Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. История и современное состояние исследований динамики потока в многорукавных приливных устьях крупных рек 12
1.1. Становление устьевой гидрологии в России 12
1.2. Численное моделирование динамики потока в устьях рек 15
1.3. Современное состояние исследований устьев рек в России 17
1.4. Особенности многорукавных приливных устьевых областей 22
1.5. Исследования приливных устьев рек зарубежными учеными 28
ГЛАВА 2. Изученность гидрологического режима устьевой области северной двины 36
2.1. История исследований 36
2.2. Гидрография и морфология 41
2.3. Сток воды и его распределение по рукавам 45
2.4. Уровенный режим 50
2.5. Ледовый режим 56
2.6. Проникновение соленых морских вод в дельту 58
2.7. Наводнения 59
ГЛАВА 3. Комплексная методика исследования динамики потока в многорукавном приливном устье крупной реки 63
3.1. Концепция методики 63
3.2. Компьютерное гидродинамическое моделирование 65
3.2.1. Математическая основа 65
3.4.2. Обзор гидродинамических моделей 70
3.4.3. Адаптация модели для приливного устья реки
3.2. Полевые наблюдения 80
3.3. Данные дистанционного зондирования Земли 94
ГЛАВА 4. Гидродинамическая модель устьевого участка северной двины 97
4.1. Выбор гидродинамической модели и границ расчетной области 97
4.2. Рельеф и расчетная сетка 102
4.3. Граничные условия и фактические данные для калибровки и верификации модели 104
4.4. Калибровка и верификация модели 106
4.5. Анализ чувствительности модели к входным данным, параметрам и граничным условиям. 123
ГЛАВА 5. Динамика потока на устьевом участке реки северной двины по результатам моделирования 130
5.1. Летняя межень (приливный период в отсутствии ледостава) 130
5.2. Ветровой нагон (на примере нагона 1516 ноября 2011 г.) 136
5.3. Половодье в отсутствии ледовых явлений (бесприливный период) 144
5.4. Взаимосвязь динамических характеристик потока 147
5.5. Районирование устьевого участка по величине прилива 157
5.6. Рекомендации по совершенствованию системы мониторинга 158
Заключение 163
Литература 168
- Современное состояние исследований устьев рек в России
- Сток воды и его распределение по рукавам
- Адаптация модели для приливного устья реки
- Калибровка и верификация модели
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Многорукавные приливные устья наиболее сложные гидрологические объекты с точки зрения динамики потока. Их исследования всегда были сопряжены со значительными трудозатратами, особенно с учетом того, что большая часть приливных устьев в России – это устья рек, впадающих в Северный Ледовитый океан, и рек Дальнего Востока, труднодоступные для экспедиционных исследований. Многие устья крупных рек до сих пор остаются малоизученными, несмотря на то, что в них расположены важные морские и речные порты, а методики гидрологических исследований в устьевых областях разрабатываются с первой половины ХХ века.
В последние годы значительно возрос интерес к изучению Арктики в связи с тенденциями освоения ресурсов арктического шельфа и транспортными проблемами России. Решение связанных с этим задач требует подробного изучения побережья, в том числе северных устьев крупных рек.
Динамика потока – одна из основ всего комплекса устьевых процессов. Выявление режимов уровней воды, скоростей течения и расходов воды первостепенно при организации полевых наблюдений в устьевой области.
Сокращение наблюдательной сети устьевых станций за последние 30 лет в условиях увеличения антропогенной нагрузки и изменений климата обуславливает необходимость оптимизации и модернизации методов наблюдений и исследований.
Численное гидродинамическое моделирование представляется
эффективным способом восполнить недостаток натурных данных. Оно позволяет перейти от рассмотрения гидрологической ситуации в дискретные временные срезы к ее континуальному пространственно-временному.
В октябре 2011 г. в Государственном океанографическом институте им. П.П.Зубова (ГОИН) прошло пятое Совещание-семинар по проблемам состояния наблюдений и исследований морских устьев рек. По инициативе Арктического и Антарктического научно-исследовательского института
(ААНИИ) одним из основных был рассмотрен вопрос о внедрении технологии оперативного мониторинга устьевых процессов на базе комплекса натурных наблюдений и математического моделирования.
