Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Численное моделирование гидро- и литодинамических процессов морского приливного бассейна

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Численное моделирование гидро- и литодинамических процессов морского приливного бассейна"

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

СЕИН Дмитрий Владимирович

УДК 551.466.7 + 627.223.7.001.55

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРО- И ЛИТО ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ МОРСКОГО ПРИЛИВНОГО БАССЕЙНА

Специальность 11.00.08 — Океанология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в Государственной ордена Октябрьской Революции морской академии имени адм. С.О.Макарова

Научный руководитель -доктор геграфических наук, профессор, Б.А.Слепцов-Шевлевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Каган Б.А.

кандидат географических наук Кожухов И.В.

Ведущая организация -Институт Тидропроект"

Защита состоится "¡0 " 1992 г. в"/£ " час.

на заседании Специализированного Совета Д 063.19.01 Российского государственного гидрометеорологического института

Отзывы в* двух экземплярах, заверенные печатью,- проси направлять по адресу: г.Санкт-Петербург, пр.Малоохтинский д.9в Ученому секретарю Специализированного Совета

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Российског государственного гидрометеорологического института.

Автореферат разослан

1992 г.

Ученый секретарь

Специализированного Совета , , „

д.г.н., профессор о*^^ Ю.И.Ляхин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования.

Изучение гидродинамических процессов, эволюции берегов и дна жраинных морей и заливов является составным звеном при проведе-ши всесторонних геофизических исследований, направленных на освоение ресурсов прибрежной зоны Мирового океана, решение экологи-гаских проблем, обоснование строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений и их комплексов, в так же обеспечение ювигации и мореплавания. Особое место среди рассматриваемых географических районов занимают приливные бассейны, характеризующиеся, как правило, высокой активностью гидродинамических и лито-хинамичэских процессов. Несмотря на это обстоятельство, вопросы гситодинамики приливных акваторий являются малоизученными, до сих юр отсутствуют четкие представления о той роли в перемещении эсадочного материала, которую играют приливные движения как основной фактор формирования гидродинамического режима, отсутствуют и практические рекомендации для расчетов мощности и направления транспорта наносов при учете воздействия приливов.

Цель и задачи диссертации.

Успешное применение численных методов при исследовании приливных движений в окраинных морях и заливах позволяет расширить круг традиционных длинноволновых задач путем включения в рассмотрение сопряженных природных рвлений, и в первую очередь литодинамических.

Цель настоящей диссертационной работы состояла в разработке метода расчета приливных движений и перемещения наносов в мелководном морском бассейне, их совместного эффекта в рамках единой

численной .модели, основанной на уравнениях движения жидкости осреднении по вертикали, уравнении переноса примеси с функцие: .источника, описывающей осаадение и взмучивание частиц грунта полуэмпирических формулах для расчета транспорта донных наносов а также уравнении деформации дна; в использовании для адсланной интегрирования указанных уравнений криволинейной системы координат, согласованной с границей рассматриваемого бассейна; в реализации разработанного ' метода на примере численной модели Тугурского залива Охотского моря.

Научная новизна.

Основные результаты, имепцие характер научной новизны могут быть сформулированы в виде следующих положений:

1. Проведено исследование структурных связей гидро- и лито-динамических процессов окраинного приливного бассейна.

2. Предложена физико-математическая формулировка задачи моделирования гидро- и литодинамических процессов в приливных окраинных морях и заливах на основе теории мелкой воды.

3. Разработан метод расчета приливных движений и перемещения наносов в рамках едииной гидролитодинамической численной модели с использованием криволинейной системы координат, адаптированной к границе бассейна.

4. Осуществлена реализация разработанного метода расчета приливных движений и перемещения наносов на численной модели Тугурского залив8 Охотского моря, выявлены основные особенности его гидро- и литодинамического режимов.

Практическая ценность работы.

