Моделирование и оценка взмучивания донных осадков в прибрежных районах морей : на примере Невской губы

• Автор: Мартьянов, Станислав Дмитриевич
• Шифр специальности: 25.00.28
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 106 с. : ил.

Содержание

Введение
1 Современное состояние исследований процесса взмучивания донных
осадков и основные подходы к его математическому моделированию
1.1 Взмучивание частиц со дна
1.2 Гравитационное оседание частиц
1.3 Влияние наличия в воде взвеси на плотностную стратификацию
2 Модель циркуляции моря и ее модификация для учета процесса взмучивания
2.1 Модель циркуляции
2.2 Модель взмучивания
2.3 Расчет придонного сдвигового напряжения
2.4 Расчет параметров ветрового волнения
3 Результаты моделирования взмучивания донных осадков в Невской губе
3.1 Физико-географическое описание Невской губы
3.2 Выбор периода и условия расчетов
3.3 Оценки интенсивЕюсти ветрового волнения в Невской губе
3.4 Расчет придонных напряжений
3.5 Эффекты пространственного распределения типов донных осадков
3.6 Влияние взвешенных частиц на плотностную стратификацию и скорости течений
3.7 Чувствительность решения к параметрам когезии донных осадков
3.8 Калибровка и валидация модели взмучивания
4 Временная изменчивость взмучивания в Невской губе в безледный
период
4.1 Выбор лет для расчета
4.2 Сезонные изменения концентрации взвешенного вещества в
2008 и 2013 годах
ЗаключенЕЕе
Список сокращений
Список использованных источников

Введение
Актуальность темы исследования
В настоящее время наблюдается повышенный интерес к прогнозу состояния прибрежных районов морей вследствие необходимости в комплексном управлении прибрежной зоной. Взмучивание донных осадков в современных математических моделях все еще описывается различными способами, что говорит о продолжающихся поисках наилучшего способа учета характеристик донных осадков и внешнего воздействия на данных процесс. Дополнение имеющихся гидродинамических и экосистемных моделей моделью взмучивания донных осадков позволяет учитывать такие эффекты как изменение плотностной стратификации вследствие наличия в воде взвеси с плотностью, отличной от плотности воды, ослабление проникающего в воду света, влияющего на первичную продукцию, изменение конфигурации береговой черты и профиля дна и другие.
Большинство существующих сегодня моделей взмучивания при параметризации процесса используют такие величины как суммарное придонное напряжение, критическое придонное напряжение, различное для разных типов донных осадков, а также физические характеристики самих частиц. Практически все подобные модели в большей или меньшей степени опираются на результаты лабораторных и натурных наблюдений, в ходе которых были получены те или иные эмпирические зависимости, дополняющие строгое математическое описание процесса. Проблема заключается в том, что входящие в эти эмпирические соотношения коэффициенты нуждаются в уточнении, в связи с чем необходима калибровка моделей взмучивания по данным наблюдений.
В настоящее время в акватории Невской губы проводятся различного рода дноуглубительные и иные гидротехнические работы, что ведет за собой интенсивное поступление взвешенного вещества в воду. Вместе с тем, всегда существует и естественное поступление донного осадочного вещества в водную толщу посредством его взмучивания под действием ветровых волн и течений. Настоящая работа посвящена определению естественной составляющей поступления взвеси.
Пели и задачи
Цель настоящей работы состоит в усовершенствовании гидротермодинамической модели циркуляции путем ее дополнения моделью

взмучивания донных осадков с последующим применением полученного модельного комплекса для воспроизведения процесса взмучивания донных и переноса взвешенных осадков в прибрежном районе моря на примере Невской губы. Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
• Расширение трехмерной гидротермодинамической модели Невской губы путем включения в нее дополнительных блоков для расчета взмучивания и последующего переноса двух типов донных осадков: песков и илов,
• Выбор оптимального представления донных осадков в модели,
• Калибровка модели взмучивания посредством сравнения результатов расчетов со спутниковыми данными,
• Расчет взмучивания донных осадков в Невской губе и восточной части Финского залива для лет с резко различающимся внешним воздействием,
• Определение основных районов взмучивания донных осадков в исследуемой области.
Научная новизна
Впервые выполнены расчеты концентрации взмученного донного вещества для разных типов донных осадков в Невской губе при использовании модели, учитывающей совместное нелинейное взаимодействие придонных напряжений, генерируемых ветровыми волнами и течением, учитывающей сцепление частиц донных осадков (когезию), переменную скорость оседания взвеси, а также влияние плотности взвешенных частиц на общую плотностную стратификацию. Обоснована необходимость учета в модели данных факторов для корректного воспроизведения поля взвешенных частиц в Невской губе. Впервые получены оценки пространственного распределения и периодов интенсивного взмучивания в Невской губе годовом цикле.
Практическая значимость
Разработанный модельный комплекс может использоваться с целью определения интенсивности взмучивания в исследуемых районах морей. При включении в модель параметризации динамики донных наносов она может быть использована для расчета изменения профиля дна и конфигурации береговой черты. Получаемые результаты могут быть использованы в экосистемных моделях для учета

режима задавать крупные шаги по времени для сокращения общего времени счета. Для выхода из режима итераций, который реализовывается на каждом временном шаге, используются следующие условия [33, 85]: 1) различие между локальными высотами значительных волн для двух последовательных итераций не превышает 2 % или не превышает 2 % от средней по акватории высоты значительных волн, 2) различие между локальными средними волновыми периодами для двух последовательных итераций не превышает 2 % или не превышает 2 % от осредненного по акватории среднего волнового периода, 3) условия 1 и 2 выполнены в более чем 98 % расчетных точек.
С целью установить чувствительность модели к заданию различных физических процессов, была проведена серия тестовых расчетов. Особое внимание было уделено чувствительности SWAN к учету в модели волновых триад, которые в мелководных районах перераспределяют энергию но частотам, что может приводить к появлению дополнительных локальных максимумов в спектре плотности волновой энергии. В литературе встречаются противоречивые точки зрения о целесообразности учета триад, реализованных в SWAN. Так, в [33] отмечается, что включение в расчеты волновых триад практически не повлияло на высоту значительных волн и пиковую частоту. В [121], где модельные расчеты по SWAN сравнивались с лабораторными наблюдениями в резервуаре, было установлено, что учет триад приводит к недооценке высоты значительных волн, тем самым ухудшая результаты расчетов. В [87] показано, что включение триад приводит к появлению второго пика на графике спектра волновой энергии, что совпадает с данными натурных наблюдений. Однако там же отмечалось, что в прибрежной зоне модель несколько переоценивает волновую энергию, особенно на высоких частотах.
Проведенные в настоящей работе тестовые расчеты с учетом и без учета триад показали, что различие в рассчитанных характеристиках волн, как правило, невелики. Лишь изредка в нескольких мелководных районах с глубинами 0.2-0.4 м в случае учета триад отмечался резкий рост высот волн, который, по-видимому, вызывался локальной неустойчивостью численного решения. В случае отсутствия учета триад этого не происходило. Поэтому во всех последующих расчетах, результаты которых приведены в разделах 3 и 4, эффект волновых триад не учитывался.