признателен научным консультантам д.г.н. проф. Н.Н. Филатову, к.т.н. А.Ю. Тержевику, а также сотрудникам лабораторий гидрофизики и географии Института водных проблем
Севера КарНЦ РАН: к.г.н. Д.М. Бояринову|, А.А. Колодочке, М.П. Петрову, к.г.н
Н.И. Пальшину, А.В. Митрохову, сотруднику лаборатории региональной океанологии Института географии СПбГУ к.г.н А.Н. Мичурину, д.ф.-м.н. К.А. Клеванному за ценные консультации по работе с моделирующей системой CARDINAL, чл.-корр. РАН Ю.С. Долотову, руководителю тем РФФИ, участие в которых позволило соискателю получить новые экспедиционные данные.
Гидродинамическое моделирование приливных явлений и переноса примеси в мелководных прибрежных районах морей и эстуариях
Прибрежные районы морей и устьевые области впадающих в них рек характеризуются мелководностью. Трансформация приливной волны на мелководье и перенос примеси в мелководных прибрежных районах морей, мелководных заливах и эстуариях представляют особый научный и практический интерес. Исследование приливов в таких районах осложняется значительно возрастающей ролью придонного трения, отражением приливной волны от берегов, трением о ледяной покров в зимний период, взаимодействием речного потока и морских вод (Боуден, 1988; Гидродинамика..., 1970; Дронкерс, 1967; Кутало, 1984; Лупачев, 1995; Мак-Доуэлл, О Коннор, 1983; Некрасов, 1975; Godin, Guttierrez, 1986; Marsden et. al., 1997; Prinsenberg, Ingram, 1991; Shirasawa, Ingram, 1991 и др.). Трение изменяет амплитуду прилива, фазовую скорость, вызывает деформацию приливной волны (Дебольский и др., 1984; Зырянов, Лейбо, 1985; Зырянов, Музылев, 1988; Лапина, 2000; Музылев и др., 1985; Пясковский, Сгибнева, 1984; Carbajal, Bachaus, 1998; Scott, 1994). В работах (Amin, Flather, 1996; Lee et. al., 2001) исследуется влияние донного трения на деформацию приливной волны, рассматриваются различные параметризации силы донного трения. Вопросы взаимодействия ветровых течений и приливных явлений на мелководье обсуждаются в работах (Davics et. al., 2001; Davies, Xing, 2001; DeCastro et. al., 2000; Jones, 2000).
При моделировании приливо-отливных течений применяются уравнения гидродинамики, упрощенные в зависимости от задачи и объекта исследования. Силы инерции, сила Кориолиса, сила трения и сила, вызванная градиентом давления, определяют динамику приливных явлений в мелководных прибрежных районах морей и эстуариях. В работах многих исследователей (Дебольский и др., 1984; Кучмент, 1980; LeBlond, 1978; Lee et. al., 2001) показано, что в уравнениях сохранения импульса баланс осуществляется между силой, обусловленной горизонтальным градиентом давления, и силой трения. Исключение составляют непродолжительные моменты смены направления приливного течения. Такой режим распространения приливной волны называют градиентно-вязким режимом (Зырянов, Лейбо, 1985; Лапина, 2001; Музылев и др., 1985).