Полученные результаты использованы автором при выполнении

ряда научно-исследовательских работ в ГМА им. адм. С.О.Макарова, Научно-исследовательском и проектно-мзыскательском Объединении "Гидропроект" по общесоюзной программе "Энергетика океана", раздел "Проектирование приличных электростанций в Мезенском и Тугур-ском заливах", а также в Научно-исследовательском объединении "Экологический центр" по изучению и оценке их экологического влияния на природные процессы,

Предложенный метод расчета перемещения наносов может быть реализован как способ теоретического исследования литодинамичес-ких процессов приливных окраинных морей и заливов с привлечением необходимого числа натурных данных. Методические результаты работы могут быть использованы для составления соответствующих разделов ныне действующего "Руководства по методам исследований и расчетов перемещения наносов и динамики берегов при инженерных взысканиях."

Апробация работы и публикации.

Основные положения диссертации опубликованы в материалах )сесоюзного совещания по численным методам в задачах волновой 'идродинамики (Ростов-на-Дону, 1Э90 г.), Международного симпозиу-1а по приливннм электростанциям (Мурманск - Ленинград, 1991 г.), етырех отчетах по НИР, две статьи сданы в печать. Результаты ра-оты докладывались на научно-технических конференциях Объединения Гидропроект" (1990, 1991 гг.). Государственной морской академии м. адм. С.О.Макарова (1991, 1992 гг.), на научном семинаре Инс-итута океанологии Академии наук Российской федерации ( 1992 г.).

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и

списка литературы. Общий объем диссертации составляет 95 страниц, включающих 3 таблицы и 15 рисунков. Список литературы включает 77 наименований, из которых 28 - иностранных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выполненной работы,

дается ее краткое описание, дается ее краткое описание, определи-

«

ются цели изадачи исследования.

В первой главе выявлены основные особенности гидро- и лито-динамики приливных морских бассейнов, проведено исследование структуры связей гидро- и литодинамических процессов на основе современных представлений о развитии длинноволновых и коротковолновых движений воды, литодинамике прибрежной зоны и механизме гидрогенного седиментогенеза. Произведен анализ и дана оценка совокупного эффекта гидродинамического воздействия, отдельного вклада гидрогенных факторов и их композиционных сочетаний на перемещение осадочного материала. Выявлена главенствующая роль приливных движений в формировании рельефа дна и транспорта наносов.

Во второй главе изложены принципы построения и дана физико-математическая формулировка численной гидролитодинамической модели мелководного приливного бассейна.

Алгоритм численного моделирования изучаемых процессов может быть сформулирован следующим образом. На основе данных о колебаниях* уровня или скорости течений на жидкой границе бассейна, в также поло ветра заданном на всей акватории, моделируются приливо-отливные и сгонно-нагонные движения. Одновременно ведутся расчеты параметров ветрового волнения, производится учет влияния его

неоднородности на структуру суммарных движений, после чего проводятся расчеты расходов наносов, вызванных этим совокупным воздействием. С использованием уравнения неразрывности для донного грунта определяются деформации дна, которые в дальнейшем учитываются при моделировании гидродинамических процессов.

Постановка задачи в таком виде является наиболее общей но, к сожалению, не может быть целиком реализована в настоящее время из-за сложностей, связанных главным образом с учетом ветрового волнения. Это обусловлено как отсутствием детальных исследований взаимодействия -приливных течений и ветровых волн так и надежных методов расчета генерации и трансформации последних в приливном бассейне.

Однако, несмотря на то, что-в предложенной методике рассмотрены вопросы, связанные только с приливным транспортом наносов, вполне осуществим учет сгонно-нагонных процессов, а при разработке методики расчета генерации и трансформации ветрового волнения на приливном течении и наличии достаточной информации о структуре смешанных потоков - включение в расчеты ветроволновых воздействий. При этом общая схема численной модели остается неизменной, а влияние указанных факторов учитывается при доопределении ряда параметров, замыкающих уравнения движения жидкости и переноса примеси.

