Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Динамика развивающегося плотностного течения

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата физико-математических наук, Слуев, Максим Викторович, Москва

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА ФИЗИКИ МОРЯ И ВОД СУШИ

СЛУЕВ Максим Викторович

ДИНАМИКА РАЗВИВАЮЩЕГОСЯ ПЛОТНОСТНОГО ТЕЧЕНИЯ

Специальность 04.00.23 - Физика атмосферы и гидросферы

/

/ А -

/

. ■ /

О /

(/' ' /

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: Доктор физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник

Самолюбов Б. И.,

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

Глава 1 Обзор результатов структурных исследований придонных стратифицированных течений.

§ 1 Результаты натурных исследований плотностных течений. 9

§ 2 Теоретические подходы к описанию придонных потоков. 23

§ 3 Аппаратура и методы натурных исследований плотностных течений. 31

Глава 2 Объекты исследований и методика измерений.

§ 1 Описание опорных полигонов. 40

§ 2 Измерительные системы. 46

Глава 3 Эволюция придонного течения в области его распространения.

§ 1 Анализ экспериментальных данных. 53

§ 2 Теоретическое описание придонного течения.

1. Постановка задачи. 72

2. Система уравнений модели и ее аналитическое решение с учетом вторичных течений. Апробация модели. 72

§ 3 Основные результаты. 77

Глава 4 Изменение гидродинамической устойчивости плотно-стного потока, взаимодействующего с дном и окружающими водами.

§ 1 Воздействие процессов массообмена на устойчивость, 78

плотностного потока.

§ 2 Теоретическое описание распределения числа Ричардсона. 87

§ 3 Основные результаты изучения изменений устойчивости

развивающегося плотностного потока. 91

Глава 5 Поле возмущений скорости плотностного течения с внутренней волной.

§ 1 Распределение возмущений по глубине, во времени и

вдоль по потоку. 92

§ 2 Вынужденная внутренняя волна. Дисперсионное соотношение и фазовая скорость. 94

§ 3 Влияние внутренней волны и вторичных течений на плот-

ностной поток, взаимодействующий с дном. 98

§4 Основные результаты. 100

Глава 6 Динамика плотностного течения и математическая модель его распространения.

§ 1 Результаты исследований распространения течений.

1. Горное водохранилище. 101

2. Равнинное водохранилище с сильным водообменом. 102

3. Равнинное водохранилище со слабым водообменом. 103 § 2 Одномерная модель распространения плотностного потока.

1. Основные теоретические подходы к описанию распространения плотностного потока. 105

2. Система уравнений модели. 106

3. Условия замыкания и решение системы уравнений модели. Апробация решения. 109

§ 3 Распространение загрязнений в зонах действия плотностного потока в равнинных водохранилищах. 112

§4 Резюме. 117

Заключение 118

Литература 119

Введение

Диссертация посвящена комплексным гидрофизическим экспериментальным и теоретическим исследованиям придонного плотностного течения. Основное внимание уделяется особенностям динамики и механизмам развития течения вдоль оси его распространения в горном и равнинном водохранилищах с разными интенсивностями водообмена. Разрабатываются математические модели потока и проверяются возможности их применения. Рассматриваются экологические аспекты решаемых задач.

Придонные течения, распространяющиеся под слоями вод меньшей плотности (см. схему, рис. В.1) в океанах, морях, озерах и водохранилищах, вызывают неуклонно возрастающий научный и практический интерес. С фундаментальными проблемами исследований придонных плотностных течений связаны задачи гидроэкологии, нефтегазодобычи, освоения рудных полезных ископаемых океана, прокладки подводных коммуникаций и гидротехнического строительства. По степени важности среди прикладных задач выделяются следующие:

> Прогноз загрязнения гидросферы естественными и техногенными примесями, включая продукты донной эрозии.

> Разработка методов прогноза и предотвращения заиления водохранилищ и судоходных каналов.

> Учет разрушительных воздействий плотностных потоков на подводные линии связи, трубопроводы и другие конструкции.

