Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Гидрофизические процессы взаимодействия грунтовых, речных и морских вод

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Гидрофизические процессы взаимодействия грунтовых, речных и морских вод"

РГО Ом

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ВОДНЫХ ПРОБЛЕМ

На правах рукописи /УЛК 532:534:681.31/

Путырский Владимир Евгеньевич

ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГРУНТОВЫХ, РЕЧНЫХ И МОРСКИХ ВОД

Специальность 11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы,

■гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

МОСКВА - 1993

Работа выполнена в Институте водных проблем Российской Академии

наук

Официальные оппоненты:

Доктор географических наук, профессор - В.Н. МИХАЙЛОВ Доктор географических наук, профессор - А.И. ДУВАНИН Доктор геолого-минералогических наук - И.С. ПАШКОВСКИЙ

Ведущая организация - Институт водных проблем Севера Карельского Научного Центра Российской Академии наук.

Защита состоится "2У" 1993 г. в часов на заседании

Специализированного совета Д.003.37.01 в Институте водных проблем Российской Академии наук по адресу 107078, Москва, ул. Новая Басманная, д. 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института водных проблем Российской Академии наук.

Автореферат разослан 1993 г.

Ученый секретарь Специализированного совета доктор географических наук,

профессор * Б.С.ЗАЛЕТАЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Воды суши - важнейшее звено гидросферы. Изучение закономерностей поверхностного стока относится к основным направлениям исследований в науках о Земле.

В настоящее время в гидрологии становится все более необходимо описание гидрофизических процессов, протекающих в пограничных слоях. Однако пока удалось обнаружить лишь малую часть эффектов на границах сред: вода-берег, вода-дно, вода-атмосфера. В связи с этим актуальна проблема количественного анализа взаимодействия водных потоков в контактных зонах для различных пространственно-временных масштабов явления. Особое значение указанная проблема имеет в решении задач антропогенного загрязнения окружающей среды.

Цель и задачи работы. Сформулированные в диссертации вопросы посвящаются решению крупной научной проблемы - разработке теории гидродинамического взаимодействия водных потоков суши.

Целью диссертационной работы служит исследование структуры течений и процессов миграции загрязняющих веществ при контакте вод грунтовых и речных, речных и морских, а также в бассейне окраинного моря.

В задачи диссертационной работы входило: 1) исследование закономерностей стока, связанных с гидродинамическим взаимодействием потоков при разгрузке грунтовых вод в проточный водоем, с помощью численного моделирования; 2) выполнение анализа изменчивости параметров открытого турбулентного потока, береговой и донной фильтрации; 3) проведение сравнения полученных расчетным путем характеристик водных потоков с имеющимися данными экспериментальных и лабораторных наблюдений в придонной области водотоков; 4) изучение особенностей формирования качества воды в прирусловой зоне под влияни-

ем источников загрязнения поверхности почвы в условиях хорошей гидравлической связи фильтрационного и открытого турбулентного потоков; 5) исследование структуры полей течения, температуры, солености и изменчивости турбулентности в прибрежной зоне моря с помощью анализа экспериментальных наблюдений; 6) осуществление теоретической оценки антропогенного влияния на акваториях приустьевого взморья и сопоставление полученных расчетных данных с натурными; 7) обобщение сведений о циркуляции и режимообразующих факторах для описания взаимодействия водных потоков в бассейне окраинного моря;

8) исследование крупномасштабных динамических неоднородностей в регионе окраинного моря, соединенного проливами с океаном, на основе гидродинамического моделирования течений наибольшей повторяемости;

9) проведение анализа процессов динамической трансформации полей загрязняющих веществ в окраинном шельфовом море с помощью результатов гидродинамического моделирования циркуляции и материалов стандартных гидрохимических наблюдений.

Методика исследования построена на комплексном подходе. В качестве главного способа исследования выбран метод моделирования взаимодействия потоков грунтовых, речных и морских вод. При этом наряду с физическим моделированием; основанном на применении различного рода трассеров, используются результаты математического моделирования. Проводится анализ разнообразных натурных данных, характеризующих распределение гидрофизических параметров и концентраций техногенных примесей в водной среде.

Научная новизна. В работе предложена концепция взаимодействия потоков с различными гидрофизическими свойствами, основанная на изучении комплекса пространственно-временных масштабов в проблеме формирования стока и качества вод суши. В ходе исследований получены новые научные результаты для динамических систем грунт-водоток, приустьевого взморья и бассейна окраинного моря, имеющие как теоре-

тическое и методическое, так и практическое значение. При этом впервые :

- выполнено обобщение исследований по оценке взаимодействия потоков в изучении гидролого-гидрогеологических процессов;

- осуществлена физическая постановка задачи формирования качества грунтовых вод при взаимодействии двумерных открытого турбулентного потока в узком вытянутом водоеме и фильтрационного потока в насыщенно-ненасыщенной прирусловой зоне и получено численное решение задачи с учетом действия источников загрязнения поверхности почвы;

- выявлены закономерности пространственно-временной изменчивости фильтрационного и руслового течений, а также распространения примесей в прирусловой зоне при разгрузке грунтовых вод в проточный водоем;

- исследованы процессы турбулентного перемешивания речных и морских вод в районах прибрежного пограничного слоя моря с помощью разработанных способов прямого экспериментального определения параметров горизонтальной турбулентной диффузии;

- предложены теоретические методы анализа переноса примесей в прибрежной зоне моря, основанные на использовании натурной информации о структуре течений, стратификации, распреснении, турбулентном обмене, и осуществлена оценка антропогенного воздействия на некоторых акваториях приустьевого взморья;

- обоснованы принципы изучения гидрологических особенностей взаимодействия потоков в бассейне окраинного моря;.