Воспроизведение приливных движений жидкости в двумерной области П(х,у) с границей зй = Г^ U Ге (Г^-хидкая граница, Гс-твердая) осуществлялось в рамках теории мелкой воды с привлечением следующей системы уравнений:

vt + ( v-v )v + 1 X т + g-vc = -ft-Y-|V|/(H-p); (1)

+ V- (Т-Н) = О , (2)

где у - осреднешшй по глубине вектор скорости течения т = (и,и); С - возмущение уровня свободной поверхности; н - глубина места исследования ( н = Л + С ); Л - невозмущенная глубина бассейна; р - плотность жидкости; X - векторный параметр Кориолиса и = /-к, к - орт вертикальной координаты), А - коэффициент донного трения.

В качестве граничных условий для уравнений (1) - (2) на жидкой границе задается значение С в виде супперпозиции п приливных гармоник:

Си,х,у) = ЕА(:г,у).соб(ьП - ^(х,у)), (х,у) е Г , (3)

где А, и>., ё. - амплитуда, частота и фаза 1-й приливной гармоники; и равенство нулю нормальной составляющей вектора скорости течения на твердой границе:

^ = у-п = о на Гс , (4)

где п - вектор единичной нормали к аО.

Кроме условия (Э) представляется возможным использовать на жидком контуре граничное условие в импедансной форме, то есть в виде соотношения между ( и т:

и'а = ип+ С5/н)°"5, С). (5)

где и^ - нормальная составляющая вектора скорости течения рассчитанная из выражения вида (3); С' - возмущение уровня свободной поверхности, полученное из численных расчетов при задании граничного условия (5); и'п - задаваемая на Гх нормальная составляющая вектора скорости течения.

«

Дополнительное внутреннее граничное условие, описывающее процесс затопления и осушки во время приливного цикла можно записать в виде: при н < н„ V = 0 , где н„- критическое значение .глубины.

Задача исследования транспорта наносов сопряжена с рядом трудностей как теоретических, так и экспериментальных. Для корректного расчета переноса взвешенных частиц желательно привлекать трехмерные модели, что обусловлено в первую очередь сложностью определения динамической скорости на дне приливного потока по значению скорости., осредненной по вертикали, особенно при наличии подвижного слоя донных наносов. В предположении малых глубин, ровного дна с незначительными уклонами и примерно одинаковыми свойствами шероховатости по всей акватории исследуемого бассейна, можно ожидать существование однозначной (с незначительной погрешностью) связи между этими скоростями, а так же возможность описать вертикальный профиль вектора скорости течения с помощью некоторой универсальной функции, позволяющей восстановить его по осредненному (по вертикали) значению.

В настоящей работе при исследовании транспорта наносов принимаются следующие допущения. Наносы делятся на 2 вида : донные и взвешенные. Первые перемещаются в слое - П < 2 < -И + а, вторые -в слое -п + а<г<С.В качестве величины а может приниматься, например, половина средней высоты донных форм. Из малости а следует предположение о мгновенной адаптации донных наносов к потоку жидко'сти, что позволяет применить существующие методы расчета их транспорта в русловых потоках. Такое допущение не применимо при исследовании движения взвешенных.наносов, поэтому в этом случае приходится привлекать уравнение переноса примеси.

Привести уравнение переноса к двумерному виду возможно двумя способами - осреднением по вертикали и асимптотическими методами ( используя в качестве малого параметра отношение масштаба времени выпадения взвешенных частиц - н/ша, где и>8 - гидравлическая крупность, к временному масштабу приливных движений). В обоих случаях необходимо допустить, что зависимость вектора скорости от вертикальной координаты г, а в первом случае и концентрации, можно описать в виде произведения их значений, осредненных по вертикали, на некие функции, описывающие эти профили и имеющие универсальный по всей акватории бассейна вид. Преимущество последнего подхода состоит в том, что он, во-первых, не требует априорного задания профиля концентрации и, во-вторых, позволяет аналитически получить функцию источника в двумерном уравнении переноса, причем наложение определенных условий на члены ассимптотического ряда приводит к тому, что найденный вид функции источника совпадает с используемым ранее эмпирическим ее заданием, необходимым при простом осреднении трехмерного уравнения переноса по вертикали.

