ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ФНКЦ РР |
||
В то время как морфология, гидрологический режим и гидродинамические особенности устьев крупных рек бассейна Белого моря – Северной Двины, Онеги и Мезени исследованы достаточно детально, устьевым областям многочисленных малых рек уделялось значительно меньше внимания. Однако в последние годы в связи с возрастающим интересом к вопросам ресурсного, транспортного и рекреационного потенциала Российской Арктики устья малых северных рек также становятся объектом интенсивных гидрологических исследований. В ходе реализации проекта РФФИ 16-05-01018 «Исследование динамики приливных волн и сгонно-нагонных явлений в устьях рек бассейна Белого моря» при выполнении гидрометрических работ в приливных устьях малых рек Кянда, Тамица и Сёмжа с использованием самого современного гидрометрического и геодезического оборудования были получены новые и весьма неожиданные результаты, касающиеся особенностей динамики реверсивных водных потоков при различных сочетаниях величины прилива и речного стока. В частности, были выявлены существенные вариации гидравлического сопротивления в течение приливного цикла, а также коррективов скорости Кориолиса и Буссинеска, входящих в уравнения Сен-Венана, которые в настоящее время являются фундаментальной основой расчета неустановившегося течения воды в естественных руслах. Предлагаемый проект направлен на дальнейшее изучение этих особенностей за счет углубленного анализа имеющихся данных и расширения географии исследуемых устьев с охватом более широкого диапазона изменений характеристик речного стока, морфологии русла и величины прилива. 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). Исследование причин и механизма этого явления позволит более адекватно оценивать 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.
While the morphology, hydrological regime, and hydrodynamic features of the large estuaries of the White Sea — mouths of the Northern Dvina, Onega and Mezen' rivers — have been studied in sufficient detail, but smaller attention have been paid to the mouth areas of numerous small rivers. However, in recent years, due to the growing interest in the resource, transport and recreational potential of the Russian Arctic, the small northern estuaries have also become the subject of intensive hydrological research. During the implementation of the RFBR project 16-05-01018 “Research of dynamics of tidal waves and surges in river mouths of the White Sea basin” flow measurements in tidal estuaries of the small Kanda, Tamitsa and Syomzha rivers using the most modern hydrometric and geodetic equipment have demonstrated novel and very unexpected results. They concern the dynamics of reversible water flows under various combinations of tidal and river flows. In particular, significant variations during the tidal cycle were identified in hydraulic resistance, as well as in coefficients of Coriolis and Boussinesq included in the Saint-Venant equations, which represent currently the fundamental basis for unsteady flow calculations in natural channels. The proposed project is aimed at further study of these features due to the expansion of the geography of the studied estuaries, covering a wider range of changes in river runoff, channel morphology and the tide magnitude. As a result of the project implementation, the hypothesis of energy “counter-dissipation” in reversible water flows (transfer of the eddy energy to the translational motion of the water mass) will be tested on the new natural datasets. The investigation of reasons and mechanism of this phenomenon would allow a more adequate assessment of such processes as sediment transport and channel deformations, the spread of pollutants in the estuaries and on the shelf, the saline water intrusions into rivers, ice phenomena and heat transfer to the Arctic seas.
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.
Основным научным заделом аспиранта является ее магистерская диссертация "Гидродинамические процессы в приливных устьях малых рек бассейна Белого моря", защищенная на Географическом факультете МГУ в мае 2018 г. (полный текст находится во вкладке "Файлы") и опыт участия в проекте 16-05-01018 "Исследование динамики приливных волн и сгонно-нагонных явлений в устьях рек бассейна Белого моря".
Написана диссертация "Динамика потока в приливных устьях малых рек (на примере Беломорского бассейна)" и защищена в Диссертационном Совете МГУ 016.2(МГУ.11.02)
грант РФФИ |
# | 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. |
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".