- получены новые данные о крупномасштабных динамических неодно-родностях в регионе Балтийского и Северного морей с помощью гидродинамического моделирования интегральной циркуляции, включающего учет водообмена между ними через проливы Каттегат, Скагеррак и Датские, реальных морфометрических характеристик и климатической

информации о поверхностном стоке;

- определены районы перманентной аккумуляции в окраинном Балтийском море антропогенных загрязняющих веществ.

Степень личного участия автора в получении научных результатов, изложенных в диссертации. Основные научные результаты были получены автором при осуществлении плановых научно-исследовательских работ, ответственным исполнителем и руководителем которых он являлся.

Соискателем выполнены постановка и проведение ряда экспериментальных исследований циркуляционных процессов, предложены новые методики этих исследований. На основании проведенного анализа натурных данных разработаны и численно реализованы математические модели для оценки антропогенного воздействия в районах взаимодействия вод с различными гидрофизическими свойствами, а также организовано внедрение основных научных результатов.

Практическая значимость. Особое значение результаты исследования имеют для описания процессов в контактных зонах основных гидрологических динамических систем: поверхностного водотока, приустьевого взморья и окраинного моря. При этом рассматриваются явления взаимодействия потоков на границах раздела грунтовых, речных и морских вод, где натурная информация отсутствует, либо недостаточно полная для изучения процессов формирования стока и качества воды.

Разработанный вычислительный алгоритм решения задачи взаимодействия фильтрационного и руслового потоков, основанный на рассмотрении особенностей течения в зоне аэрации, насыщенной области грунта и открытом турбулентном потоке, позволяет исследовать многие закономерности разгрузки и подпора грунтовых вод, структуру течения в прирусловой зоне и поверхностном водотоке, а также характер распространения примесей от источников загрязнения поверхности почвы. Обнаруженные свойства турбулентной диффузии в прибрежной зоне моря и построенные на них расчетные методы оценки антропогенного влияния

в областях контакта речных и морских вод найдут также применение для крупных водохранилищ, больших озер и ряда внутренних морей. Описанные теоретические схемы водообмена, полученные при рассмотрении процессов взаимодействия потоков окраинного Балтийского моря с океаном, могут служить основой для дальнейших исследований циркуляции, климата и экологии.

Отдельные результаты и разработки, предложенные в диссертацион-.ной работе, внедрены в разделе госбюджетных научно-исследовательских тем, а также используются при научном обеспечении Волжского бассейнового соглашения и Государственной программы по очистке Балтийского моря от загрязнений затопленного химического оружия.

Автор выносит на защиту:

1. Концепцию взаимодействия потоков с различными гидрофизическими свойствами при формировании стока и качества вод суши;

2. Математическую модель распространения примесей в прирусловой зоне водотока, основанную на решении квазитрехмерной, нестационарной задачи совместного движения жидкости в насыщенно-ненасыщенном грунте и открытом турбулентном потоке;

3. Характеристику водообменных процессов, связанных с термогидродинамическим взаимодействием ветра, течений и турбулентности в прибрежной зоне моря;

4. Оценку антропогенного влияния в районах приустьевого' взморья с учетом натурной информации о структуре течений, изменчивости турбулентности, стратификации и распреснении;

5. Закономерности взаимодействия потоков в бассейне окраинного моря на примере теоретического анализа циркуляции в регионе Балтийского и Северного морей.

Достоверность научных положений диссертации обоснована совпадением полученных теоретических результатов с натурными наблюдениями течения грунтовых, речных и морских вод, а также данными косвенного

сравнения с выводами лабораторных экспериментов.

Апробация работы. Результаты исследований изложены более чем в 40 трудах и персональной монографии автора. Основные положения работы рассматривались на Ученом Совета ИВП РАН при утверждении темы докторской диссертации (25.04.89), докладывались на Международном симпозиуме по инженерной геологии шельфа и континентального склона морей (г.Тбилиси,1988 ), на Международном симпозиуме по гидрологии переувлажненных областей (г. Джонси, Финляндия, 1988), на 1 Советско-Американском симпозиуме по гидрогеологическим и гидрологическим проблемам охраны окружающей среды (г. Ленинград, 1990 ), на научном семинаре в ИПМ РАН под руководством академика П.Я.Кочиной (1992 ), на научном семинаре в Росгидрометцентре ( 1993 ). В полном объеме диссертация докладывалась на расширенном научном семинаре Отдела гидрогеологии ИВП РАН (04.02.93 ), а также, секции "Гидрофизика и экология" Ученого Совета ИВП РАН (27.04.93 ).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Она содержит 245 страниц машинописного текста, в том числе 46 рисунков и список литературы из 153 отечественных и 47 иностранных наименований.