При построении модели течений каждый объект требует специфического подхода. К главным особенностям приливных устьевых областей относится наличие дельты, воздействие приливов на уровни воды, пульсации и смена направления и скоростей течения на устьевом участке реки.
Выбор устья Северной Двины в качестве объекта исследования и
демонстрации возможностей представляемой методики определен тем, что оно,
с одной стороны, обладает сложной гидрографический сетью и
многофакторным режимом динамики потоков, а с другой стороны, наиболее доступно для полевых исследований и относительно хорошо изучено [Гидрология устьевой области … , 1965; Шевченко, 2013] по сравнению с другими многорукавными приливными устьями рек России.
История и степень разработанности темы исследования подробно изложены в главе 1 диссертационной работы.
Цель работы разработать методику комплексного анализа динамики потока в многорукавном приливном устье крупной реки, основанную на сочетании современных методов гидрологических исследований (полевые работы, моделирование, ГИС, анализ ДЗЗ) и продемонстрировать ее возможности на примере устьевой области Северной Двины.
Для достижения цели работы были поставлены и решены следующие задачи:
- сбор и обобщение данных о методах и результатах предшествующих
исследований динамики потоков в приливных многорукавных устьях крупных
рек;
- исследование особенностей гидрологического режима устьевой области
Северной Двины и выбор математической модели, подходящей для изучения
движения водного потока в ее пределах;
- разработка компьютерной гидродинамической модели устья Северной
Двины, ее калибровка и верификация на основе натурных данных, определение
границ применимости модели и спектра воспроизводимых гидрологических
явлений;
сценарное моделирование типичных и опасных гидрологических ситуаций, таких как половодье, межень, нагон;
анализ изменения гидродинамических характеристик в пределах устьевой области в приливном и синоптическом масштабе времени.
Предмет исследования - динамика потока в многорукавном приливном устье крупной реки в разных гидрологических условиях: приливных, бесприливных, нагонных; пространственно-временная изменчивость гидродинамических характеристик (уровень воды, уклон водной поверхности, скорости течения, распределение расходов воды по рукавам).
Объект исследования - устьевая область Северной Двины.
Методы исследования. В работе используется сочетание методов экспедиционных исследований и математического моделирования. За последние десятилетия появился целый ряд новых полевых методов и приборов, позволяющих получать большие объемы фактических данных принципиально нового качества: дифференциальные системы спутникового позиционирования (DGPS), автоматические цифровые регистраторы уровня воды (логгеры) и акустик-доплеровские измерители течений (ADCP). Полученные с помощью этих инструментов массивы данных используются для калибровки и верификации двумерной нестационарной гидродинамической модели STREAM2D [Беликов, Кочетков, 2014] при динамичных граничных условиях. Использование модели позволяет выполнить пространственно-временной анализ изменений гидрологических характеристик в пределах устьевой области.
Источники информации:
- научная и справочная литература, Интернет;
гидрологические и морские ежегодники;
топографические и навигационные карты, космические снимки устьевой области Северной Двины;
результаты полевых работ экспедиции ГОИНа и Северодвинской устьевой станции (СДУС) 2013 г. (с участием автора);
фондовые материалы Лаборатории эрозии почв и русловых процессов географического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова, Архангельского филиала ФГУП «Росморпорт», Архангельского филиала ФБУ «Администрация «Севводпуть», Северного УГМС.
Научная новизна. Работа является качественно новой в условиях современного развития вычислительной техники и гидрологических измерительных приборов.
С использованием откалиброванной и верифицированной модели по эпизодическим гидрологическим измерениям воспроизведена континуальная картина динамического взаимодействия речных и морских водных потоков в устье Северной Двины в нагонных, приливных и бесприливных условиях. Продемонстрирована эффективность использования полученной модели для проведения анализа динамики потока и развития опасных гидрологических явлений в приливном устье. По результатам моделирования для различных фаз водного режима выявлена взаимосвязь распределения стока по рукавам дельты Северной Двины от среднего уровня моря и от параметров приливных колебаний уровня воды на морском крае дельты.