Окончательно для исследования транспорта взвешенных наносов используется следующее уравнение:

где Е = и>э(Сш - Са) = 7Сшэ(се - с); С^ и Са - равновесная и фактическая концентрация на уровне г = -И + а соответственно; се и с - равновесная и фактическая осредненные по вертикали концентрации;

Равновесная концентрация С^ явным образом определяется по

с+ ( У-У )с = Е/Н,

(6)

7С = Сае/се = Vе: ^

(Н-а). |V| • с

1

С

г)\-С(г)бг.

-Л+а

гначению динамической скорости, глубины и физических характеристик взвешенных наносов. Профиль вектора скорости полагается близким к логарифмическому, а профиль фактической концентрации - к зрофилю равновесной. При дальнейших исследованиях их вид может Зыть модифицирован без изменения общей структуры модели.ч

После определения параметров т^, 7е, се> и постановки граничных условий на дП уравнение (6) может быть использовано для численных расчетов.

Для расчета величины расхода донных наносов, а также значения может быть использована методика Ван Рейна, согласно которой они определяются как функции динамической скорости течения, среднего диаметра и плотности осадочного материала.

Скорость изменения глубины можно получить, используя уравнение неразрывности, записанное для донного грунта, в котором полагается, что эрозия или аккумуляция в окрестности некоторой точки области обусловлены локальным изменением содержания взвеси в столбе жидкости и поступлением наносов в эту окрестность извне:

§Т = 7ГГГГ(^СС"Н) +7'4] (7)

р

где д = + ча и ^ - векторы расхода взвешенных и. донных наносов соответственно; ер - пористость донного грунта.

Если воспользоваться уравнением (2) и (6), то (7) можно привести к более удобному для вычислений виду:

й - -¿ггттЕ*+ (8)

р

Таким образом, после определения значения скорости течения, уровня, осредненной по глубине концентрации взвеси и расхода донных наносов не представляет труда рассчитать скорость деформации

дна из уравнения (8).

Особенностью приведенного вше типа задач, наиболее затрудняющей их решение, является сложная конфигурация области интегрирования уравнений, отвечающая реальным очертаниям берегово$ линии. Для повышения точности решения краевых задач в произвольной области П(:г,у) возможен переход к криволинейным координатам:

i = ti = т](х ,у), (9)

согласованным с конфигурацией П и отображающим ее на простую область П*, представляющую собой прямоугольник. Реализация численного решения поставленной задачи состоит таким образом из двух процедур - построения криволинейной сетки, адаптированной к области, и численного интегрирования уравнений на такой сетке.

Задачу построения криволинейной сетки в П можно ставить как вариационную для функционала,> выражающего некоторые конструктивные требования к сетке. В данной работе такими требованиями являются гладкость и ортогональность координатных линий, а также их адаптация к рельефу дна, то есть сгущение "сетки в областях с большими градиентами глубин и на мелководье.

В качестве меры отклонения от ортогональности можно рассматривать значение g" = v£-vr). Плотность функции Лагранжа в минимизируемом функционале It удобно принять равной (v£-vr))2 с весом J* ( J = - I^j, о х J < + оо )

I = JJCvC-viD'-./'dn = JJ (Ю)

П П*

Гладкость сетки, то есть общая в П вариация и vr¡ характеризуется интегралом:

А, = ЯИ7£)*+ (ТТ])2]^^ Я в„)сЮ1\ (11)

п п*

Последнее из требований - адаптация сетки к некоторой функции ш - представляется функционалом •

I, - // ^ = Я ш-^сП*, (12)

п о*

выражающим меру вариации площади ячейки с весом ш. Площади яче-ек должны уменьшаться там, где ш растет. Вид функционала (12) позволяет производить и более общее регулирование расположения узлов, сгущая их в районах, представляющих наибольший интерес. Сетка со всеми тремя проектируемыми свойствами возникает как решение уравнений Эйлера-Лагранжа, минимизирующее линейную комбинацию функционалов Гк, к = 1,2,3.