Автор выражает благодарность академику РАН II. Я. Кочиной, за оказанное внимание к работе, чл.-корр. РАН М.Г.Хубларяну за постановку цели исследования и обсуждение основных его этапов, докторам г.-м.н. И.С.Зекцеру и Р.Г.Джамалову за поддержку и ценные советы, а также сотрудникам ИВП РАН, помогавших в проведении исследований и анализе полученных результатов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности темы диссертационной работы. Формулируются цель и задачи, пути и методы исследования.

В первой главе рассматриваются используемые методы количественной оценки гидролого-гидрогеологических процессов. Анализируются современные научные тенденции в изучении динамических характеристик водообмена. Отмечается, что многие закономерности формирования стока к настоящему времени экспериментально определены и теоретически описаны / Г.П.Калинин, С.Ф.Аверьянов, Г.В.Воропаев, В.М.Шестаков, И.А.Шикломанов, М.А.Картвелишвили, Д.Я.РаткоЕич, Л.С.Кучмент, И.С.Пашковский, Иглесон, Чайлдс, Андерсен, Берт и др./. Однако получение обоснованных количественных оценок параметров гидролого-гидрогеологических процессов и сегодня представляет сложную научную проблему. Наряду с натурными изысканиями ее изучение связывается с теоретическими подходами, основанными на различной степени детальности обобщения природных явлений.

Обширные исследования разнообразных свойств течений проводятся хорошо разработанными аналитическими методами. С их помощью решаются многие научные и технические вопросы геофильтрации и русловой динамики. Наибольшее значение они имеют для изучения проблем, допускающих идеализированное представление объектов исследования. При решении практических задач приходится сталкиваться с дефицитом репрезентативной натурной информации, экономических возможностей и времени. В этой ситуации гидрологами и гидрогеологами часто используются различные полуэмпирические модели, основанные на понимании главных законов водообмена. Вместе с тем нестационарная и нелинейная сущность движения подземных и поверхностных вод более полно исследуется приближенными численными методами расчета открытых и закрытых водных потоков.

Задача фильтрации грунтовых вод формулируется для определения величины гидравлического напора и выводится из рассмотрения уравнений неразрывности и Дарси с учетом условий изотермии пористой среды и однородности жидкости. При изучении подземного стока, создаваемо-

го горизонтальным движением грунтовых вод, обычно предполагается, что грунт дренируется мгновенно и в его верхнем слое влаги не остается. Фильтрация жидкости определяется с учетом допущения о пренебрежимо малом изменении напора по вертикали и описывается с помощью уравнения Буссинеска. В этом случае анализируется лишь движение свободной поверхности грунтовых вей- Рассмотрение профильной фильтрации наряду с эволюцией депрессионной кривой позволяет изучать вертикальную структуру течения грунтовых вод. Одновременно с применением упрощенных постановок здесь развивается подход, в котором фильтрация описывается с помощью уравнения Лапласа с нелинейным условием на неизвестной свободной границе. Причем фильтрационное течение в насыщенной области грунта определяется путем последовательного численного решения двух уравнений: для однородной и изотропной пористой среды решается уравнение Лапласа, а для свободной границы потока решается уравнение перемещения депрессионной кривой. Вместе с тем из изучения физики процесса фильтрации в реальных условиях следует, что существует непрерывность в фазах жидкости между насыщенной зоной и ненасыщенной по вертикали. Именно поверхность почвы представляет верхнюю границу области фильтрационного течения, а не уровень депрессионной кривой, принимаемый за верхнюю границу воды в большинстве задач. Влияние движения в ненасыщенной зоне на общий поток грунтовых вод может быть весьма существенным, особенно для водонасыщенной зоны небольшой мощности и в случае тонкозернистых грунтов. В связи с этим делаются отдельные попытки учета зоны аэрации при решении задач фильтрации грунтовых вод.

В моделях, не учитывающих движение в зоне неполного насыщения, обычно задается коэффициент водоотдачи (недостатка насыщения), а также скорость притока (оттока) из зоны аэрации в грунтовые воды. Вводятся дополнительные предположения для ненасыщенной зоны о неизменности формы профиля влажности при приближенном учете горизон-

тального потока путем увеличения водонасыщенной мощности пласта на некоторую величину, которые также являются довольно условными. Иногда зона аэрации представляется в виде отдельной подобласти, через которую осуществляется инфильтрационное питание, но при этом отмечается некоторая, неопределенность в задании изменяющихся во времени граничных условий. Стыковка решений уравнения вертикального влагопереноса и уравнения Буссинеска требует реализации дополнительного вычислительного алгоритма. Кроме того горизонтальные перемещения влаги в зоне аэрации не учитываются, исходя из предположения об их малости, что неверно для мест выклинивания грунтовых вод и прирусловых областей. Здесь горизонтальные градиенты напора значительны и ими нельзя пренебрегать. В результате для изучения многих проблем фильтрации необходимо в полной мере учитывать непрерывность переноса воды во всей толще грунта. Для этого формулируется непростая задача насыщенно-ненасыщенной фильтрации. Ее особенностью является определение границы раздела между насыщенной и ненасыщенной зонами грунта в различные моменты времени из решения общей задачи фильтрации грунтовых вод.