На мелководье происходит выход нижнего пограничного слоя в приповерхностную область и смыкание его с верхним пограничным слоем. Турбулентное перемешивание охватывает всю толщу вод, а зона смыкания двух /ф пограничных слоев представляет собой фронтальную зону, отделяющую стратифицированные воды глубоководной части моря от однородных вод мелководья (Лапина, 2001). Такие фронтальные зоны обнаружены в окраинных морях Европы, Северной Америки, России, на шельфе Патагонии (юго-западная Атлантика) (Елисов, 1986, 1996; Glorioso, 2000; Griffiths, et. al., 1981; Holligan, 1981; Houghton, 2002; Maguer et. al., 2000; Pingree, Griffiths, 1978; Pingree, et. ah, 1983; Simpson, Hanter, 1974; Simpson, Hingree, 1977; Simpson, 1981). Основной особенностью динамики приливной волны на мелководье является существование некоторой» критической глубины, за которой волна описывается не гиперболическим, а параболическим уравнением. Происходит полная диссипация энергии падающей приливной волны, и отраженная волна отсутствует при глубинах, меньших критической (Лапина, 2001). В работах В.Н. Зырянова и А.Б. Лейбо (1985), В.Н. Зырянова и СВ. Музьілеваі(1988), СВ. Музылева с соавторами (1985) показано, что использование градиентно-вязкого режима для изучения распространения длинной гравитационной волны на мелководье возможно при условии, что глубина исследуемого водоема меньше некоторого критического значения. Авторы определяют значение этой критической-глубины в летний и зимний периоды от 10 до 20 м соответственно. В работах В.Н. Зырянова с соавторами (Зырянов, Решетков, 1998; Zyryanov, Reshetkov, 1999; Zyryanov, ,2003) в рамках градиентно-вязкой модели приливного течения при глубинах, не превышающих толщину слоя Стокса (Лайтхилл, 1981), характеризующего глубину, на которую диффундирует завихренность от свободной поверхности за время порядка периода волны, исследуется деформация приливной волны при выходе на мелководье: h hst=4AT, где А — коэффициент вертикального турбулентного обмена (кинематический), Т -период приливной волны. Авторы определяют значение этой глубины для полусуточного прилива от 10 до 25 м в зависимости от коэффициента турбулентного обмена. В области глубин, меньших критического значения, осуществляется градиентно-вязкий режим распространения длинной гравитационной волны. На глубинах значительно больших критического значения турбулентное трение практически не влияет на ф распространение приливной волны, а при меньших - становится доминирующим. Различные аспекты трансформации приливной волны в мелководных прибрежных районах и эстуариях обсуждаются в статьях (Pingree, Maddock, 1978; Warner et. al., 2003; Yong Ming Tang, Grimshaw, 2003).
Приливные волны при своем распространении в мелководных прибрежных районах возбуждают, наряду с колебательными движениями и остаточным переносом, определенный результирующий приток и отток вод. В работах Л.Э. Лапиной (1998, 2001), Ю.В. Лупачева (1986, 1989), В.Н. Зырянова (1995), В.Н. Зырянова и А.Б. Лейбо (1985), В.Н. Зырянова и СВ. Музылева (1988) показано, что трансформация приливной волны на мелководье может приводить к повышению уровня воды в направлении вершины залива. Это явление получило название приливной накачки уровня. Она приводит к генерации остаточных вдольбереговых перемещений водных масс и взвеси. В зимний период, когда воздействие ветра полностью отсутствует из-за наличия льда, эти остаточные течения являются единственными источниками перемещения взвеси и загрязнений. Постоянно действующие остаточные приливные течения, в отличие от ветровых, могут вносить больший вклад в систему крупномасштабных течений, определяя долговременный перенос вод и вещества в мелководной прибрежной зоне морей, мелководных заливах и эстуариях (Carbajal, Bachaus, 1998; Dvvorak, Gomez-Valdes, 2003; Jakobsen et. al., 2003; Marinone et. al., 1996; McLaughlin et. al., 2003; Tee, 1978; Williams et. al., 2000). В монографии Л.Э. Лапиной (2001) в рамках градиентно-вязкого режима течений изучается процесс распространения приливной волны, который приводит к повышению в направлении устья среднего (за период волны) уровня воды, что объясняет некоторые особенности распределения водных масс и консервативной примеси на устьевом взморье. Этот эффект рассматривается как для постоянной, так и переменной глубин, показано аналитическое решение для случая канала. На примере мелководной части Двинского залива Белого моря выполнен расчет приливной накачки уровня. Формирующийся остаточный перенос водных масс способствует частичному распространению речных вод влево от направления их впадения в залив. Показано, что возникающее нелинейное искажение приливной волны при ее выходе на мелководье порождает остаточный перенос масс и консервативной примеси вправо от направления подхода приливной волны к берегу с максимальными скоростями по морской границе зоны мелководья. Автор отмечает, что необходимым условием возникновения остаточного переноса является вращение Земли. В монографии представлена трехмерная градиентно-вязкая турбулентная модель, описывающая эволюцию приливной волны и вертикальную структуру течений как в случае подледного, так и открытого потока с учетом ветрового воздействия. Разработан численный алгоритм расчета динамики течений по этой модели. Также исследуется вертикальная структура турбулентного потока, предлагаются обобщение гипотезы Прандтля на трехмерный случай и методика численного расчета.