Основные защищаемые положения:
-
методика исследования динамики потоков в многорукавном приливном устье крупной реки, основанная на сочетании компьютерного моделирования и современных методов полевых гидрологических исследований;
-
двумерная плановая модель течений на устьевом участке Северной Двины (от Усть-Пинеги до морского края дельты), адекватно отражающая ход
уровней воды и пространственную картину течений в синоптическом и приливном масштабе времени;
-
результаты расчетов экстремального половодья (с максимальным расходом 1% обеспеченности) и катастрофического нагона (на примере 1516 ноября 2011 г.);
-
зависимости распределения стока воды по рукавам дельты и дальности распространения приливных колебаний уровня от расхода воды Северной Двины и уровня моря.
Достоверность результатов исследования обусловлена тем, что работа
выполнена на основе обработки надежного массива данных наблюдений за
гидрологическим режимом устьевой области Северной Двины. Достоверность
результатов моделирования подтверждается высокой сходимостью
рассчитанных величин с результатами полевых наблюдений, которая подтверждается статистическими критериями.
Практическая значимость работы. В устье Северной Двины расположен крупный воднотранспортный узел Европейского севера России – город Архангельск, а также центр судостроения и судоремонта Северодвинск. Берега дельтовых рукавов и проток в значительной степени освоены, на них располагаются лесозаготовительные и лесоперерабатывающие предприятия.
Разработанная модель устья Северной Двины может использоваться для определения дальности проникновения приливных колебаний уровня воды и обратных течений вверх по руслу реки, распределения расходов воды по рукавам дельты при различных сочетаниях морского и речного факторов (расхода воды в Усть-Пинеге и уровней воды на морском крае дельты) как в естественных условиях, так и при проведении гидротехнических мероприятий (дноуглубление, перекрытие отдельных проток и т.п.).
Модель может быть использована для ретроспективного, сценарного и упреждающего моделирования развития опасных гидрологических процессов. В сочетании с океанологическими и метеорологическими моделями, а также моделью формирования стока с водосбора Северной Двины, она может стать
частью системы оперативного прогнозирования наводнений, воспроизводя картину распределения гидродинамических параметров потока в пределах устьевой области.
Представленная методика может быть основой для оптимизации гидрологических наблюдений и исследований на малоизученных устьевых областях со сложным гидродинамическим режимом. По результатам ее реализации для устьевой области Северной Двины в работе представлены рекомендации по оптимизации наблюдений за динамикой потока в этом устье.
Результаты работы используются при выполнении проекта РФФИ «Исследование динамики приливных волн и сгонно-нагонных явлений в устьях рек бассейна Белого моря» (№16-05-01018 А), а также проектов РНФ «Изменения окружающей среды в Арктике и их влияние на население и хозяйство» (№14-37-00038) и «Параметризация характеристик речного стока для диагностики возникновения опасных гидрологических явлений и их экологических последствий» (№14-17-00155).
Апробация результатов работы. Результаты диссертационного
исследования докладывались на следующих конференциях:
Международная научная конференция молодых ученых и талантливых
студентов «Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность»
(Москва, 2012), VIII общероссийская конференция изыскательских организаций
«Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской
Федерации» (Москва, 2012), Всероссийская научная конференция «Водная
стихия: опасности, возможности прогнозирования, управления и
предотвращения угроз» (Краснодар, 2013), X юбилейная всероссийская
конференция с международным участием «Перспективы развития инженерных
изысканий в строительстве в Российской Федерации» (Москва, 2014),
IV международная научно-практическая конференция «Морские исследования и образование (MARESEDU)» (Москва, 2015), Международная научно-практическая конференция «Вторые Виноградовские чтения. Искусство гидрологии» (Санкт-Петербург, 2015).
