Введение к работе
. »
Актуальность темы исследования. Природный водоем представляет собой сложную экосистему , устойчивость и характер функционирования которой , во многом , определяется термическим режимом , формирующимся как в результате тепло - массообмена с атмосферой, так и в зависимости от процессов различной природы (теплофизической, гидродинамической, как показано в работе, микробиологической и, возможно, другой) протекающих внутри самой сопряженной системы вода - донные отложения. Последнее, главным образом, относится к мелководным водоемам. Надежный расчет термического, в том числе ледово - термического, режима водоема всегда являлся весьма актуальной задачей в проблеме сохранения и рационального использования водных ресурсов. Заметим, что детермшшровашшй расчет термики водоемов в общей постановке представляет собой трудную в математическом отношении задачу, осложненную слабой изучетшостыо определяющих ее (термику) процессов и неопределенностью многих характеристик теп- , ло - и массообмена в водной массе и донных отложешіях, когда рассматривается мелководный водоем.
В настоящее время для определения температуры воды по акватории мелководного водоема используют два подхода. Один из них, основанный на совместном численном решении системы дифференциальных уравнений гидродинамики и теплообмена, получил название " численного моделирования " водоемов и используется для решения одномерной, плановой (двумерной) и, реже, трехмерной задач гидротермики. Такой подход интенсивно разрабатывался во Всероссийском НИИ гидротехники им. Веденеева (ВНИИГ) и Институте гидро-дагамики" СО РАН.
При безусловной перспективности такого подхода практическое его применение в настоящее время встречает ряд трудностей принципиального и технического характера. Так, например, для применения трехмерной нестационарной гидротермической модели, разработанной в Институте гидродинамики СО РАН, необходимо знать целый ряд характеристик турбулентного температурно-стратифицированного потока, в том числе энергию турбулентности и скорость ее диссипации, коэффициент турбулентной вязкости, шероховатости водной поверхности и дна водоема, а также большой набор постоянных, определяемых эмпирически. Все это в значительной мере снижает надежность и практическую ценность, получаемых при расчете таких моделей данных. В связи с этим широкое применение в практических расчетах получил вариант тешгобалансовой методики расчета теплового и ледового режимов водоемов, предложенный А.П. Браславским и М.Н. Кумариной, в основу которого положено уравнение теплового баланса водной массы водоема. При этом большинство слагаемых этого уравнения вычисляются по эмпирическим формулам. Несомненным достоинством теплобалаисового метода расчета термическогоре-жима является простота практического применения этого метода. Однако такой подход имеет и существенные недостатки принципиального характера. Например, уравнение теплового баланса содержит лишь средние температуры водной массы для напала и конца рассматриваемого периода времени, что, по существу, эквивалентно допущению о термодинамически равновесном протекании процессов нагревания и охлаждения (замерзания) водоемов.
В связи с этим возникает объективная потребность в разработке такого универсального методического подхода к расчету термики водоемов различного типа, который бы совмещал простоту и доступность теплобалансового метода расчета с одновременным учетом неравновесности процесса формирования термического режима водоема, включая ледовый режим,
Необходимым условием создания подобной методики расчета является проведение комплекса исследований по выявлению определяющих (главных) факторов рассматриваемых процессов с целью физически обоснованного упрощения их математического описания.
В ходе этих исследований, основываясь на многочисленных опытных данных и сделанных на их базе статических и динамических теплобалансовых, других оценок и расчетов, в диссертации обоснована необходимость углубленного изучения и развития нового научного направления, обусловленного влиянием фактора био - тешюфизической природы, - микробиологического разложения органического вещества в донных отложениях водоема и сопровождающего это явление теплового эффекта, на термический и дедово - термический режимы мелководного озера.
Цель и задачи работы. t
Целью работы являлось создание научного и методологического подходов, обоснование физической и упрощенной математической моделей для расчета динамики формирования ледово - термического режима глубокого и мелководного озер на базе исследования фундаментальных особенностей этого процесса. В последнем случае (дня мелководного озера), с учетом обнаруженного влияния нового определяющего фактора, - источника теплоты микробиологической природы, возникающего в донных отложениях за счет жизнедеятельности бактерий при разложении биомассы.