Наряду с фильтрацией жидкости в пористой среде другая основная часть задачи формирования стока-заключается в характеристике открытых потоков. В условиях, когда интенсивность выпадающих дождевых осадков превышает скорость инфильтрации, преобладает поверхностное склоновое стекание. В первоначальных исследованиях оценивалась лишь площадь области склонового отекания. Современные методы изучения стока преимущественно основываются на гидродинамическом описании склонового стекания: в наиболее полном виде рассматривается нестационарный водный поток в двухмерном представлении. Давление в слое стекающей жидкости выражается в квазистатическом приближении, а скорость инфильтрации обычно задается постоянной. При моделировании стекания используются некие стилизованные представления о склоне и

задачи ■ отекания решаются при существенно сглаженной топографии рельефа водосборной поверхности. Русловой сток традиционно описывается в виде одномерных уравнений неустановившегося течения жидкости, впервые полученных еще Дж.К.Б.де Сен-Венаном в 1871 г. Исходная система уравнений для сохранения массы и моментов представляет собой квазилинейные гиперболические уравнения с двумя зависимыми и двумя независимыми параметрами. Система уравнений становится замкнутой только в случае предположения, что поток является квазиоднородным и тогда существует закон, связывающий скорость течения с параметрами "шероховатости". Наиболее употребляемыми способами замыкания данной системы уравнений служат зависимости типа соотношений Маннинга, Шези и Дарси-Вейсбаха. Вместе с тем используются многие другие зависимости эмпирического типа, так как ни одна не носит универсального характера ввиду нелинейного изменения параметров трения и колебаний расхода водного потока во времени.

Таким образом, традиционно применяемые для изучения динамических характеристик гидролого-гидрогеологических процессов методы в основном базируются на использовании моделей, сформулированных относительно свободной границы водных потоков. При этом определяются лишь отметки уровня свободной поверхности и среднее по сечению значение скорости течения, что значительно сужает круг решаемых задач. В первую очередь это относится к исследованиям вертикальной неоднородности течений и процессов формирования качества воды. Так как аппроксимация нелинейных членов уравнений существенно затрудняет численное интегрирование, то при реализации базовых алгоритмов задач подземного и поверхностного стока целый ряд нелинейных членов уравнений отбрасывается, а оставшиеся линеаризуются. Радикально уменьшается размерность уравнений динамики подземных и поверхностных вод. Однако для познания физики недостаточно изученных гидролого-гидрогеологических явлений требуется создание сложных (исследо-

вательских) моделей.

Помимо описания структуры течений и применения детализированных алгоритмов в настоящее время актуальна проблема количественной оценки взаимодействия грунтовых и речных вод. Ключевым вопросам изучения взаимного влияния открытых и закрытых водных потоков посвящается вторая глава. В ней анализируется опыт натурных и теоретических исследований взаимодействия потоков подземных и поверхностных вод.

В природе подземные и поверхностные воды находятся в тесной взаимосвязи. Но до недавнего времени оценка влияния поверхностного стока на гидрогеологические процессы прилегающих территорий и оценка обратного влияния фильтрационных потоков на поверхностный сток проводились независимыми методами. В то же время согласно имеющимся экспериментальным данным роль взаимодействия гидравлически связанных русловых и фильтрационных водных потоков в формировании гидрографа поверхностного стока весьма существенна /Б.И.Куделин, И.С.Зек-цер, В.М.Шестаков, М.И.Львович, Д.А.Манукян, Склэч, Фарволдэн, Вал-тон, Линслей, Де Уист и др./

Многочисленные гидрометрические' измерения в речных бассейнах позволили установить наличие специфических свойств взаимосвязи подземных и поверхностных вод на отдельных участках рек, выявить еоны влияния особых условий формирования подземного стока. С помощью ра-диоизотонных методов было также установлено.что грунтовые воды могут составлять от 50% и более гидрографа стока, а при резких подъемах уровня вод в открытых водотоках подземное питание уменьшается в результате подпора грунтовых вод. Естественно, что при решении многих гидролого-гидрогеологических задач необходимо совместное рассмотрение условий формирования подземного и поверхностного стока.

Хозяйственное использование водных ресурсов, повсеместно связанное с регулированием стока, неизбежно сказывается на водообмен-

ных процессах прилегающих территорий и ведет к изменениям их водного режима. Для прогнозирования последствий антропогенного воздействия на водную среду и изучения альтернативных гидротехнических решений также необходимо учитывать явления взаимодействия подземных и поверхностных вод. Особую важность анализ этих явлений приобретает для районов с переувлажненными почвами, при наличии галечниковых, песчаных и известняковых пород, т.е. именно там, где наблюдается хорошая гидравлическая связь грунтовых вод с открытыми потоками.

