Особенности динамики реверсивных водных потоков в приливных устьях малых рек бассейна Белого моря (РФФИ-Аспиранты)НИР

Features of the reversible flow dynamics in tidal estuaries of the White Sea

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 октября 2019 г.-31 декабря 2019 г. Особенности динамики реверсивных водных потоков в приливных устьях малых рек бассейна Белого моря (2019)
Результаты этапа: В результате реализации проекта на новом натурном материале будет проверена гипотеза о «контрдиссипации» энергии в реверсивных водных потоках (передача энергии вихревых образований поступательному движению водной массы). Модификация уравнений Сен-Венана для расчета реверсивных потоков в приливных устьях рек позволит более адекватно оценивать и моделировать такие процессы как движение наносов и русловые деформации, распространение загрязнителей в устьевых областях и на шельфе, проникновение осолоненных вод в реки, ледовые явления и вынос тепла в Арктические моря. Практическое применение результатов исследования может быть связано с приливной энергетикой, транспортным и рекреационным использованием приливных устьев рек. За период с 1.10 по 31 декабря 2019 г. Разработан детальный план работы по проекту. Подготовлено 5 докладов на конференциях, 4 публикации РИНЦ.
2 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Особенности динамики реверсивных водных потоков в приливных устьях малых рек бассейна Белого моря (2020)
Результаты этапа: Выполняемое исследование направлено на детальное изучение ранее выявленных особенностей динамики вод в приливных устьях малых рек бассейна Белого моря и модификацию методов расчета реверсивных водных потоков. За первый год реализации проекта выполнено следующее: 1. Для ранее исследованных участков мезоприливных устьев рек Кянды и Тамицы, а также макроприливного устья реки Сёмжи по единой методике были выполнены расчеты и проанализированы вариации членов уравнения движения Сен-Венана, коэффициентов Кориолиса и Буссинеска, коэффициентов гидравлического сопротивления. Расчеты были выполнены в двух вариантах: (1) без учета неравномерности распределения скоростей течения по поперечному сечению потока (как в математической основе широко используемых одномерных моделей MIKE 11 и HEC-RAS), и (2) с учетом коррективов скорости Кориолиса и Буссинеска. Кроме того, для случаев проникновения осолоненных морских вод на устьевые участки рек был рассчитан плотностной член уравнения движения и исследована его динамика в ходе приливного цикла. Было установлено, что вклад инерционных членов наиболее существенен (15 - 50%) в периоды, когда уклон водной поверхности близок к нулю. В это же время характерны наиболее "нетипичные" значения коэффициентов гидравлического сопротивления "лямбда" (вплоть до отрицательных значений). Было установлено, что коэффициенты Кориолиса и Буссинеска весьма существенно изменяются в ходе приливного цикла, их значения более всего отличаются от единицы в периоды смены направления течений. При учете коррективов скорости в расчетах членов уравнения движения существенный вклад инерционных членов в периоды минимальных уклонов водной поверхности сохраняется, а также увеличивается их роль в начале прилива. Принимая во внимание изменчивость коррективов скорости в ходе приливного цикла, была показана необходимость модификации уравнения движения путем введения в него двух дополнительных членов, отражающих эту изменчивость. 2. В целях расширения спектра исследуемых объектов в область микроприливных устьев были изучены устья малых рек Лая и Ваганиха, впадающих в рукава дельты Северной Двины. В ходе полевых работ на этих реках в разные фазы водного режима в 2019-2020 гг. проводились измерения уровней и расходов воды, скоростей течения, промерные работы. Большинство полевых данных обработано и подготовлено для гидродинамического моделирования. 3. Выполнено сопоставление результатов гидродинамическое моделирования с использованием 1D модели HEC-RAS с результатами 2D и 3D моделирования (по модели DELFT3D). Для эстуария р.Онеги от устьевого створа до с. Порог (30 км) оно показало, что при воспроизведении динамики уровней воды и осредненных по сечению потока скоростей течения на приливных участках рек значительной протяженности (когда их длина на порядки превышает ширину и глубину потока) 1D модель дает результаты, аналогичные результатам 2D и 3D моделирования. Таким образом, если не стоит задача исследовать распределение скоростей потока по сечению, 1D модели имеют преимущество из-за существенно меньшей трудоемкости подготовки исходных данных и затрат машинного времени. Опубликовано 4 статьи (одна из которых индексирована в WoS и Scopus, остальные - в РИНЦ), сделаны 7 докладов на конференциях.
