Самолюбов Б.И. Плотностные течения и диффузия примесей

Оглавление

Введение

В огромном и разнообразном мире течений особое место принадлежит скрытым в глубинах водохранилищ, озер, морей и океанов придонным плотностным потокам. Эти потоки могут менять рельеф дна, прорывая каньоны или формируя донные отложения. Они могут обладать разрушительной силой, разрывая подводные коммуникации, а могут способствовать развитию биосферы за счет вентиляции глубинных вод.

В целом, к придонным плотностным, или стратифицированным, относятся течения, устойчивость границ и во многом динамика которых определяются разностью плотностей жидкостей в потоке и над ним.

Гидрофизические наблюдения плотностных потоков берут свое начало еще в позапрошлом веке. Регулярные исследования получили развитие во второй половине XX столетия. Однако несмотря на давнюю историю и растущую активность экспериментальных и теоретических работ этого направления, в механике стратифицированных по плотности течений сохраняется ряд неясных вопросов ключевого характера. Во многом не раскрыты механизмы взаимодействия плотностных потоков с дном и течениями вышележащих вод, не поддаются в достаточной мере оценке эффекты влияния примеси одного типа на перенос другой. Остаются неясными важнейшие процессы формирования вторичных, внутренних течений в плотностных потоках и влияния на них вихреволновых структур. Необходима расшифровка механизмов зарождения и распространения линзовых потоков, течений, индуцированных ветром и внутренними волнами, а также потоков, обусловленных термическим режимом водоемов. К этому неполному перечню проблем следует отнести и ряд неясных вопросов теории турбулентного переноса взвешенных и растворенных примесей плотностными течениями.

В данной книге сделана попытка систематизации и обобщения результатов 30-летнего цикла структурных комплексных натурных и теоретических исследований плотностных течений.

Анализируются процессы распространения придонных стратифицированных течений различной природы (интрузионных, линзовых, циркуляционных, индуцированных ветром и внутренними волнами и др.) и транспорта примесей этими потоками. Рассматриваются особенности распределений скорости, температуры, концентраций взвешенных и растворенных примесей в стремительных суспензионных потоках в горном водохранилище и в медленных плотностных течениях с термической и минерализационной стратификацией в 6 равнинных водохранилищах и 2 озерах. Раскрывается ряд эффектов взаимодействия придонных, промежуточных и приповерхностных течений.

В книге приводятся разработанные с участием автора математические модели течений с суспензионной, термической и минерализационной стратификацией. Представлены методы теоретического описания распределений коэффициента турбулентного обмена, спектров размеров частиц взвеси и диагностики течения по распределениям концентрации взвеси. Рассматриваются математические модели транспорта взвешенных частиц и растворенных солей плотностными потоками. Все модели проверяются по репрезентативной базе данных детальных структурных измерений на 9 полигонах: на равнинных Можайском, Рузском, Озернинском, Истринском, Вазузском, Иваньковском и горном Нурекском водохранилищах и на озерах Имандра и Телецком.

Фундаментальное значение исследований плотностных потоков сочетается с их практической и, прежде всего, экологической важностью. Так, результаты, полученные на перечисленных выше равнинных водохранилищах, представляют значительный интерес для развития методов прогноза и регулирования процессов формирования качества воды в водохранилищах системы водообеспечения г.Москвы. Исследования плотностных течений в Телецком озере, одном из крупнейших в восточной Сибири и гидрофизически весьма слабо изученном, важны для прогноза гидрологического режима и изменений состава воды с учетом влияния на них плотностных потоков. Приведенные данные о транспорте взвеси плотностным потоком в губе Белой, на озере Имандра, крупнейшем на Кольском полуострове, и методы теоретического описания этого течения необходимы для учета поступления примесей в этот водоем, испытывающий мощную техногенную нагрузку. Анализ экспериментальных данных и теоретические исследования суспензионных потоков в Нурекском водохранилище существенно повышают возможности расчета распространения этих течений и транспорта взвеси для усовершенствования методов прогноза заиления водохранилищ и разрушения подводных сооружений.

В настоящее время известна только одна монография, посвященная придонным плотностным взвесенесущим течениям, опубликованная автором 7 лет назад. Настоящая работа является естественным развитием предшествующей, с учетом большого объема новых экспериментальных и теоретических результатов.