Кроме того, работа была представлена на оперативно-производственном собрании Гидрометцентра Северного УГМС (Архангельск, 2015) и на научном семинаре в ГОИНе (Москва, 2015).
По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых научных журналах.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Общий объем диссертации 211 страниц, основной текст изложен на 163 страницах и содержит 26 таблиц и 56 рисунков. Список литературы включает 170 наименований, в том числе 36 на иностранном языке.
Современное состояние исследований устьев рек в России
Устье реки – уникальный географический объект по своему экологическому значению, уязвимости природных систем и потенциалу хозяйственного освоения.
В устьях большинства крупных рек в нашей стране и во всем мире расположены крупные портовые города (Санкт-Петербург, Роттердам, Антверпен, Гавр, Нью-Йорк, Гамбург и др.) Старейший в России морской порт Архангельск возник в XVI в. в устье Северной Двины. Тогда же в Россию потянулись первые европейские суда и стали появляться первые письменные и картографические описания берегов и глубин на судоходных путях в порт.
До середины ХХ в. изучение динамики потока в устьях рек (глубины, скорости течения, уровни воды, расходы воды) выполнялось различными проектными организациями, что чаще всего было вызвано необходимостью решения конкретных практических задач (организацией работы портов, строительством пристаней, обеспечением судоходных условий и т. д.). Наиболее значительные работы такого рода связаны с именами Ю.М. Шокальского, Б.А. Аполлова , В.Е. Ляхницкого [1918], Т.П.Марютина [1934].
По мере нарастания интенсивности и расширения спектра отраслей хозяйственного освоения устьев крупных рек росло понимание необходимости комплексных исследований с обширными натурными наблюдениями по единым комплексным программам, включающим изучение режима как уровней воды, скоростей течения, расходов в рукавах, ледовых явлений, так и солености, мутности, гидробиологических показателей и т. д.
В 1948 г. в Государственном океанографическом институте (ГОИН) состоялось совещание «по вопросам организации исследования устьев рек СССР» [Залогин, Родионов, 1969], по результатам которого были приняты меры по развёртыванию всестороннего изучения крупнейших устьев страны по единой программе. В ГОИНе была создана лаборатория морских устьев рек. Перед лабораторией была поставлена задача координация и направление работы устьевых станций, которые вскоре были основаны в целом ряде крупных устьев рек Советского Союза (Волги, Терека и Сулака, Куры, Дуная, Днепра и Южного Буга, Дона, Кубани, Даугавы, Невы, Северной Двины, Печоры, Амура, Амударьи). Методической основой работы этих станций стало выпущенное в 1951 г. руководство [Руководство устьевым станциям, 1951]. Обновленные и дополненные указания по исследованию устьев издавались также в 1965, 1972, 1993 гг. [Руководство по гидрологическому исследованию..., 1965; Руководство по гидрологическим исследованиям..., 1972; Гидрологические наблюдения и работы ... , 1993]. Научной основой устьевых исследований послужила монография И.В. Самойлова «Устья рек» [1952], в которой были подведены итоги исследований устьев рек в первой половине ХХ в. и представлен комплексный географический подход, ставший традиционным для российской школы изучения устьевых областей [Михайлов, 1997]. В развитие этого подхода внесли большой вклад сотрудники ГОИНа С.С. Байдин [1971], М.М. Рогов, В.Н. Михайлов [1971, 1986, 1997], Н.А. Скриптунов, В.Ф. Полонский, Ю.В. Лупачев [1991] и др.
Наблюдениями в устьях крупных сибирских рек руководил Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт (ААНИИ), в котором был создан для этого специальный отдел гидрологии устьев рек и водных ресурсов
Итогом интенсивной работы устьевых станций в 19501960-х гг. стало издание серии региональных монографий, посвященных устьевым областям крупных рек: Волги [Байдин, Линберг, Самойлов, 1956], Терека и Сулака [Байдин, Скриптунов, Шейман и др., 1971], Куры [Гидрология ... , 1971], Невы [Гидрология ... , 1965], Западной Двины [Рогов, Ромашин, Штейнбах, 1964], Амударьи [Рогов, Ходкин, Ревина, 1968], Дона [Родионов, 1958], Кубани, Днепра и Юж. Буга [Костяницын, 1964], Северной Двины [Гидрология..., 1965], Оби [Антонов, Маслова, 1965], Лены [Антонов, 1967], Дуная [Гидрология ... , 1963]. Эти монографии представляют собой и по сегодняшний день уникальные собрания данных гидрологических наблюдений в устьях рек и результатов их анализа.