' Традиционный подход к определению составляющих стока и изучению взаимодействия водных потоков в районах с дренирующим воздействием рек основывается на применении различных полурасчетных способов генетического расчленения гидрографов. В большинстве случаев исходят из того, что устойчивая межень формируется только за-счет подземного стока. С помощью экстраполяции кривой истощения подземного питания реки после паводка получают точку окончания поверхностного отекания и кривую подземного питания. Однако время наступления подземного стока и форма кривой его подъема принимаются произвольно. Кроме того гидротехнические сооружения на реках существенно затрудняют или даже исключают возможность применения методов расчленения гидрографов поверхностного стока в проблеме изучения взаимодействия водных потоков. Не представляется также возможным проанализировать степень воздействия речного стока на подземное питание в прирусловой области водотоков. Оценка взаимосвязи подземных и поверхностных вод в долинах рек часто сводится к определению дополнительного фильтрационного сопротивления ложа, отождествляемого с величиной некоторого параметра ЛЬ. При этом простое сведение понятия фильтрационного сопротивления ложа к дополнительному отрезку, удлиняющему пласт и сдвигающему урез реки, не отражает гидродинамических особенностей фильтрации при контакте поверхностных и подземных вод. Сравнительно новые гидрохимический й изотопный методы оценки прито-

ка подземных вод в реку, базирующиеся на сопоставлении общей минерализации поверхностных, подземных и речных вод в разные сезоны года, можно считать более научно обоснованными. Но, в целом, обычные гидролого-гидрогеологические способы оценки элементов стока, несмотря на всю их практическую ценность, недостаточно точны для исследовательских целей. Применяемые методики не позволяют изучать физическую природу и количественные показатели взаимосвязи подземных й поверхностных вод на отдельных участках рек.

С работ Р.Фриза все активнее развиваются теоретические исследования данной научной проблемы /З.Н.Добровольская, Г.Г.Епихов, П.П.Корявов,М.М.Моисеев, М.Г.Хубларян, 0.0. Юшманова, С.Н. Антон-цев, А.А.Кашеваров, Пури, Кунингхам, Синклер/. При теоретическом изучении вопросов взаимосвязи подземных и поверхностных вод ставится задача гидродинамического описания взаимодействия фильтрационных и открытых водных потоков. Основным методом исследования служит математическое моделирование, отличительной чертой которого является одновременное определение характеристик грунтовых и русловых течений из единой гидродинамической модели путем сопряжения решений для рассматриваемых сред по граничным условиям. В качестве базовых уравнений обычно используются уравнения Буссинеска и Сен-Венана, но, как показано, они не позволяют анализировать внутреннюю структуру взаимодействующих водных потоков. Многие из гидрофизических свойств водообмена между почвенными, подземными и поверхностными водами по-прежнему остаются не изученными. Поэтому для дальнейшего продвижения исследований взаимодействия требуется более физически адекватное описание особенностей фильтрационных и русловых течений.

В третьей главе проводится исследование гидродинамического взаимодействия потоков для условий прирусловой области проточных водоемов. Выполняется оценка миграции растворенных веществ в грунте от ряда источников, расположенных на поверхности почвы.

Теоретическое изучение переноса примеси в почвогрунтах основывается на описании конвективной диффузии растворенных веществ при найденных- значениях скоростей фильтрации и параметров дисперсии. В исследованиях распространения примесей в прирусловой области водотоков, где уровень вод претерпевает значительные колебания во времени, необходим учет пространственно-временной изменчивости течений взаимодействующих фильтрационного и руслового потоков. Большое практическое значение при этом имеет выполнение оценок распространения в грунте техногенных загрязняющих веществ с поверхности почвы.

Впервые физическая постановка задачи взаимодействия двумерных открытого турбулентного потока в узком вытянутом водоеме и фильтрационного грунтового потока осуществлена в работе М.Г.Хубларяна, В.Е. Путырского и А.П. Фролова (1987), а численное ее решение с учетом фильтрации через дно водоема дано в работе М.Г. Хубларяна и В.Е. Путырского (КЬиЫаПап, РиЬугэкН, 1988). В рассматриваемой нами проблеме распространения загрязняющих веществ в прирусловой области при движении вязкой несжимаемой жидкости в системе грунт-открытый водоток для открытого потока используются уравнения Рейнольдса, замкнутые с помощью полуэмпирической теории турбулентности. Фильтрация описывается с помощью единой подмодели, учитывающей насыщенную и ненасыщенную зоны. Взаимодействие между закрытыми и открытыми водными потоками осуществляется на границе грунта и русла водотока. Гипотетическое загрязняющее вещество обладает свойствами пассивной консервативной примеси, а действие ее источников задается дельта-функцией Дирака.

С учетом принимаемых допущений процесс переноса примеси в прирусловой области представляется в следующем виде:

5С 6 6С 5 5С 5С 5С

д — = — 0(У) — + — ОСУ)--У2— - Уу— ; (1)

51 5г 52 5у 5у 52 5у

с!8 5¥ 5 5? 3 57 (1К5?