В ходе исследования решались, в том числе, следующие задачи:
- определение сезонных особенностей и значений эффективных характери
стик теплопереноса в водной массе и донных отложениях (на примерах озер Се
ван и Кубенское) с использованием развиваемого в работе методического под
хода;
. - реализация разработанной методики и сформулированной на ее основе тешюфизической модели для прогностического расчета и оптимизации уровня воды в озере Севан с целью снижения вероятности его замерзания;
- обоснование существенного влияния биологического источника тепло
ты, локализованного в донных отложениях, на сроки замерзания мелководного
- озера (на примерах озер Кубенское, Воже, Лача) ;
-численное моделирование процесса формирования ледово - термического, режима и расчет среднеинтегрального тепловыделения от биологического источника в донных отложениях мелководного озера на основе использования полученного аналитического решения био - тешюфизической модели (с учетом биологического тепловыделения в донных отложениях);
- экспериментальное определение интенсивности тепловыделения от ис
точника микробиологической природы в лабораторных условиях ;
.- обоснование ведущей роли биологически активного слоя донных отложений в процессе самоочищения мелководного водоема.
Обоснованность и достоверность исследований базируется на экспериментально - теоретическом подходе, в основу которого положены физически обоснованные тепловые (теплофизическая и био - теплофизическая) математические модели с эффективными характеристиками теплопереноса. Последние определяются, по существу, из решения т. н. обратных задач теплообмена с использованием имеющихся опытных данных.
С целью контроля и повышения надежности выводов широко применяются оценки и расчеты, основанные на балансе энергии и массы вещества в рассматриваемых процессах ; проводится численное моделирование на базе предложенных математических моделей и сравнение с имеющимися опытными данными для конкретных водоемов.
Для дополнительного подтверждения выводов работы в отношении интенсивности тепловыделения or микробиологического источника, полученных из решения обратной задачи с использованием опытных данных для модельного водоема, проведено специальное экспериментальное исследование этого процесса в лабораторных условиях на дифференциальном микрокалориметре.
, Предмет защиты. На защиту выносятся:
результаты исследования особенностей процесса формирования ледово -термического режима глубокого и мелководного озер ;
новое научное направление и его разработки в исследовании ледово -термического режима мелководного водоема при наличии нового, обоснованного в работе, определяющего фактора этого процесса, - тепловыделения 'от источника теплоты, сопровождающего микробиологическую деструкцию биомассы, и локализованного в донных отложениях;
научно - методические разработки по созданию сравнительно простой и физически обоснованной методики расчета термического и ледово - термического режимов водоемов, базирующейся на использованном экспериментально-теоретическом подходе к определению эффективных характеристик теплопереноса и, в случае мелководного водоема, полученных аналитических решениях теплофиэической и био - тешгофизической задач для сопряженной системы вода-дно ;
особенности механизма самоочищения мелководного водоема от продуцируемого в .нем органического вещества и определяющая роль верхнего, биологически активного слоя донных отложений в этом процессе.
Научная новизна работы. Новизну работы характеризуют следующие конкретные результаты:
. - в рамках сформулированной и обоснованной упрощенной теплофизи-ческой модели глубокого озера оценено количественно абсолютное и относительное влияние определяющих процесс замерзания факторов таких, как глубина озера и температура воздуха над акваторией в зимнее время;
-установлены и сформулированы необходимые и достаточные условия замерзания глубокого озера;
- предложен и апробирован метод расчета коэффициента эффективной
температуропроводности донных отложении, базирующийся на полученном
теоретическом решении и имеющихся для конкретного водоема натурных данных по измерению температуры грунта;
на основе предложенного экспериментально - теоретического метода расчета теплопроводных свойств донных отложений и на примере грунта оз. Кубенского обнаружен (теплофизический) эффект существенной сезонной (осенней) интенсификации теплогіереноса в донных отложениях, что позволяет не только снизить погрешность расчета термического режима мелководного во доема, но и объяснить сопутствующие этому процессу явления, например; поступление биогенных веществ из грунта в воду, которое происходит в период осеннего охлаждения озера;
с использованием полученного аналитического решения сопряженной теплофизической модели мелководного озера (для контактной задачи вода -теплоактивный слой донных отложений) путем численного моделирования впервые изучено относительное влияние комплекса теплофизических ев ойств, в том числе, интенсивности теплоотдачи с поверхности водоема в атмосферу, влияние глубины водоема и основных теплопроводных свойств грунта, на теп-лофизические особенности формирования ледово - термического режима мелко водного озера; -
показано, что достаточно корректный детерминированный расчет нестационарного температурного поля в сопряженной системе вода - донные отложения невозможен, в том числе, без предварительного определения и учета влияния основных теплофизических свойств грунта;
на примерах хорошо изученных озер (Кубенское, Воже, Лача) обнаружено, что теплофизическая модель мелководного озера, не учитывающая тепло выделение биологической природы в донных отложениях водоема, имеет по этой причине внутреннее противоречие, принципиально не позволяющее объяс нить разительное несоответствие между действительным временем замерзания мелководного озера в природе и в несколько раз меньшим значением этой вели чины, полученной на основании теплобалансового статического расчета (по реальному суммарному тешюзапасу водной массы и деятельного слоя донных отложений) или на основании теплобалансового динамического расчета (на ба зе самой теплофизической модели мелководного озера), дополнительно учитывающего неравновесный характер процесса формирования ледово термическо го режима мелководного озера;
обоснована и сформулирована сопряженная био - теплофизическая модель большого мелководного озера, учитывающая существенное влияние нового фактора, формирующего ледово - термический режим, - источника теплоты микробиологической природы в донных отложениях озера;
с использованием полученного аналитического решения сопряженной био - хеплофизичесжой модели путем численного моделирования, в развитие но вого научного направления, исследованы особенности процесса замерзания мелководного озера и влияние определяющих его факторов, - плотности тепловыделения биологического источника, различных законов распределения численности бактерий по вертикали, влияние теплопроводных свойств донных отложений на формирование ледово - термического режима водоема; .