Физико-географические особенности Белого моря
Уникальность Белого моря, прежде всего, заключается в том, что оно является единственным внутренним морем нашей страны. Белое море расположено на севере европейской части России в субполярном климатическом поясе. Оно соединяется с Баренцевым морем и входит в бассейн Северного Ледовитого океана (рис. 2.1). Ї4 38 Hfc 40 f 2 Рис. 2.1. Районы Белого моря (1 -эстуарийр. Керетъ, бухта Никольская). Белое море простирается к югу и востоку от Кольского полуострова и представляет собой полузамкнутый водоем, имеющий на севере условную границу с Баренцевым морем по линии м. Святой Нос - м. Канин Нос. Площадь моря составляет около 90000 км2, включая острова - 90800 км2, максимальная глубина 343 м, средняя глубина 67 м, объем 6000 км3, длина береговой линии по материку 5093 км, наибольшая протяженность от м. Канин Нос до Кеми 600 км, а наибольшая ширина между Архангельском и Кандалакшой 450 км (Гидрометеорология..., 1991). В структурно-геоморфологическом отношении Белое море является окраинным шельфовым морем. По сложности конфигурации береговой линии Белое море не имеет аналогов в мире. Белое море принято условно делить на три части: северную, среднюю и южную. Северная часть моря по форме очень похожа на воронку, раструбом обращенную к Баренцеву морю, вершиной - к устью р. Мезень. Внешняя зона, собственно раструб, носит название Воронки, а внутренняя - образует Мезенский залив (рис. 2.1). Южная часть моря, называемая Бассейном, является наиболее обширной и глубоководной частью. В состав Бассейна входят три залива: Двинский, Онежский и Кандалакшский. Бассейн и Воронка моря соединяются сравнительно узким проливом, называемым Горлом - это средняя часть Белого моря. Длина этого пролива 170 км, ширина 45-55 км.
Кандалакшский залив Белого моря относительно невелик. Площадь его равна 650 км2, длина - 170 км, средняя ширина - 35 км. Рельеф дна залива достаточно сложен. В пределах залива находится глубоководная впадина с глубинами более 300 м. Средняя глубина залива - 109 м, наибольшая - 343 м. Объем водных масс залива 710 км3 (Бабков, 1998). Берега залива изрезаны многочисленными губами, на его акватории имеется множество островов.
Онежский залив является одним из наиболее крупных и вместе с тем самым мелководным заливом Белого моря, ориентированным с северо-запада на юго-восток. Площадь его равна 10 тыс. км2, длина - 185 км, ширина - от 50 до 100 км, средняя глубина - 17 м, наибольшая - 80 м. Объем водных масс залива 160 км3. Рельеф, дна залива достаточно сложен, особенно вдоль западных его берегов, где находится множество островов. Онежский залив соединяется с центральной частью моря двумя проливами - Западной и Восточной Соловецкими Салмами. Относительно глубоководные Соловецкие Салмы обеспечивают поступление в залив больших объемов вод из Бассейна. В результате мелководности всего залива возникают сильные приливо-отливные течения. Большое влияние на динамику вод в заливе оказывает речной сток, средний годовой объем которого равен 45 км3, что составляет около 20% всего объема пресного стока в Белое море. Наиболее крупными притоками являются реки Онега, Кемь, Выг (Современное ..., 1977).