--= — СК(?)—] + — СК(?)—] +--; (2)

(1¥ 51 5у 5у 5г 5г с!¥ 5г

52и

Е [---1] = у2 ; (3)

бх

г 5Ф 2 ф К — йг 5и ■'г бу

— + — =--; (4)

бх 52 В £,(и

Р = рг С £,а) - г 3; (5)

£,а) = Н + (6)

где х,у,2 - координаты (в прямоугольной системе); Ь - время; II и V/ - компоненты скорости течения в водоеме; В и 1 - ширина и постоянный уклон дна водоема; г - ускорение свободного падения; Р и р -давление и плотность жидкости в открытом потоке; - коэффициент вертикальной турбулентной вязкости; £,, с,, Н - уровень воды, возмущение свободной поверхности и глубина в открытом потоке; 0 и У -объемное содержание жидкости и гидравлический напор в грунте; С -концентрация вещества; и Уу - компоненты скорости фильтрационно-

го течения; ц, К(У) и 0(У.) - коэффициенты пористости, фильтрации и дисперсии примеси в грунте.

Сформулированная задача решается при заданных начальных и граничных условиях на водоупоре и краях толщи грунта, на поверхности руслового потока и на дне водотока, в точках начала и конца исследуемого участка руслового потока. Компоненты скорости фильтрационного переноса примеси определяются через зависимость их от потенциала Ф = ¥ + 2, значения которого считаются известными из совместного численного анализа фильтрационной и русловой подзадач. Решение ищется в безразмерном виде, для чего вводятся характерные масштабы течения жидкости в пористой среде, открытом водотоке и миграции примеси в грунте:

х = х'Ь ; у = у'1 ; г = ;

У2 = У2' Ко; Уу = Уу' Ко; ООО = О' (V) в К0; Ь = V Т, (7)

где 104 м; 1 = 1 м; 6 = 1 м; Т = 105 с; Ко = Ю-4 м/с.

Указанным масштабам явлений, в частности, удовлетворяют гидролого-гидрогеологические условия рек Ловати, Сороти, Волхова, Нарвы, Тосны, каналов Сайменского и Новоладожского, а также многих проточных водоемов. Расчетная область представляется в виде набора сочлененных, сеточных пространств. Она содержит 10 (фильтрационных) вертикальных сечений, перпендикулярных к оси водотока, размером 61 х 26 узлов и 1 (русловое) вертикальное сечение, ориентированное по оси водотока, размером 11x4 узлов. Таким образом, в вычислениях используется около 16 ООО расчетных точек. Последнее обстоятельство накладывает определенные требования на хранение и выборку информации при работе на ЭВМ, а также ее мощность.

Проведенные исследования, в основном, относятся к изучению эффектов гидродинамического взаимодействия водных потоков и их влия-

ния на распространение техногенных примесей в прирусловой области. Наибольший интерес вызывают процессы, связанные с интенсивной разгрузкой грунтовых вод в проточный водоем. Такие условия создаются при регулировании'речного стока, осуществлении некоторых гидротехнических мероприятий, а также вызываются природными факторами. Значительные изменения расхода воды в реке или канале приводят к дестабилизации положения уровней открытого и подземного потоков и, как . Следствие, к разгрузке грунтовых вод. При этом активизируются процессы миграции примесей, представляющие угрозу антропогенного загрязнения природной среды. Взаимодействие потоков анализируется до момента восстановления баланса гидравлических напоров в системе грунт-открытый водоток. Как следует из результатов проведенных расчетов, в первоначальный период разгрузки образуется зона неполного насыщения в поверхностном слое почвы вблизи береговой линии. Ширина этой зоны -20 м, толщина (величина заглубления от поверхности почвы) составляет 0.3-0.5 м, а ее максимальные значения располагаются у берега. По распределению векторов скорости течения прослеживается структура потока фильтрующейся жидкости в толще грунта: . в прибрежной полосе поток- грунтовых вод направлен под углом 45° к руслу сверху вниз, а в придонной области грунта он имеет малые углы относительно донной поверхности. Под воздействием разгрузки грунтовых вод наблюдается изменение динамики руслового потока. В поверхностном водотоке отмечается постепенное возрастание возмущения свободной поверхности открытого потока от точки, соответствующей началу зоны фильтрации грунтовых вод, до точки, соответствующей концу этой зоны. Превышение уровня за счет фильтрационной приточности в водоеме вниз по течению составляет величину равную 30 см на 50 км. Изменение структуры руслового потока при взаимодействии грунтового и поверхностного стока можно проследить из рассмотрения расчетных данных о распределении горизонтальной скорости течения: вертикаль-

ные профили скорости течения в открытом водотоке различаются между собой на отдельных участках фильтрации грунтовых вод.

В последующие моменты времени происходит дальнейшее изменение полей течений подземных и поверхностных вод. Однако темпы перестройки гидрофизических полей постепенно замедляются по мере приспособления уровней. В конце периода разгрузки грунтовых вод ненасыщенная зона в основном располагается в слое почвы толщиной 1-2 м и значительно заглубляется у берегов водоема. Поток почвенной влаги в верхнем слое грунта направляется к берегу почти горизонтально по отношению к поверхности. В открытом водотоке рост уровня вниз по течению достигает 1 м на 50 км. Этим вызвано увеличение гидростатического давления открытого потока и образование подпора грунтовых вод на определенных участках русла, а также изменение горизонтальной скорости течения в проточном водоеме из-за изменения наклона уровенной поверхности.