При численном интегрировании уравнений, генерирующих сетку использовался метод нижней релаксации: это связано с тем, что требование ортогональности сильно снижает устойчивость задачи так что при отказе от него возможно использование верхней релаксации.

С целью уменьшения погрешности вычисления компонент метри-. ческого.тензора и символов Кристоффеля на разнесенной расчетной сетке ее построение рекомендуется проводить с двойным разрешением. Для выполнения требования гладкости расположения узлов на границе области в работе используется функция распределения, построенная на основе гиперболического тангенса. Следующий немаловажный момент состоит в гладкости самой границы области, поэтому перед построением сетки рекомендуется сглаживать ее, например, кубическими сплайнами.

Криволинейная расчетная сетка Тугурского залива, построенная

л

согласно изложенной методике (с двойным разрешением) приведена на рисунке I.

После приведения исходной системы уравнений (1),.(2), (6), (а) к криволинейным координатам и переходу к новым переменным: (р, q) = (Л], Л) = ( Л-е\ «Гу-е2); («70*. Л?) = (^-е*. ^-а2), излагается алгоритм ее численного интегрирования. [

В вычислительной области о* = П* х [о,Т] строится расчетная сетка! ={пД1,дД£,кАт] | п = 0,...,Ь; ^ = 0,...,М; к = О,....И}, а"к= а(пЛ1,дЛ^,кАт)). Система (1), (2), (6) интегрируется методом переменных направлений на разнесенной сетке со вторым порядком аппроксимации по времени и по пространству. На первом полушаге расчитываются С^2- с^" .а на втором - я™.,,,,

(значения концентрации можно рассчитывать с запаздыванием на один шаг по времени).

В связи с тем, что используемая разностная схема не диссипа-тивна, решение требует сглаживания для подавления высокочастотных осцилляций. Поэтому в правые части уравнений движения жидкости и переноса примеси добавлялась искусственная вязкость.

Алгоритм решения задачи по расчету изменения глубин /г в морфологическом масштабе времени (порядка года или нескольких лет) может быть схематично изложен следующим образом. Вначале моделируются приливные движения воды в исследуемом бассейне. Вычисления производятся до момента установления их режима, соответствующего натурному во всех ячейках расчетной области. Затем в рассмотрение совместно с приливными движениями принимаются перемещения донных и взвешенных наносов - проводятся расчеты значений мутности и расходов наносов, по которым определяются в итоге величины возникающих деформаций дна. При этом, расчеты перемещений взвешенных

наносов выполняются с тем же временным шагом, что и вычисление параметров приливных движений, а расчеты перемещений донных наносов и деформаций дна в соответствии с определенным заранее "морфологическим" шагом по времени. Представленная задача решалась на период в 15 суток, что позволило принять во внимание сизигийный и квадратурный приливы. Вычисленные за этот период деформации дна могут служить исходными данными для продолжения дальнейших расчетов, в частности - вполне допустима экстраполяция полученных значений деформаций дна на некоторый задаваемый срок вперед. Далее, с учетом изменившегося рельефа дна, повторяется решение задачи по изложенному алгоритму, а именно: производится расчет приливных движений в бассейне до момента их установления с последующим подключением литодинамических расчетов. Таким образом, предлагаемое решение позволяет не только исследовать природный режим.литодина-мических процессов, но и произвести оценку его изменения вследствие антропогенных воздействий за довольно значительный временной интервал.

В третьей главе содержатся результаты использования разработанного метода численного моделирования гидро- и литодинамических процессов применительно к Тугурскому заливу Охотского моря, характеризующегося значительной величиной прилива. Выбор данного бассейна не случаен и обусловлен следующими причинами. Во-первых, отсутствие значительного влияния на литодинамику залива ветрового волнения вследствие его закрытости дает возможность исследовать перемещение наносов и возникающие деформации дна, которые обусловлены исключительно приливо-отливными движениями. Во-вторых, достаточно ровный рельеф дна, а также мелководность бассейна позволяют использовать при изучении литодинамических процессов прибли-

хэние мелкой вода и предложенное решение в части транспорта наносов. В-третьих, наличие сравнительно большого числа данных натурных наблюдений, проводимых в Тугурском заливе в связи с проектированием в этом районе строительства приливной электростанции.