Белое море является одним из уникальнейших водоемов в мире. По запасам потенциальной энергии оно на два порядка превышает запасы потенциальной энергии открытого океана. В Белом море присутствуют практически все физические явления, существующие в Мировом океане: экстремальной величины приливы, сулои, боры, что делает его уникальным полигоном для экспедиционных и модельных исследований. Белое море - одно из самых малых морей в мире. По площади и объему ему уступает только Азовское море, а по объему лишь Мраморное (Бабков, 1998). Вместе с тем следует отметить, что поскольку протяженность этого сравнительно небольшого моря с севера на юг составляет почти 600 км, то одна только разница широтного положения может быть причиной различия климатических условий между крайними точками моря. Кроме того, расчлененность моря и специфика морфометрии его частей, неравномерность пространственного распределения речного стока, циклонические и антшшклонические круговороты, местные особенности ветров и ветрового волнения, а также некоторые другие факторы» являются причиной существенных различий гидрологического режима между его отдельными акваториями.
Рельеф дна Белою моря сильно меняется от района к району (рис. 2.2). В Воронке глубины досі ш аюг 60-70 м. К югу глубины постепенно уменьшаются и составляют 30-40 м. Характерной чертой этого района является наличие многочисленных подводных гряд, имеющих относительную высоту от 8-12 м до 35-45 м. Воронку с глубинной частью Горла связывает довольно глубокий желоб. Вдоль восточного берега Воронки находится полоса мелководья. Глубины Мезенского залива невелики и редко превышают 20 м. Рельеф дна Горла значительно изрезан, глубины в нем колеблются от 30 до 50 м, хотя в отдельных котловинах достигают 100 м. Рельеф дна Двинского залива спокойный. Максимальные глубины этого залива (более 100 м) наблюдаются в северной части. В южной и юго-восточной частях залива находится ряд банок. Наиболее глубоководной частью Белого моря является Бассейн, где глубины достигают 300 и более метров. Кандалакшский залив по характеру рельефа дна связан с Бассейном. В нем на юго-востоке расположена впадина с глубинами до 300 м, к северу происходит поднятие дна до 50-100 м. В Кандалакшском заливе и районе полуострова Турий находится впадина с наибольшей для Белого моря глубиной - 343 м. Онежский залив наряду с Мезенским является самым мелководным. На большей его части глубины не превышают 25-35 м, за исключением небольшою участка на северо-востоке, где глубины достигают 80-100 м. Глубины в вершине Онежского залива составляют 10-20 м. В Кандалакшском, Онежском и вершине Двинского заливов расположено большое количество различных по размеру островов
Описание моделирующей системы CARDINAL
Для моделирования процессов переноса примеси в мелководных прибрежных акваториях Белого моря была использована гидродинамическая моделирующая система CARDINAL (Волышнгер и др., 1989; Клеванный, 1999; Klevanny et. al., 1992; Klevanny, Matveyev, 1993), реализующая систему уравнений мелкой воды, уравнение горизонтального переноса и турбулентной диффузии в криволинейных координатах и предназначенная для исследования динамики прибрежных вод. Название CARDINAL образовано от первых букв слов {C}oastal {Ar}ea {DJynamics {Investigation {Algorithm (программа для исследования динамики прибрежных вод). Программа использует криволинейную систему координат, что особенно удобно при аппроксимации расчетной области в прибрежной зоне, изобилующей заливами, островами и полуостровами. Динамические уравнения решаются полунеявным конечно-разностным методом, позволяющим задавать сравнительно большой шаг по времени.