3 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Особенности динамики реверсивных водных потоков в приливных устьях малых рек бассейна Белого моря (2021)
Результаты этапа: Выполняемое исследование направлено на детальное изучение ранее выявленных особенностей динамики вод в приливных устьях малых рек бассейна Белого моря и модификацию методов расчета реверсивных водных потоков. За второй год реализации проекта выполнено следующее: 1. Для ранее исследованных участков мезоприливных устьев рек Кянды и Тамицы, макроприливного устья реки Сёмжи, а также частично для микроприливного устья Лаи по разработанной методике были выполнены расчеты членов уравнения движения Сен-Венана, коэффициентов гидравлического сопротивления, коэффициентов Кориолиса и Буссинеска и проанализирована их изменчивость в течение приливного цикла. Расчеты были выполнены в трех вариантах: (1) без учета неравномерности распределения скоростей течения по поперечному сечению потока (как в математической основе широко используемых одномерных моделей MIKE 11 и HEC-RAS); (2) с учетом коэффициентов Кориолиса и Буссинеска в инерционных членах и (3) с дополнительными членами в уравнении движения, появляющимися при учете изменчивости коррективов скорости в течение приливного цикла. Кроме того, для случаев проникновения осолоненных морских вод на устьевые участки рек был рассчитан плотностной член уравнения движения и исследован его вклад в ходе приливного цикла. Было установлено, что вклад инерционных членов наиболее существенен (15 – 50%) дважды за приливный цикл: непродолжительно (15 – 30 минут) в начале прилива, включая момент смены направления течений, и более продолжительно (1 – 3 часа) в начале отлива, также включая разворот течений. Коррективы скорости и коэффициент гидравлического сопротивления изменяются на несколько порядков в течение приливного цикла, и наиболее нетипичные значения приурочены к моментам разворота течений. В эти периоды значения коэффициентов Кориолиса и Буссинеска достигают своих максимальных значений, а в ходе коэффициента гидравлического сопротивления наблюдаются резкие скачки. Коэффициент гидравлического сопротивления может принимать даже отрицательные значения, что не противоречит современным представлениям о механизме диссипации энергии в турбулентных потоках (перед разворотом течений происходит аккумуляция энергии поступательного движения, а потом – ее резкий сброс). Принимая во внимание изменчивость коррективов скорости в ходе приливного цикла, была показана необходимость модификации уравнения движения путем введения в него двух дополнительных членов, отражающих эту изменчивость. В среднем за приливный цикл абсолютные значения дополнительных членов на порядок меньше значений инерционных членов, однако в начале отлива максимальный вклад каждого из них достигает 15 – 25%. 2. Собранные раннее (2 этап НИР) данные измерений на устьевом участке Лаи использованы для расчетов коррективов скорости и для разработки одномерной гидродинамической модели. 3. Разработана одномерная модель устьевого участка Лаи, результаты моделирования которой оказались значительно менее точными, чем результаты моделирования для Онеги, разработанной раннее в ходе реализации проекта. Аналогичные погрешности в воспроизведении уровней и расходов воды около 15 – 25% отмечались в одномерных моделях Кянды и Сёмжи, разработанных раннее. Одной из возможных причин может быть бОльшая значимость коррективов скорости в устьях малых рек. В связи с этим при разработке одномерных гидродинамических моделей, ориентированных на расчеты в приливных устьевых областях, предлагается использовать модифицированное уравнение движения. 4. Выполнен анализ формирования областей повышенной мутности в приливных устьях рек Кянда, Тамица и Сёмжа по результатам измерений, выполненных в 2015-2019 гг. Установлено, что повышенная по сравнению в прилегающими участками реки и моря мутность вод (концентрация взвешенных наносов) в мезо- и макроприливных эстуариях наблюдается на участках реверсивных течений, вызванных приливными колебаниями уровня воды на морском крае. Отмечается широкий диапазон колебания мутности в зависимости от фазы приливного цикла, характера перемешивания речных и морских вод, геолого-геоморфологического строения взморья и речного русла, а также погодных условий. По результатам выполнения третьего этапа опубликовано 5 статей (одна из которых индексирована в WoS и Scopus, 2 – в международной базе данных Google Scholar, остальные - в РИНЦ), сделаны 5 докладов на 4 международных и 1 всероссийской конференциях.
4 1 января 2022 г.-30 сентября 2022 г. Особенности динамики реверсивных водных потоков в приливных устьях малых рек бассейна Белого моря (2022)
Результаты этапа: Кандидатская диссертация Панченко Е.Д. рассмотрена в Диссертационном Совете МГУ 016.2 и принята к защите 22 сентября 2022 г. Все находящиеся в печати статьи, подготовленные в ходе реализации проекта, опубликованы. 3 ноября 2022 г. диссертация защищена.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".