Монография состоит из восьми глав. В первой главе приводится обзор результатов исследований стратифицированных потоков. Систематизированы данные из публикаций о 29 потоках в озерах и водохранилищах и 30 морских и океанических придонных стратифицированных течениях. Обзор охватывает итоги работ по следующим направлениям:

– изучение плотностных потоков в озерах и водохранилищах, включая:

а) гравитационные и градиентные придонные течения;

б) потоки, индуцированные ветром и внутренними волнами;

в) течения, обусловленные термическим режимом водоемов;

– исследования морских и океанических стратифицированных потоков, в том числе:

а) придонных плотностных течений;

б) потоков на открытых шельфах и в эстуариях;

– выявление закономерностей турбулентного обмена, развития внутренних волн и тонких структур в плотностных потоках.

Во второй главе рассматриваются результаты проведенных при непосредственном участии автора исследований структурных преобразований плотностных течений, распространяющихся в водоемах со слабым и сильным водообменом. Дается описание опорных полигонов, приборов и методов исследований. Представлены данные о распределениях скорости и параметров состава воды по глубине и длине суспензионных потоков, течений с термической и минерализационной стратификацией.

Третья глава посвящена динамике придонных плотностных потоков. Анализируются механизмы распространения течений. Представлены математические модели потоков и итоги их апробации. Приводятся результаты натурных исследований и математического моделирования процессов распространения градиентных плотностных течений с ветровым энергообеспечением, потоков линзового типа и течений с двойным пограничным слоем.

В четвертой главе систематизируются закономерности изменений гидродинамической устойчивости плотностного течения в зависимости от типа стратификации и рельефа дна, от эффектов взаимодействия потока с дном и интенсивности водообмена в данном бассейне (от проточности водохранилища), от концентрации поступающих в поток примесей техногенного или естественного происхождения, а также от расположения источников поступления примесей в водоем.

В пятой главе приводятся данные структурных комплексных исследований изменений поля возмущений скорости суспензионного потока по его глубине и длине. Рассматриваются выявленные механизмы и разработанные методы описания преобразований поля возмущений. Представлены результаты исследований циркуляционного термически стратифицированного течения на плесе водохранилища. Анализируется развитие плотностных потоков, индуцированных ветром и внутренними волнами, по данным натурных измерений и теоретических исследований.

Шестая глава посвящена анализу результатов комплексных исследований стратифицированных течений Телецкого озера. Рассматриваются процессы формирования плотностного потока и промежуточной струи, образующихся при перетекании наклонной плавучей струи через подводный порог и распространяющихся с мощными топографическими возмущениями на участке со сложным рельефом дна.

В седьмой главе приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований распределения коэффициента турбулентного обмена в плотностном течении по его глубине и длине, разработанная модель взаимодействия сдвиговых слоев стратифицированного придонного потока, методика аналитического представления гранулометрических спектров взвеси с учетом процессов турбулентного и волнового переноса частиц, методы диагностики структуры течения по спектрам размеров частиц взвеси.

В восьмой главе рассматриваются процессы переноса взвешенных и растворенных примесей придонными стратифицированными потоками. Представлены результаты изучения транспорта взвешенных частиц и растворенных солей придонными стратифицированными течениями в природных водоемах. Рассматриваются данные комплексных структурных измерений и построенные с учетом выявленных эффектов математические модели распространения примесей. Анализируются процессы переноса примесей и апробируются методы математического моделирования, разработанные для расчета продольных распределений концентраций взвеси и растворенных солей в плотностных течениях.

Автор глубоко признателен сотрудникам, аспирантам и студентам физического факультета МГУ, участие которых в натурных и теоретических исследованиях способствовало получению представленных в книге материалов. Считаю своим приятным долгом выразить благодарность соавторам совместных публикаций, цитируемых в монографии, и коллективу кафедры физики моря и вод суши физического факультета МГУ за помощь и поддержку.

Особая благодарность Российскому фонду фундаментальных исследований за финансовую поддержку исследований, проводившихся по проектам N96–05–65856, N99–05–64045, N02–05–64494,–05–64870.