Последняя причина решает ряд проблем, связанных с верификацией численной модели, особенно той ев части, которая относится к воспроизведению реального приливного процесса. В отношении проверки литодинамического решения общей задачи, следует отметить, что она была проведена с привлечением всех имеющихся материалов. Однако количество и качество их, к сожалению, не позволяет в настоящий момент произвести полную и строгую оценку выполненных расчетов. Полученные результаты, тем не менее, в целом дают достаточно четкое представление о характере перемещения наносов, направлении и мощности их потоков, выявляет ведущую роль приливных движений и необходимость безусловного их учета при исследовании литодинамических процессов.

Численные эксперименты ставили своей целью изучение динамики приливов, мощности и маршрутов миграции донных и взвешенных наносов в Тугурском заливе и оценку величины воздействия приливных движений на перемещение обломочного материала. Эксперименты проведены на период 20 суток с 1.08. по 20.08.1988 года с условием необходимости включения в этот срок основных фаз прилива: сизигии и квадратуры. Расчетная сетка Тугурского залива, построенная согласно изложенной выше методике приведена на рисунке I.

При численном решении системы (1) - (2) на жидкой границе задавалась комбинация восьми основных приливных волн: полусуточных Мг,5г,Н2,Кг и суточных К4,01,Р1,01. Коэффициент трения & принимался равным 0.003, коэффициент сглаживания V - 0.04. Шаг по

времени лг = 360 е., по# пространству изменялся от 5 км у жидкой границы области до 500 м в районе м.Носорог. Рассчитанные значения уровня подвергались гармоническому анализу методом наименьших квадратов, в результате которого выделялись амплитуды и фазы основных восьми волн, .а также семи дополнительных, порожденных нелинейным взаимодействием первых и трением о дно. Полученные значения "амплитуд и фаз сравнивались с наблюденными в пунктах А, в, с, т>.

Выполненные расчеты показали достаточную точность решения. Максимальные отклонения вычисленных значений амплитуд от наблюденных соответственно для гармоник М2 и составляют II и 19 см (порядка 5% и 15% от значения наблюденной амплитуды волны). Максимальные отклонения рассчитанных фаз от' наблюденных для тех же гармоник равны 12" и 8°. Погрешность вычислений, связанная главным образом с диссипативностью созданной в криволинейных координатах разностной схемы и определенная на основе уравнения энергетического баланса приливного процесса, весьма мала и составляет в среднем 7%.

Эксперименты по моделированию литодинамических процессов проведены на период 15 суток с 1.08. по 15.08.1988 года. Для этого обозначенного периода времени определялись результирующие изменения глубин и вектора расходов наносов. При этом рассчитанные поля мутности тестировались по данным натурных изысканий Института "Ленгидропроект", проведенных летом 1989 года в районе створа м.Б.Лангарда~- м.Носорог.

Средний диаметр взвешенных наносов принимался равным 0.1 мм по всей акватории залива. Это допущение отвечает общим особенностям динамической обстановки рельефообразования и осадконакопления

для Тугурского залива. Она характеризуется, в делом, довольно выровненной поверхностью дна, по своему строению состоящего из мелкого и достаточно однородного материала (размерность мелкозернистого песка и алеврита).' Уравнение (6) интегрировалось с шагом по времени At = 360 е., а уравнение (8) с кагом At = 1800с.

При сопоставлении результатов расчета мутности с данными натурных изысканий наблюдается их приемлимое совпадение в среднем (20 - 60 мг/л). Расчитанная мутность отражает основные черты гидродинамики бассейна, достигая максимума при максимальных скоростях течения и минимума в промежутки времени, близкие к полным или малым водам, когда, согласно расчетной методике должно -происходить выпадение взвешенных частиц. Близость к нулю рассчитанных значений концентрации в эти моменты времени собственно и объясняется тем, что частицы с расчетной гидравлической крупностью 6 мм/с успевают почти полностью осесть на дно. Наблюденная же мутность не подвержена этим тенденциям и ее значения при отсутствии течений могут даже возрастать. В связи с этим основное расхождение расчетных и натурных данных наблюдается в промежутки полных и малых вод. Однако, из-за малости в этих условиях скорости течения вышеуказанное расхождение практически не отражается на величине расхода наносов, так что интегральные оценки поступления осадочного материала в залив согласуются.