> Оценки влияния плотностных потоков на биосферу, на оптическую и акустическую проницаемость глубинных вод. Эти вопросы важны и для подводной навигации, для которой также необходимы данные о полях скоростей придонных течений.

Поверхность

------ ВвдоволвтоыевозиувдяяяШ.Л

ШЩ Вторичное вспьиивакноде течение (а)

Рис. В. I Схема плотностного потока с внутренней волной и вторичным течением. Обозначения: тонкая сплошная кривая - профиль скорости II: пунктир - профиль разности плотностей жидкости в потоке и над ним Ар. Остальные пояснения приведены на схеме.

Несмотря на важность построения теории плотностных течений, механизмы многих явлений, определяющих закономерности распространения этих потоков, еще не раскрыты. Основные физические проблемы связаны с многообразием структурных форм течений и видов энергомассообмена. Эволюция течения по мере его распространения зависит от устойчивости и типа стратификации, а также от параметров водоема, в котором распространяется поток (уклон дна, глубина, интенсивность общего водообмена). В равнинных мелководных водохранилищах усиливается взаимодействие плотностного потока с дреицювыми течениями, ^сооыс свойства придонный плотностной поток приобретает при повышенной концентрации взвеси. Течения, стратифицированные взвесью, могут распространяться в автосуспензионном режиме. Воздействие стратификации, ускоряющее течение и одновременно гасящее турбулентность, ограничивает энергобмен потока с вышележащими водами, обеспечивая автономное распространение течения.

На изучение отмеченных эффектов направлены многочисленные исследования. Среди основных трудностей выделяется ограниченность данных натурных измерений. По этой причине остается не ясным целый ряд механизмов массообмена в плотностном потоке, что в свою очередь затрудняет построение математических моделей в достаточной мере адекватных природным стратифицированным придонным течениям.

Распространение придонных стратифицированных течений в морях, озерах и водохранилищах сопровождается сильным взаимодействием этих потоков с дном и окружающей водной средой. Методы расчета таких течений, порой катастрофически мощных, далеки от необходимой степени со= вершенства. Причина - недостаточная изученность процессов развития скрытых в морских глубинах плотностных потоков.

Цель работы состояла в решении следующих задач:

* Выявление механизмов развития плотностного взвесенесущего потока,

взаимодействующего с дном и вышележащими водами.

у/ Т/Г^х/и^нм^ гтъгпглттът хл ^я^лнпм^^лртйм ^ипгтимгьтм трцрнна ыя

Л. Д. VIIIА »С Д.»^/ХХ^У XX 11 V V А »XI V/Х> I ^XXXI V X ^ X ^ ^Х/Х X А И/Х ХХМ

всем пути его распространения.

Построение математических моделей для анализа структурных особенностей, теоретического описания и расчета плотностного потока с теп-

мической и суспензионной стратификацией. ^ Выявление закономерностей и разработка методов расчета распространения примесей плотностными потоками.

Для решения таких задач в диссертации разрабатываются методы прогноза влияния плотностных потоков на вышележащие воды и дно с учетом воздействия нестационарных и прежде всего вихре-волновых процессов на динамику и структуру течения.

При выполнении данной работы проводились гидрофизические исследования плотностных течений в пяти экспедициях (в 1996-1998 г.г.) на Можайском водохранилище (Московская область), Иваньковском водохранилище (Тверская область) и озере Имандра (Кольский полуостров). Наряду с данными, полученными с прямым участием автора, в диссертации анализируются материалы многолетнего цикла измерений на Нурек-ском водохранилище (Таджикистан). С применением специальных приборов и методик получены не имеющие аналогов по содержанию, объему и детальности данные о структурных преобразованиях гидродинамических полей плотностных течений в равнинных водохранилищах с различными интенсивностями водообмена. Выявлены закономерности развития течений и разработаны методы их математического моделирования. Рассмотрены закономерности переноса примесей этими потоками.