По классификации профессора М. Эбботта (Abbott, 1993) программную систему CARDINAL можно отнести к моделям четвертого поколения. Первое поколение гидродинамических моделей появилось в середине XX столетия с появлением компьютеров и развитием вычислительной гидравлики. Они практически полностью заменили ручной счет по громоздким формулам. Шестидесятые годы характеризуются появлением второго поколения моделей. Для расчета каждого проекта требовалось менять код программы. На смену им пришли модели третьего поколения, способные выполнять различные проекты без изменения кода программы. Но пользоваться ими могли только разработчики. Со второй половины восьмидесятых годов XX века разрабатываются моделирующие системы, оснащенные пользовательским интерфейсом и предназначенные для использования не только специалистами (четвертое поколение моделей).
Модель CARDINAL позволяет выполнять расчеты течений, уровней и концентраций примеси в любом водном объекте: реке, море, озере, водохранилище или их отдельных частях. CARDINAL является простым и удобным инструментом для работы пользователей различных специальностей - научных сотрудников, инженеров-гидротехников, экологов, работников природоохранных органов. Моделирующая система CARDINAL позволяет решать довольно широкий круг гидродинамических и экологических задач: определить воздействие проектируемых гидротехнических сооружений, таких как дамбы, очистные сооружения, волноломы, карьеры в реках, запруды на гидродинамический режим акваторий, оценить загрязнение акваторий и предложить их оптимальное размещение; выработать рекомендации по улучшению экологической обстановки в водном бассейне; отработать заранее меры по ликвидации последствий аварийных сбросов в водоем; создавать системы интегрального управления водными ресурсами региона, которые, в частности, дадут возможность разрабатывать оптимальные планы развития инфраструктуры объектов так или иначе связанных с водной средой; выполнять расчеты и прогнозы уровней воды во время морских наводнений в оперативном режиме или для районирования побережья по степени опасности от штормовых нагонов, цунами; сделать нагляднее и содержательнее лекционный и практический курсы по гидрологии, океанологии, охране окружающей среды, геофизической гидродинамике. Гидродинамическая моделирующая система CARDINAL позволяет решать задачи в трехмерной постановке, однако при решении многих практических задач вертикальное распределение скорости не требуется, или вертикальная изменчивости скорости пренебрежимо мала. Поэтому осредненные по глубине уравнения мелкой воды и уравнение распространения примеси (двумерная постановка) в данной модели приняты в виде (Клеванный, 1999): где Un V- полные потоки, Н- полная глубина потока, g - ускорение силы тяжести, д - уровень свободной поверхности, / - параметр Кориолиса, К - коэффициент горизонтального турбулентного обмена, fb - коэффициент придонного трения, с -осредненная по глубине концентрация, А - коэффициент горизонтальной турбулентной диффузии примеси, Л - коэффициент неконсервативности примеси. Под примесью в модели понимается некая субстанция, консервативная или неконсервативная, с размерностью «условная единица на единицу объема». Коэффициенты, входящие в систему уравнений (1), в CARDINAL заданы следующим образом. Для определения параметра Кориолиса / пользователю достаточно задать среднюю широту расчетного объекта в градусах, с помощью которой параметр Кориолиса рассчитывается по формуле: f=2a s m p, (2) где со- угловая скорость вращения Земли, ср - широта места. Значение коэффициента горизонтального турбулентного обмена К зависит от шагов сетки и по \ молчанию в CARDINAL определяется выражением, которое записывается в виде: A =0.15L2GradV, (3) где L - шаг сетки, С tad V - сумма градиентов составляющих скорости. Этот эмпирический коэффициент с размерностью м -с" применяется для параметризации диссипации энергии в вихрях, меньших масштаба сетки. Использование выражения (3) для задания коэффициента горизонтального турбулентного обмена вполне достаточно для подаї- гнощего большинства практических задач. Этот коэффициент необходим в испо.п.зуечой недиссипативной схеме счета, а также для предотвращения вычислительных осцилляции. Для коэффициента придонного трения /ь по умолчанию установлена безразмерная величина 0.014. Его величина считается постоянной по всей расчетной области. Для определения коэффициента горизонтальной турбулентной диффузии примеси А в CARDINAL используется эмпирическая формула, связывающая этот коэффициент с масштабом процесса L (Okubo, 1962):
Экологическое состояние Белого моря
Белое море, вследствие своего географического местоположения, наличия на его побережье различных промышленных центров, является в настоящее время объектом повышенного практического интереса. Навигация и прибрежное рыболовство, строительство новых портов и размещение в непосредственной близости от них промышленных предприятий, добыча полезных ископаемых, искусственное разведение морских организмов (товарное выращивание беспозвоночных, водорослей, рыб), развитие рекреационных зон ведет к повышению антропогенной нагрузки на море.