При исследовании мощности и маршрутов миграции наносов было установлено, что основной вклад в литоданамику бассейна вносят взвешенные наносы, значительно превосходящие по мощности донные (последние составляют в среднем около 10% от общего количества переносимого осадочного материала). Расчеты показали, что результирующий поток наносов в природных условиях направлен внутрь за-

н

шва, что согласуется как с общими географическими представления-ш о лито динамике приливных морей, так и с данными натурных наб-[юдений. Основное количество материала переносится в окрестности (.Носорог. Максимальный средний расход составляет здесь от 6 до ' т/м-сут. Средний расход наносов через створ за расчетный период !ыл равен Зт/м-сут. Таким образом, среднегодовое поступление на-юсов в Тугурский залив под действием приливо-отливных течений щенивается примерно в 20 млн.т. С распространением вглубь залива готок наносов разделяется на две основные ветви. Первая ветвь [аправлена к губе Асман и переносит большее количество наносов, [ем вторая, направленная на юго-восток.

Полученная расчетная картина изменения рельефа дна, относятся к моделированию перемещения заданной однородной фракции ■ипа мелкого песка, естественно, не может во всех деталях точно ^ответствовать реальной картине происходящих явлений. Вызывает юмнение, в частности, наличие в расчетной картине эрозионной юны в юго-восточной части залива, где в реальных условиях :уществует довольно стабильная область осушки. Вероятнее всего, [то такая погрешность в расчетах может быть обусловлена, (тсутствием в постановочной части численной задачи, в задании ее •раничных условий сведений о характере и распределении грунтов в ;аливе,а также месте, количестве и скорости поступления осадочно-'о материала в результате денудационно-абразионных процессов и ■вердого стока рек. Можно полагать, что их учет позволит в даль-[ейшем уточнить искомое решение. Однако, даже несмотря на значи-ельную схематичность и большое количество допущений в проведении :исленного эксперимента, полученные данные в целом и количественно и качественно подтверждают ведущую роль приливных движений в

формировании литодинамического режима Тугурского залива, отвечают результатам общих, предварительных заключений, сделанных на основании картографического и литологического анализа натурных исследований.

Вывода

Определение характера и особенностей формирования гидродинамического и литодинамического режимов приливных окраинных морских бассейнов требует поиска новых решений, которые должны основываться на их совместном рассмотрении вследствие их тесной взаимосвязи. Масштабность этих задач обуславливает развитие нового направления в исследованиях, базирующегося на применении численных методов. Изучение возможности и необходимости их использования, а также принципы построения гидролитодинамической модели, ее разработка и реализация для приливного бассейна представляют основное содержание выполненной работы, главные результаты которой могут быть сформулированы в виде следующих положений:

- исследована структура связей гидро- и литодинамических процессов, происходящих в морских приливных окраинных бассейнах на основе современных представлений о развитии длинноволновых и коротковолновых движений воды, литодинамике прибрежной зоны и механизма гидрогенного седиментогенеза. Выявлена главенствующая роль приливных движений в формировании рельефа дна и транспорта наносов;

- предложена физико-математическая формулировка задачи чис-леннох'о моделирования гидро- и литодинамических процессов в приливных окраинных морях и заливах и разработан метод расчета приливных движений и транспорта наносов в рамках едииной численной 18

гидролитодинамической модели;

- с целью повышения точности численного интегрирования уравнений, описывающих гидро- и литодинамические процессы,,произведено их приведение к криволинейным координатам, согласованным с границей расчетной области и выполнено исследование вариационного метода построения криволинейной расчетной сетки с тремя основными свойствами: гладкостью, ортогональностью координатных линий_и их адаптацией к рельефу дна;