Представленные результаты натурных и теоретических исследований получены экспедициями МГУ в плотностных течениях, которые соответствует их океаническим аналогам по масштабам скорости, толщины и разности плотностей жидкостей в потоке и над ним. Изучались плотност-ные потоки, которые формировались в водохранилищах (горном и равнинных) при интрузии холодных мутных речных вод в приемные бассейны. Принималось во внимание влияние стоковых течений и ветра на придонные стратифицированные потоки.

Приведенные в работе данные измерений получены с применением специально разработанного оригинального комплекса градиентной и зондирующей аппаратуры.

Характеристики аппаратуры по пространственно-временному разрешению, стабильности параметров и калибровок измерительных систем, а также методики натурных экспериментов, обработки и анализа данных обеспечивают надежность результатов измерений. Оценки погрешности

измерений свидетельствуют о достоверности и высокой степени обоснованности научных положений и выводов.

Выявленные закономерности надежно воспроизводятся при анализе и сопоставлении данных, зарегистрированных в ходе экспедиционных исследований.

Достоверность полученных теоретических выводов и аналитических решений подтверждается их согласием с материалами из базы данных, сформированной в этой работе, и с результатами других измерений.

Полученные результаты измерений и выводы о механизмах развития плотностных течений, разработанные теоретические методы расчета плотностных потоков и их воздействия на окружающую водную среду и дно могут быть применены в решениях задач гидроэкологии, освоения донных полезных ископаемых, прокладки подводных коммуникаций и гидротехнического строительства.

Эти методы позволяют определять границы областей загрязнения гидросферы, выбирать режимы эксплуатации ГЭС, прогнозировать заиление водохранилищ, оценивать нагрузки на подводные конструкции.

Полученные результаты и методы исследований могут быть полезны при изучении аналогичных процессов не только в водоемах суши, но и в морях и океанах.

Автор диссертации выполнил работы по модернизации измерительного комплекса аппаратуры. Принимал непосредственное участие в подготовке и проведении натурных исследований на Можайском (1996,1997,1998 гг.) и Иваньковском (1998 г.) водохранилищах, а также на озере Имандра (1998 г.). Анализ результатов выполнен лично и совместно с научным руководителем.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, содержит 79 рисунков и 3 таблицы. Список литературы вклю-

ЛТ 1 О Ф ТТ^ТГ* * ДТТАЛ лттттт» ПвЛ* 1 А^О П&П 1УХVXIЧАОЙПП_Г1 *

Во введении сформулированы цели работы, приведены характеристики актуальности, фундаментальной важности и современного состояния решаемой проблемы, дана постановка задач исследований, рассмотрены пути и методы решения проблемы, основные результаты и апробация работы, представлены структура и краткое описание содержания диссертации.

В первой главе проводится обзор результатов структурных исследо-

ваний плотностных течений. Рассмотрены результаты экспериментальных исследований плотностных потоков и теоретические подходы к описанию придонных потоков. Выполнен также обзор аппаратуры для измерений скорости течений, температуры воды и концентрации взвеси. Представлены основные методы натурных исследований плотностных течений.

Вторая глава посвящена описанию характеристик изучаемых течений и методов исследований этих потоков. В начале главы рассматриваются опорные полигоны: Нурекское, Можайское, Иваньковское, Имандров-ское водохранилища (горного и равнинного типа, слабо- и высокопроточные). Далее представлены измерительные системы и их технические характеристики с учетом особенностей комплексных натурных исследований, результаты которых положены в основу данной работы.

В третьей главе исследуется эволюция придонных течений по глубине, вдоль осей их распространения и в поперечном сечении. Проводится анализ результатов экспедиционных измерений, на основании которого делаются выводы об изменениях структуры гравитационного плотностного течения, в значительной мере определяющихся взаимодействием основного потока с вторичным придонным течением и внутренними волнами. Описывается математическая модель плотностного потока, позволяющая получить теоретическое распределение скорости течения по его длине и высоте. При этом учитывается одновременное влияние на поток плотност-ной стратификации, подвижности окружающей жидкости, взаимодействия струйной и придонной частей течения, вертикального распределения турбулентного напряжения, вовлечения и внутренней волны.