Основными источниками антропогенного загрязнения Белого моря являются лесоперерабатывающая, горнодобывающая и нефтяная промышленность, причем значительная часть загрязняющих веществ поступает с речным стоком. Сточные воды предприятий лесной и целлюлозно-бумажной промышленности вносят в море лингосульфаты, фенолы, метиловый спирт. Предприятия горнодобывающей промышленности являются источником поступления в море тяжелых металлов, таких как никель, хром, медь, цинк, свинец, ртуть и других. Нефтяная промышленность является источником поступления в море непредельных углеводородов, нафтеновых кислот, полихлорбифенилов, серы, свинца и других загрязнителей (Наумов, Федяков, 1993). Негативное влияние на экосистемы прибрежных акваторий Белого моря оказывают гидростроительство, сброс неочищенных сточных вод, водный транспорт (загрязнение нефтепродуктами), мелиорация (ухудшение качества воды и состояния нерестово-выростных угодий различных видов рыб), сельское хозяйство (смыв удобрений и ядохимикатов в водоемы), лесосплав (препятствие проходу рыб к местам нереста, нарушение гидрологического режима нерестилищ, сокращение их площадей, загрязнение топляком, корой, щепой). За год с речным стоком в Белое море выносится около 2900 т нефтепродуктов, 754 т детергентов, 10 т фенолов, 0.137 т хлороріанических пестицидов (Белое ..., 1995). По данным В.В. Сапожникова и С.А. Соколовой (1994) наиболее загрязненными заливами моря являются Двинский, Кандалакшский и Онежский. Содержание нефтеуглеводородов (НУ) в водах кутовой части Двинского залива, вдоль Летнего и Зимнего берегов и в районе Кандалакшского порта оценивается в 0.3 мгл"1, то есть в шесть раз превышает предельно допустимые концентрации (ПДК). В районе устья р. Онеги ПДК превышены в два раза (содержание НУ составляет 0.1 мг-л 1) Однако, в среднем по заливам, уровень содержания НУ составляет 0.04 мг-л"1, что не превышает ПДК. Максимшіьное загрязнение фенолом и детергентами наблюдается в тех же районах, которые загрязнены НУ. В среднем по Белому морю загрязненность воды фенолами равна одной ПДК, средний уровень содержания детергентов 0.04 мг-л"1, то есть не превышает ПДК. Максимальный уровень загрязнения ртутью (до 0.2 мкг-кг"1 сухого веса донных осадков) наблюдается в куту Кандалакшского и Двинского заливов, вдоль Летнего и Зимнего берегов, в кугу Онежского залива (до 0.04 мкг-кг"1).