Анализ распространения примеси в прирусловой области, осуществляемый для случая интенсивной разгрузки грунтовых вод, предполагает наличие тесной гидравлической связи между подземными и поверхностными водными потоками. При этом вычисляются распределения относительной концентрации примеси е грунте от условных источников загрязнения, расположенных на поверхности почвы. Первый источник помещается в начале прирусловой области фильтрации. Распространение примеси вглубь почвы от этого источника оказывается невелико. Под влиянием разгрузки здесь наблюдается быстрое понижение депрессион-ной кривой, что приводит к отрыву потока грунтовых вод от поверхностного источника примеси. Второй из рассматриваемых источников сосредоточен в средней части прирусловой области фильтрации. В этом случае происходит более существенное по сравнению с предыдущим загрязнение верхнего слоя грунта, имеющее характерную вытянутость изолиний концентрации примеси вдоль границы раздела насыщенной и нена-

сыщенной зон грунта. Третий источник загрязнения располагается в конце рассматриваемой 50-ти километровой переувлажненной прирусловой области. В месте его расположения наблюдается значительное распространение примеси в грунте в результате взаимодействия подземных и поверхностных потоков. На данном участке происходит сильно выраженный подпор грунтовых вод и их уровень снижается медленно. Тем самым загрязняющее воздействие третьего источника проявляется сравнительно долго. Особенности динамики грунтовых вод в зоне подпора приводят к заглублению примеси и к последующему смещению ее облака в сторону русла водоема. Таким образом, из проведенного анализа расчетных данных следует, что возникающая в результате взаимодействия водных потоков пространственно-временная неоднородность стока может приводить к аномалиям распространения загрязняющих веществ в отдельных районах прирусловой области водоемов.

Процессы взаимодействия подземных и поверхностных вод давно изучаются гидрологами и гидрогеологами. Сегодня известны многие его свойства, например, такие, как образование депрессионных воронок, увеличение горизонтальной составляющей скорости фильтрации в зоне депрессионной кривой, изменение направления грунтового потока при колебаниях уровня в реке, канапе или -дрене. Отмеченные свойства взаимодействия, известные из натурных наблюдений, находя.т отражение в результатах проведенных нами расчетов динамических характеристик жидкости и распространения примеси в прирусловой области проточных водоемов. Другие свойства согласуются с материалами лабораторных экспериментов по исследованию взаимосвязи русловых и подрусловых потоков и изменчивости структуры течения в придонной области /Л.Г.Рубинштейн,И.Г. Круашвили, В.К. Дебольский, Д.О. Губеладзе, Биверс, Джозеф, Накагава, Тзуимото, Накано и др./. В частности, в опытах японских ученых регистрируются систематические отклонения вертикальной эпюры скорости течения в открытом водотоке от некото-

рого среднего положения, связанные с фильтрационными потоками на границе раздела двух сред. Эти эффекты взаимодействия качественно совпадают с полученными результатами численного моделирования совместного движения грунтовых и русловых потоков.

Наряду с процессами взаимодействия фильтрационных и русловых потоков в гидрологии суши важное место отводится изучению взаимодействия речных и морских вод. Ключевые его аспекты рассматриваются в главе четвертой. Если движение открытых и закрытых водных потоков, проанализированное в предыдущих главах, происходит приблизительно с равным взаимовлиянием, то взаимодействие речных и морских вод осуществляется при относительно большем воздействии стока рек. Влияние морских вод на развитие стока с суши проявляется только в сравнительно узкой береговой зоне, о чем более подробно говорится в работах по изучению интрузии соленых вод моря в прибрежные водоносные горизонты и речные устья, а также, отчасти, в теории штормовых нагонов /Р.В.Мокрик, В.Н.Михайлов, М.Г.Хубларян, А.П. Фролов, Н.В. Тимофеева, Л.А.Оганесян, C.B. Сивашинский, Г.А.Кругляк, К.С. Померанец, Р. В. Пясковский, Педлоски, Бэр, Заславски, Ирмей, Пиндер, Купер/. Речной сток как один из основных взаимодействующих элементов морской системы участвует в формировании гидрофизических неод-нородностей.различного масштаба. Ряд свойств взаимодействия речных и морских вод проявляется при их непосредственном контакте: в районах прибрежного пограничного слоя моря.

Воздействие речного стока на турбулентный водообмен в прибрежной зоне моря весьма значимо. На современном этапе развития науки оценка этого воздействия может осуществляться с помощью некоторых способов натурного моделирования диффузионных процессов, а также специальных расчетных детерминистических и вероятностных методов. Диффузионные процессы в море, как правило, исследуются на основе применения аппарата статистической теории турбулентности. Основными

вводимыми при этом понятиями являются автокорреляционная функция и энергетический спектр, построенные для составляющих скорости течения. Важнейшей характеристикой турбулентного перемешивания вод служит также турбулентная вязкость. В общем виде турбулентная вязкость выражается в виде произведения скорости перемещения элементарного объема жидкости на некоторое расстояние, которое проходит этот объем до смешения с окружающими его водами. Данная гипотеза, введенная еще Прандтлем, лежит в основе большинства зависимостей для определения параметров турбулентной диффузии. Вместе с тем в настоящее время используется подход, основанный на непосредственном экспериментальном определении коэффициентов турбулентной диффузии. Эти коэффициенты, характеризуя процессы турбулентного перемешивания вод в различных масштабах» отображают природу турбулентного рассеивания в море таких основных гидрофизических элементов, как температура и соленость, а также веществ гидрохимического и гидробиологического происхождения. При изучении взаимодействия речных и морских вод возникает необходимость определения коэффициентов горизонтальной турбулентной диффузии в прибрежной зоне моря и, в особенности, в районах приустьевого взморья.