Динамика водных потоков лежит в основе сложного взаимодействия и трансформации речной и морской водных масс в устьях рек. Характеристики, отражающие динамику потока - уклоны водной поверхности, скорости течений, распределение расходов воды по рукавам дельт измеряются с конца XIX - начала XX века. Первые попытки рассчитывать распределение расходов воды по рукавам методами гидравлики относится к 193050-м гг. [Войнович, 1932; Мордухай-Болтовский, 1952]. В 1960-е гг. с появлением ЭВМ гидравлический метод расчета распределения расходов воды по рукавам широко использовался и развивался в Ленинградском и Новосибирском институтах водного транспорта (ЛИВТ и НИИВТ) в работах, связанных с обеспечением судоходных условий в русловых разветвлениях [Гришанин, 1967; Чернышов, 1968; и др.] Гидравлический подход, применимый, главным образом, только для случаев установившегося и квазиустановившегося движения, был переложен и использовался при расчете стока в рукавах дельт Волги, Лены, Колымы на методической основе работ К.В. Гришанина [1967], В.В. Иванова [1968] и др. Различные модификации этого метода так же представлены в работах В.Н. Михайлова [Михайлов, Ган, Макарова, 1973] и В.Ф. Полонского [Полонский, 1991].
Для исследования особенностей трансформации прямых и обратных волн в нестационарных условиях в случае приливных и сгонно-нагонных колебаний уровня проводился анализ уравнения движения в одномерной схематизации [Михайлов, 1971; Михайлов, Полонский, 1990]. Таким образом, на основе данных измерений в течение приливного цикла была исследована последовательность наступления экстремумов параметров динамики потока во время смены течений в устье [Михайлов, Даценко, 1973], осуществлялись попытки анализа внутренней структуры потока в течение приливного цикла [Полонский, Горелиц, 1985, 1990] .
В связи с активным развитием устьевой гидрологии, в течение 196080-х годов были переведены на русский язык несколько монографий, обобщающих зарубежный опыт по исследованию динамики потока в устьях [Гидродинамика береговой зоны…, 1970; Дронкерс, 1967; Мак-Доуэлл, О Коннор, 1983]. Эти книги освещают направление, связанное с изучением динамики воды, наносов, загрязняющих веществ в приливных устьях в основном методами математического моделирования. В книге Д.М. Мак-Доуэлла и О Коннора также изложены результаты натурных измерений в устьевой области Ганга и Брахмапутры, представляющие безусловный интерес.
Сток воды и его распределение по рукавам
Существует два основных вида самописцев уровня воды – поплавковые и гидростатические. Поплавковые самописцы считаются наиболее точными, но требуют сложных конструкций для установки (будки, колодцы для поплавка). Самописцы СУМ «Валдай» проверены многолетним опытом применения. Для морских водомерных пунктов часто используют более неприхотливые в обслуживании гидростатические уровнемеры. Раньше это были приборы типа ГР-28, ГР-38 [Руководство по гидрологическому … , 1972] с лентой для записи данных внутри прибора, которую необходимо было менять с периодичностью от 1 суток до 1 недели, для чего извлекать прибор со дна, где он закреплялся на специальных тяжелых платформах, вдающихся в дно, с фиксированным неизменным уровнем.
В настоящее время производится большое разнообразие самописцев, основанных на двух этих принципах. Большинство из них позволяет записывать данные об уровне воды с большой дискретностью (1 минута и менее) на цифровой носитель, и многие их модификации могут передавать эти данные через радиомодем удаленно на базовый компьютер. На стационарных постах внутри устьевого участка реки Северной Двины установлены поплавковые цифровые самописцы уровня производства ГГИ. На морских водомерных пунктах, к которым часто относятся посты устьевого взморья, поставляются гидростатические приборы «Прилив-2Д». И те, и другие передают данные об уровнях воды в цифровом виде.