из решения обратной био - теплофизической задачи на примере оз. Кубенского найден порядок величинытепловыделения от биологического источника в расчете на единичную клетку q**., при котором биологическое тепло-
выделение в грунте существенным образом влияет на условия и время формирования ледового режима мелководного озера ; полученные значения qra. подтверждены в работе экспериментально путем микрокалориметрического исследования в лабораторных условиях;
- на основе применения развиваемого в работе методического подхода с
использованием эффективных (интегральных) характеристик теплообмена, до
полненного полученными для мелководных озер аналитическими решениями
сопряженных теплофизической и био - теплофизической задач, разработана и
обоснована сравнительно простая методика расчета термического режима водо
ема, включая расчет формирования ледово - термического режима, пригодная
для инженерного прогностического расчета;
интенсивность тепловыделения от биологического источника в донных отложениях связана в работе с интенсивностью самоочищения мелководного водоема и, на этой базе, обоснована ведущая роль донных отложений в процессе самоочищения мелководного озера от ежегодно продуцируемого в нем и поступающего с водосбора огромного количества органического вещесва;
- на основании проведенных исследований и введенного в работе понятия
о биологически активном слое донных отложений, в котором происходят
основные микробиологические процессы, утверждается, что это понятие имеет
не только теоретическое, но и важное экологическое, природоохранное значе
ние, так как указывает на локализацию процессов, обеспечивающих самоочи
щение мелководного водоема и, в том числе, устойчивость экосистемы к опре
деленному уровню антропогенных воздействий.
Практическая значимость работы. Развиваемый в работе научно - методический подход, разработанные на его основе теплофизическая и био - теплофизнческая модели глубокого и мелковод-ного озер, дополненные в последнем случае аналитическими решешюми сопряженных задач для системы вода - слой донных отложений, позволяют оперативно и с минимальными затратами оценить возможное влияние планируемых водохозяйственных мероприятий, связанных, например, с изменением уровня воды в водоеме, на его термический режим, включая замерзание водоема (выход на ноль градусов температуры на поверхности воды), а через них, оптимизировать природоохранный эффект от планируемых работ.
Проведенные исследования и полученные на их основе результаты позволяют решать такие важные для практики задачи, как
расчет процесса формирования физического теплозапаса (энтальпии) деятельного слоя донных отложений в период нагревания и динамики его расходования в период осенне - зимнего охлаждения мелководного водоема с использованием' предложенного зкеперішентально - теоретического метода (для определения коэффициента эффективной температуропроводности грунта) и обнаруженного существенного сезонного (осеннего) увеличения значения этой важной характеристики теплопроводных .свойств грунта ;
уточненный прогноз сроков замерзания больших мелководньпе озер, в первую очередь судоходных, с учетом действия источника теплоты биологической природы в донных отложениях ; .<
минимизация экологического ущерба От техногенной деятельности на мелководном водоеме, если учитывается положение об определяющей роли
верхнего, биологически активного слоя донных отложений в процессе самоочищения водоема.