Одной из наиболее важных проблем является перенос и диффузия загрязнений, поступающих в море с речным стоком. Эта проблема связана со случайными или организованными сбросами загрязнителей, канализационных и использованных промышленных вод. По характеру действия источника и масштабам распространения загрязнений выделяют два типа процессов: 1) локальный процесс - при источнике небольшого размера, с небольшим временем действия и небольшим расходом (мгновенный точечный источник); например, поступление аварийных выбросов с промышленных предприятий со стоком рек, с судов, от водосбросов и пр. 2) мезомасштабные и макромасштабные процессы - при постоянно действующем мощном источнике загрязняющих веществ; например, сброс сточных вод промышленных предприятий непосредственно в акваторию моря или в реки, впадающие в него. Стойкие растворимые загрязнения называются консервативными, потому что их концентрации во времени можно считать постоянными и распространяются они под воздействием тех же самых физических процессов, которые контролируют циркуляцию вод. Неконсервативными являются вещества, разлагающиеся и изменяющиеся со временем в результате биологических, химических или геологических процессов. В табл. 4.1 перечислены различные категории загрязнений с указанием временных и пространственных масштабов их действия. Таблица 4.1 Характеристика некоторых видов загрязнения моря (О Кейн, 1978) Категория загрязнения Временной масштаб (с) Пространственный масштаб Биологически разлагаемые отбросы, кишечные бактерии Дни-недели (105) Локальный Хлорированные углеводороды оДесятилетие (10 ) Мезомасштабный и макромасштабный Тяжелые металлы Тысячелетие (1010) От локального до мезомасштабного и макромасштабного Нефтяные углеводороды Часы-годы (103-107) От локального до мезомасштабного и макромасштабного Вирусы Секунды-часы (10-103) Локальный Радиоактивные вещества Секунды-столетие (10-109) От локального до мезомасштабного и макромасштабного Кандалакшский залив интересен для экологических исследований в связи с высокой биоиродуктивностью его прибрежных экосистем и поступлением большого количества промышленных отходов. Особый интерес представляют его мелкие заливы (губы), в которых в силу специфической гидродинамики происходит интенсивное накопление различных органических остатков и их захоронение в донных отложениях. Плохо промываемые губы залива являются как бы отстойниками антропогенных загрязняющих веществ. В бухте Никольской и в устье р. Кереть располагаются мидиевые плантации, которые можно рассматривать как дополнительный антропогенный фактор, довольно сильно влияющий на экологическую обстановку в этих акваториях. Создание промышленной марикультуры двустворчатого моллюска - мидии {Mutiliis edulis) было начато на Белом море в 1983 г. (Океанографические..., 1991). По биотехнологии, разработанной ЗИНом, в настоящее время под мидиевые хозяйства уже освоено около 50 га водной поверхности. Суть промышленной марикультуры мидий на Белом море заключается в следующем. На определенных участках прибрежной части моря, характеризующихся акваториями, защищенными от сильного ветрового (волнового) воздействия, средними глубинами не менее 10 м (на отливе) и хорошим водообменом, на поверхности воды устанавливаются различные плавающие конструкции. К этим носителям крепятся искусственные субстраты, предназначенные для сбора на них личинок мидий. Эти субстраты представляют собой отрезки каната длиной в среднем три м. Субстраты выставляются тогда, когда в планктоне акватории имеется достаточное количество личинок мидии. Личинки оседают на субстраты и, находясь в поверхностном, наиболее прогретом и богатом пищей (фитопланктон, детрит) слое воды, начинают быстро расти. Личинки мидий появляются в планктоне в июле, когда температура поверхностного слоя воды составляет 12-15С. Начало оседания личинок мидий приходится на вторую половину июля. Мидии в условиях марикультуры в 1.5 раза превышают по размерам и в 3.5 раза по общей массе одновозрастных мидий из естественных (донных) местообитаний. Одна из основных проблем марикультуры мидии - ее экологическая безопасность для окружающей среды. Мидиевые хозяйства оказывают существенное влияние на экосистему акватории. Под мидиевыми плантациями происходят изменения донного сообщества, а при определенных неблагоприятных гидрологических условиях могут появляться заморные зоны. Отрицательное воздействие марикультуры мидий на экосистему акватории значительно уменьшается в условиях интенсивного водообмена.
Похожие диссертации на Приливный перенос примеси в прибрежных районах Белого моря