Для использования на временных экспедиционных постах существуют портативные датчики давления, предназначенные для измерения уровня воды – «логгеры». Логгер – автономное автоматическое устройство записи уровня, состоящие из датчика давления (и обычно температуры воды), батарей и модуля хранения данных. Корпус прибора делается из прочных, устойчивых к коррозии металлов, таким образом, прибор может длительное время (батареи обычно хватает на несколько лет) работать на значительной глубине (десятки и даже сотни метров). Логгер записывает и передает следующие данные – дата и время, давление, температура с дискретностью до 1 минуты.
В рамках экспедиционных измерений расходов воды в рукавах дельты Северной Двины в июле 2013 г. была проведена оценка точности измерений Логгера (производство фирмы Keller) в условиях приливных колебаний уровня воды по следующей методике. Логгером записывался непрерывный ход уровней воды, параллельно снимались отсчеты с рейки. Запись величины давления на датчики устройств (логгеров) осуществлялась каждые 2 минуты. Одновременно в работе находились два прибора. Один фиксировал давление в воде, другой – на воздухе (атмосферное давление). Разница отсчетов с двух приборов переведена из единиц давления в высоту водного столба (1 миллибар соответствует приблизительно 1 см), что дало возможность проследить изменение уровня воды по времени с дискретностью 2 минуты.
Снятие отсчета с рейки производилось каждые 15 минут, в некоторые периоды цикла – каждые 5 минут. Для сопоставления данных ряды уровней, полученные с логгера и рейки, были приведены к интервалу 5 минут (методом скользящего осреднения и линейной интерполяции соответственно) и единому нулю (рисунок 3.2). Величина среднего квадратического отклонения составила 1,2 см, т.е. оказалась сопоставимой с точностью визуального определения уровня по рейке. Рисунок 3.2 Наблюдения за уровнем по рейке и запись логгера в течение приливного цикла (июль 2013 г.)
Для пространственного анализа формы водной поверхности и определения ее уклонов важнейшую роль имеет привязка нулей постов к единой системе высотных отметок. Каждый гидрологический пост (для моря - водомерный пункт) по существующим правилам [Руководство по гидрологическому … , 1972] оборудуется не менее чем двумя реперами, привязанными нивелировкой к Государственной нивелирной сети (ГНС). При нивелировке постов, расположенных на удаленных друг от друга островах в дельте или на взморье, проложить нивелирный ход затруднительно, а зачастую просто технически невозможно. В этих случаях высотные отметки нулей постов морских водомерных пунктов предают от одного пункта к другому методом водного нивелирования [Руководство по гидрологическому … , 1972]. Однако, в устьевых областях, где имеются значительные уклоны и нестационарность потока, водное нивелирование может дать серьезную ошибку.
Повсеместное использование систем спутникового позиционирования GPS и ГЛОНАСC заметно ускорили работы по плановому позиционированию. Однако, высотная привязка гидрологических постов требует значительно большей точности, чем может дать использование GPS и ГЛОНАСC приемников. Необходимой точности высотной привязки (в пределах 1 см) можно добиться применением системы дифференциального спутникового позиционирования DGPS (Differential Global Positioning System).
Она представляет собой технологию глобального позиционирования повышенной точности, при которой работа выполняется двумя приемниками: помимо мобильного приемника (ровера) в работе участвует базовая станция, установленная над точкой с известными координатами.
Помимо высотной привязки нулей постов использование DGPS в комплексе с эхолотом, позволяет делать промеры русла в условиях быстро изменяющегося уровня водной поверхности (рисунок 3.3).