- разработанный метод расчета приливных движений и перемещения наносов реализован на численной модели Тугурского залива Охотского моря, где главное участие в формировании гидро- и литодинамического режимов принимают приливные процессы. Выполненные расчеты, относящиеся к воспроизведению суммарных приливных движений воды по восьми основным гармоникам за период 20 суток с включением в рассмотрение основных фаз прилива - сизигии и квадратуры, показали достаточную точность решения;

- полученные результаты численного эксперимента, несмотря на значительное упрощение в постановке литодинамической части задачи в целом и количественно и качественно подтверждают ведущую роль приливных движений в формировании'литодинамического режима Тугурского залива. Вместе с /тем верификация литодинамического решения общей задачи затруднена отсутствием необходимого материала для полной и строгой оценки выполненных расчетов. Полученные результаты, тем не менее, в цедом дают достаточно точное представление о характере перемещения, направлении и мощности потоков наносов;

- значительное превосходство интенсивности регулярного воздействия приливных движений на литодинамические процессы в сравнении с ветроволновыми возмущениями определяется тем, что величи-

на мощности перемещения наносов 'приливными течениями соизмерима с данными ветроволнового переноса согласно расчетам Института "Союзморнииггроект" лишь в ситуации экстремальной штормовой деятельности, вероятность которой весьма мала (один раз в год);

- проведенное сопоставление значений элементов поступления осадочного материала в Тугурский залив свидетельствует о существенном превалировании привноса его извне в бассейн приливными течениями (примерно 20 млн. тонн в год) над поступлением в результате денудационно-абразионных процессов и твердого стока рек (соответственно 300 тыс. тонн и 236 тыс. тонн);

- получены представления об общей схеме перемещения наносов в Тугурском заливе. Выявлено существенное преобладание значений расходов взвешенных наносов над донными, причем последние составляют около 10% от общего количества переносимого осадочного материала в бассейне. Результирующий поток наносов направлен внутрь залива, что согласуется как с натурными исследованиями, так и с геофизическими представлениями о литодинамике приливных морей.

Список публикаций.

1. Численное моделирование волновых гидродинамических процессов с учетом литодинамических эффектов. // Тезисы докладов Всесоюзного совещания по численным методам в задачах волновой гидродинамики. - Ростов-на-Дону, 19Э0. - С. 28 - 29.

2. Численное моделирование гидро- и литодинамических процессов в Тугурском заливе Охотского моря. // Тезисы докладов Мехду-народаого- симпозиума по приливным электростанциям. - Мурманск -Ленинград, 1991. - С. 16 - 17. (соавтор Горелков В.М.)

3. Численная модель гидро- и литодинамических процессов приливного моря. // Сб. научных трудов ГМА им. адм. С.О.Макарова, 20

1991. (соавтор Горелков В.М.) (в печати).

4. Исследование литодинамических процессов в Тугурском заливе Охотского моря. // СО. научных трудов Союзморниипроекта, 1992. (соавторы: Горелков D.M., Кулаков A.B.) (в печати).

5. Разработка методарасчета природного режима транспорта наносов в северной части Белого моря.- Л.: ЛВИМУ, отчет по НИР,

1989.- 28 с. (соавтор Горелков В.М.)

6. Разработка метода расчета и оценка изменений природного режима транспорта наносов в северной части Белого моря при условии строительства Мезенской ПЭС. - Л.: ЛВИМУ, отчет по НИР,

1990. - 64 с. (соавторы: Горелков В.М., Тезиков А.Л.)

7. Исследование миграции наносов в бассейнах Мезенской и Тугурской ПЭС на период строительства и эксплуатации. - Л.: ЛВИМУ, отчет по НИР, 1990. - 57 с. (соавторы: Горелков В.М., Тезиков А.Л., Цветков М.В.)

8. Режим наносов в бассейне Тугурской ПЭС. - Л.: ВЭНГО "Экологический центр", отчет по НИР, 1991. - 54 с. (соавторы: Горелков В.М. и др.)