Четвертая глава посвящена исследованиям изменения гидродинамической устойчивости плотностного потока, взаимодействующего с дном и окружающими водами. Исследуется воздействие процессов переноса взвеси на устойчивость плотностного потока. Рассматривается изменение гид-

ТТТГТТО * ГТТТТЛ/^ТГ/ЛТГ т ГЛ1Т1ЛГТТТТ1ПГ\ЛТТГ татгаттп «Т Т» ТТ/-Ч ТТТ ТТЛ ГГЛТ</М;*Т Т ГТчла ТТ Т10 Т"» ттатто Л Г

рОДпгкгшп пч^схч^п ^ ч^ х игппоис 1 п 1^чспдл оДило ¿ш ц</1 ч^гч.. х хр^^д^ 1 авл^па

тодика теоретического описания распределения числа Ричардсона и дан анализ основных механизмов изменения гидродинамической устойчивости на опорных полигонах.

В пятой главе на базе данных измерений и с помощью теоретических распределений скорости течения получено поле возмущений скорости плотностного потока с внутренней волной. Показаны распределения возмущений скорости по глубине, во времени и вдоль по потоку. Дан анализ

развития и природы вынужденной внутренней волны. Проверено выполнение дисперсионного соотношения для выявленной внутренней волны на течении. Получена зависимость фазовой скорости внутренней волны от скорости течения. Рассматривается влияние внутренней волны на плотно-стной поток, взаимодействующий с дном.

Шестая глава посвящена динамике плотностного течения и включает математическую модель его распространения. Выполнен анализ результатов исследования особенностей развития течений в горном и равнинных водохранилищах со слабым и сильным водообменом. Представлена, разработанная одномерная модель распространения плотностного потока. Проведено сопоставление теоретических и измеренных параметров плотностного потока. Рассмотрены закономерности распространения взвесей в водохранилищах в зонах действия плотностных потоков.

В Заключении диссертации обобщены основные результаты выполненных исследований динамики развивающегося плотностного течения.

По результатам работы сделаны доклады на 12 всесоюзных и международных конференциях и семинарах. В том числе: на 4-й междунар. науч. конф. «Динамика и термина рек, водохранилищ и окраинных морей» (1994); на междунар. науч. конф. «Динамика атмосферы и океана» (1995): на всерос. науч. конф. «Воробьевы горы - 95» (1995); на междунар. науч. конф. «Физические процессы на океаническом шельфе» (1996); на 1-й всерос. науч. конф. «Взаимодействие в системе литосфера-гидросфера-атмосфера» (1996); на всерос. науч. конф. «Физические проблемы экологии (физическая экология)» (1997 и 1999); на междунар, науч, конф. «Стационарность и нестационарностъ стратифицированных и/или вращающихся потоков» (1997); на 3-ем междунар. конгрессе "Вода: экология и технологияЭКВАТЕК-98. (1998); на междунар. симп. памяти К. Федорова «Океанические фронты и сопутствующие явления» (1998); на междунар. науч. конф. «Стохастические модели гидрологических процессов и их приложение к охране окружающей среды» (1998).

Результаты диссертации представлены в 18 научных публикациях.

Глава 1

Обзор результатов структурных исследований придонных стратифицированных течений,

§ 1 Результаты натурных исследований плотностных течений. Придонные стратифицированные потоки.

Плотностные течения играют существенную роль в эволюции глубинных и поверхностных вод океанов, морей, озер и водохранилищ. Такие потоки относятся к классу градиентных, гравитационных, так как их динамика определяется разностью плотностей жидкости в потоке и вышележащих слоях воды. Именно этим фактором (слабое перемешивание с окружающими водами) объясняется распространение плотностных течений на расстояния до тысяч километров под влиянием тангенциальной составляющей силы тяжести и градиента давления.

Стратификация таких потоков обеспечивается соленостной, термической и суспензионной компонентами, определяющими плотность жидкости. Их распространение может наблюдаться как в придонной области, так и над слоями вод большей плотности. В случае стратифик