Адаптация модели для приливного устья реки
Наиболее густо заселенный и затапливаемый в нагоны остров – это остров Соломбальский между протоками Маймакса и Кузнечиха. Заметно затапливается часть острова Ягры, где расположен район города Северодвинск. Рассчитанная зона затопления для рассматриваемого нагона охватывает большую часть островных территорий между Никольским и Мурманским рукавами, где расположено много сельских поселений. Значительные территории подверглись наводнению на Соломбальском и Повракульском островах, где находятся жилые и промышленные районы Архангельска (рисунок 5.8).
Контуры расчетной зоны затопления формируются путем пересечения рассчитанной уровенной поверхности и цифровой модели рельефа. Принимая во внимание, что используемая ЦМР основана на данных топографической карты с сечением горизонталей 2,5 м, точность задания отметок земной поверхности (порядка 0,51,0 м) в значительной степени сказывается на получаемых площадях затопления в местах с плоским рельефом. Детализация рельефа территории и корректировка ЦМР по мере получения более точных сведений может привести к значительно более точному моделированию контуров зоны затопления территории без внесения значимых изменений в саму модель.
Космических снимков в видимом диапазоне спектра во время нагона, позволяющих уточнить картину затопления, получить практически невозможно, т.к. нагоны случаются в штормовую погоду обычно при сплошной облачности.
Однако в перспективе существует возможность привлечения радиолокационных спутниковых данных. Еще одна потенциальная возможность повышения точности результатов моделирования нагонов заключается в учете поля ветра. В настоящей версии модели дополнительное ветровое воздействие на водную поверхность в пределах устьевого участка реки в модели не учитывалось. Ранее выполненное моделирование распространения нагона внутри устьевых областей [Котрехов, Павлова, 1983, Пискун, 1987] не дали однозначных результатов в отношении необходимости учета влияния ветра.
Считается, что формирование волны нагона происходит за пределами устьевой области, внутри которой лишь идет ее трансформация в результате воздействия дна и берегов. Одномерная модель распространения нагона в устьевой области Северной Двины [Котрехов, Павлова, 1983] показала, что дополнительно заданное сопротивление за счет «ветрового трения» может улучшить результаты расчета уровней воды. В то же время, невозможность достоверной оценки правильности задания скоростей и направления ветра на обширной территории, а также отсутствие достаточных данных для калибровки и верификации коэффициентов ветрового трения, ставит под вопрос целесообразность учета ветра на данном этапе моделирования.
В половодье при расходах воды более 15000 м3/с на устьевом участке реки формируются бесприливные условия: скорости течения и расходы воды в рукавах дельты остаются однонаправленными (в сторону моря) в течение всего приливного цикла. Однако приливные колебания уровней воды при этом сохраняются (так что определение «бесприливный» здесь не является вполне строгим). При расходе воды в вершине устьевой области 23500 м3/с приливные колебания уровня распространяются до 31 км от морского края дельты (почти до Соломбалы) (рисунок 5.9).
Продольный профиль уровня воды по фарватеру на пике половодья (9 мая 2012 г., Q = 23500 м3/с) и в средних условиях межени по результатам моделирования Распределение расходов воды по рукавам в половодье почти не зависит от уровней воды на морском крае дельты и по результатам моделирования почти полностью соответствует данным, полученным ранее из анализа измеренных расходов (таблица 2.1, рисунок 2.6). Доли стока в главных рукавах дельты в диапазоне расходов от 17000 до 25000 м3/с распределяются следующим образом: Кузнечиха – 7 %, Маймакса – 13–15 %, Корабельный рукав – 20–24 %, Мурманский рукав – 17%, Никольский рукав – 34–35 %. При этом с увеличением общего расхода воды в Северной Двине в Маймаксе уменьшается доля стока на 2%, в Корабельном и Никольском рукавах увеличивается доля стока (на 4 % и на 1 % соответственно), в Мурманском рукаве и в Кузнечихе доли стока остаются неизменными.