При использовании введенного в работе понятия о биологически активном слое донных отложений и обнаруженных особенностей механизма самоочищения мелководного водоема, появляется принципиальная возможность" целенаправленного влияния на интенсивность процесса самоочищения в дон* ных отложениях природного водоема и, в ограниченных пределах, возможность бытового использования биологического тепловыделения. Например, с целью интенсификации процесса самоочищения природного эвтрофированного водоема, в донных отложениях последнего могут быть искусственно созданы более благоприятные условия для микробиологической деструкции биомассы и других веществ по соотношению основных биогенных элементов, - органического углерода, азота, фосфора и других. С целью использования биологического тепловыделения в качестве местного источника теплоснабжения можно осуществить регулируемые условия аэробного биоокисления (в летний период) и анаэробного брожения (в зимний период) содержимого искусственного пруда (лагуны) по соотношению биогенных элементов, интенсивности массообменных процессов и др., аналогично тому, как это происходит в современных производствах (биореакторах) микробиологической очистки сточных вод. При этом преобразование теплоты от биологического источника, имеющей низкий температурный потенциал, в терчоту с достаточно высоким температурным уровнем (в несколько десятков градусов), необходимым для теплоснабжения, сравнительно просто осуществить с использованием теплового насоса.
Внедрение результатов исследования. На основании результатов исследований написаны-главы в 14 отчетах по планам научно - исследовательской работы С.-Пб. лесотехнической академии (ЛТА) (N№ гос. per. 01940000228, 01860081986, 01830029979) ; в качестве ответственного исполнителя от ЛТА автором выполнены исследования по теме ГКНТ СССР 0.85.01.10.01 (озеро Севан), раздел 01.02.Н2 пункта №>2 "Рабочей программы по проведению комплексных исследований, связанных с определением оптимального уровня воды озера Севан, сохранением ее качества, рационального использования и воспроизводства естественных богатств его бассейна на 1983-1985 гг.".
Научно - методические разработки и основные результаты исследования особенностей формирования ледово - термического режима глубокого озера (на примере оз. Севан) вошли в отчет по НИР "Оценка изменения водного баланса, уровня и других показателей гидрологического режима озера Севан в связи с планируемыми водохозяйственными мероприятиями." (Заключительный отчет по теме 0.85.01.10.03 в плане ГКНТ, № гос. per. 01830030685, ГГИ, 1985.Научн. рук. д.т.н., проф. В. С. Вугдинский).,
По результатам выполненных исследований подучены Заключения от Института озероведения РАН (Головная организация по теме ГКНТ № 0,85.01.10.01 -озеро Севан) и из Государственного гидрологического института о внедрении предложенной автором методики расчета ледово - термического режима и условий замерзания водоема, а также полученных на ее основе результатов, для создания уточненного прогноза гидрологического режима и более надежного обоснования оптимальной величины подъема уровня воды в озере Севан.
Личный вклад автора диссертации. Результаты, определяющие научную новизну и практическую значимость диссертации, а также установленную в работе фундаментальную взаимосвязь процесса замерзания с прямо противоположным, на первый взгляд, физическим яв- ленисм, - кризисом теплообмена термолабильной жидкости, получены лично автором в период с 1972 по 1997 гг.
Числовые расчеты разработанных автором математических моделей проведены в ИВЦ ЛТА при непосредственном участии автора.
Экспериментальное определение интенсивности тепловыделения от источника микробиологической природы выполнено автором по методике, совместно раэ-оаботанной с зав. лабораторией гидробиологии Иноз РАН, д. б. н. Драбковой ^., при участии научн. сотрудника этой лаборатории Хлопотиной Н. Л.
*з численности бактерий в пробах).,
с. проведены на дифференциальном микрокалориметре кафедры общей
3koj. я, анатомии, и физиологии растений ЛТА с участием ассистента кафедры, к. б. н. Морозова Е. Е. при любезном содействии зав. кафедрой, д. б. н., проф. Соловьева В. А..
Всем им автор выражает глубокую благодарность и признательность.
Апробация работы. Результаты работы были доложены на ежегодных научных конференциях ЛТА по итогам НИР за 1986-1988,1990,1994 - 1996 гг.; на научных семинарах в Институте озероведения-РАН (1980,1981,1983,1984,1985,1995 гг.); наТченом Совете Института озероведения РАН (1988 г.) ; на расширенном заседании Координационного Совета ГКНТ СССР (Ленинград- Ольгино, 1983 г.); на научном семинаре в Карельском филиале АН СССР (Петрозаводск 1989 г.) ; на Первой Российской Национальной конференции по теплообмену (Москва, 1994 г.) ; на расширенном межкафедральном заседании ЛТА (1995 г.); на научном семинаре Институте водных проблем РАН (1996 г.).
Структура.. ~*>ъем работы. Диссертация состоит н>. ведения, шести глав, заключения, приложения и списка литературы. Общий объем работы составляет 288 стр.,.включая 13 рисунков и 27 таблиц. Список литературы"содержит 151 наименование публикаций, из них 40<шостранных>)авторов на языке оригинала.