Калибровка и верификация модели
Двумерная модель для всего устьевого участка Северной Двины впервые разрабатывается в рамках данной диссертации. Преимущества плановой двумерной модели перед одномерной состоят в возможности учета поперечных перекосов уровнной поверхности и перемещений водных масс, вариации гидравлического сопротивления в узлах разветвлений и расширениях русел, а также на обширных территориях приливной осушки, поверхности дельты и поймы. Значительная ширина русел рукавов дельты Северной Двины (1 км и более), наличие частных устьев (Пудожемское, Мурманское, Корабельное) у рукавов (шириной до 510 км) обусловливают необходимость учитывать неоднородность морфологии подстилающей поверхности и потока в плане. Кроме того, двумерная модель решает целый класс задач, связанных с пространственным распределением скоростей течения и заливанием дельты и поймы во время половодья и нагонов, которые не решаются с помощью одномерной модели. Из комплекса ведущих устьевых процессов [Михайлов, 1997а] разработанная двумерная модель позволяет учесть и воспроизвести: - динамическое взаимодействие вод реки и приемного водоема; - растекание вод по поверхности дельты (распределение стока воды по рукавам, заливание дельты речными и морскими водами). Выбранный временной масштаб моделирования позволяет не учитывать переформирования дна и не брать в расчет процессы переотложения речных и морских наносов. Было принято допущение, что за промежуток времени приливного и синоптического масштаба значительных переформирований дна в руслах не происходит.
На данном этапе исследований также не принимались во внимание динамические эффекты, связанные с различной плотностью морской и речной воды. Проникновение соленых вод внутрь устьевого участка реки Северной Двины происходит ежегодно на расстояние до 15 км по самой глубокой протоке Маймаксе. В слое воды от глубины 5 м до дна формируется клин соленых вод с величинами солености в среднем от 1 до 17%о. В экстремальных случаях дальность проникновения соленых вод достигает вершины дельты (до 45 км). Для упрощения задачи моделируемые водные потоки принимались однородными по плотности. Проблема проникновении соленых вод в устье Северной Двины представляет собой отдельную задачу, которая должна решаться на локальных участках с применением трехмерных [Третьяков, 2001] или двумерных профильных моделей [Иванов, Святский, 1987].
Трехмерные модели столь сложного объекта требуют слишком большого объема данных для задания граничных условий, калибровки и верификации результатов, значительных вычислительных мощнотей. Кроме того, большинство существующих трехмерных моделей имеют трудности при расчете областей с переменной границей затопления. В случае необходимости моделирования процесса интрузии соленых вод, предлагаемая двумерная плановая модель может обеспечить локальную трехмерную модель (или двуменую профильную) граничными словиями.
Выбор границ моделируемой области связан с двумя условиями. Во-первых, отсутствие связи между расходами воды на верхней границе участка и уровнями воды на нижней границе. Таким образом, нижнее (морское граничное условие) должно определяться только морскими факторами, а верхнее - только речным стоком. Во-вторых, выбранные границы должны быть обеспечены надежными данными об уровнях (нижняя) и расходах воды (верхняя).
Исходя из указанных условий, в качестве верхней (речной) границы был выбран створ у поста Усть-Пинега в вершине устьевой области, где регулярно измеряют расходы воды и куда не распространяется влияние приливов и нагонов в средних меженных условиях [Гидрология устьевой области … , 1965]. Нижняя граница проведена по линии вдоль морского края дельты на расстоянии 24 км от него. Линия нижней границы соединяет точки у морских водомерных пунктов Северодвинск и Мудьюг (рисунок 4.1). Внутри области моделирования находится весь устьевой участок реки Северной Двины и ближайшая к морскому краю дельты часть взморья шириной 24 км. Из-за близкого положения открытой границы модели результаты рачетов непосредственно на взморье нельзя считать репрезентативными, поэтому в качестве результатов моделирования будут приняты во внимание только уровни воды и скорости течения, полученные для устьевого участка реки.
В перспективе, для детального анализа течений и уровенного режима на взморье предлагаемая модель можт быть состыкована с «морской» моделью Белого моря, которая со своей стороны обеспечивала бы нижнее граничное условие для предлагаемой «речной» модели [Гидрометеорология и гидрохимия морей, 1991].