В рамках статистической теории турбулентности наиболее прогрессивным методом нахождения коэффициентов горизонтальной турбулентной ди1||фу.-!ии янлянтоя метод, осноьчнный на использовании сведений о величине скорости диссипации турбулентной энергии. Методика ее определений по эйлеровым характеристикам в прибрежной зоне морей, а также крупных озер и водохранилищ дается в трудах A.C. Монина. A.M. Айтсама, В.И.Иванова, Ю.Д.Михайлова, H.H. Филатова, Е.В. Борисова и употребляется нами для изучения изменчивости турбулентности в ряде районов прибрежного пограничного слоя моря. Вместе с методами статистического анализа эйлеровых характеристик течений в исследованиях процессов взаимодействия потоков нами используются различные ва-

рианты натурного моделирования диффузионных процессов. Многие важные результаты по турбулентной диффузии в районах прибрежного пограничного слоя внутренних морей получены с помощью пятен и струй красителей и рассматриваются в работах Р.В.Озмидова, В.К. Астока, А.Д. Киричека, Кулленберга, Хела, Войпио и др. Эффективный способ натурного .моделирования, применяемый в наших исследованиях турбулентности и структуры прибрежных течений, - способ, основанный на обработке информации слежения за свободно плавающими частицами, или как их еще называют, дискретными индикаторами. Несмотря на активное использование натурного моделирования при изучении процессов турбулентности различными авторами, методика проведения этих наблюдений нестандартна и в каждом конкретном случае имеет ряд принципиальных особенностей. Поэтому наряду с данными измерений в диссертации проводится обсуждение главных методических вопросов постановки и проведения подобных опытов.

Полученная зависимость коэффициента горизонтальной турбулентной диффузии от масштаба явления в экспериментах с флюоресцирующими трассерами в юго-восточной Балтике на Еыходе из Куршского залива в общем согласуется с законом диффузии Ричардсона степени 4/3. Однако значения коэффициента, составляющие /104- 10бсм2.с~У, оказываются примерно на порядок выше, чем для соответствующих масштабов явления других прибрежных акваторий моря, не связанных с распространением речных вод. Материалы наблюдений и дополнительная информация о распределении температуры, солености, векторах течений на различных горизонтах, ветровом воздействии и характеристиках смешения берегового стока с морскими водами позволяют проанализировать общую картину формирования циркуляции в результате взаимодействия ветра, течений и турбулентности в прибрежной зоне моря.

В опытах с дискретными индикаторами наряду с характеристиками рассеивания наблюдались траектории перемещения регистрируемых объ-

ектов на большие расстояния. Такие исследования, в частности, выполнялись в Рижском заливе, в районе впадения крупнейших рек бассейна Даугавы, Гауи и Лиелупе. Здесь также исследовались параметры турбулентности, структура прибрежных течений и процессы взаимодействия вод с различными гидрофизическими свойствами. На основе проведенного анализа экспериментальных данных впервые описываются инерционные колебания в Рижском заливе в лагранжевых координатах и дается пространственная картина развития инерционных течений. Полученный сравнительно меньший разброс точек измерений, чем в опытах с флюоресцирующими трассерами, объясняется более высокой точностью определения границ диффундирующего облака частиц, регистрируемых с помощью предложенной методики судовых наблюдений. Путем всестороннего изучения , установлено, что известная для локально-изотропной турбулентности зависимость коэффициента горизонтальной турбулентной диффузии от масштаба явления Кх~1п , где п - 4/3 выполняется в случае преобладающего воздействия речного стока лишь для размеров вихревых образований -1-10 м и свыше 5 • 103 м. В промежуточной области масштабов, совпадающей с областью инерционного интервала, показатель степени п становится несколько большим, что свидетельствует о возрастании роли горизонтального турбулентного перемешивания. Именно в соответствующей полосе частот происходит основной водообмен между крупномасштабными и мелкомасштабными вихревыми образованиями и наблюдается взаимодействие морских и речных вод.

Полученные сведения о турбулентной диффузии дополняют имеющиеся физические представления о развитии водообменных процессов в прибрежной зоне моря. Усиление горизонтальной диффузии при взаимодействии речных и морских вод объясняется специфическими чертами стратификации, при которых большая часть энергии турбулентности расходуется на горизонтальный обмен. Кроме того морфометрические особенности районов приустьевого взморья нередко создают благоприятные

условия для развития турбулентности за счет потери устойчивости струи вдоль берегового течения, здесь же происходит более интенсивное разрушение внутренних волн.

Пятая глава посвящается теоретическому описанию переноса примесей в районах приустьевого взморья. Как следует из материалов гидрохимических съемок, наибольшие значения концентрации загрязняющих веществ регистрируются в прибрежной зоне моря в местах сосредоточенного притока пресных вод. В связи с этим отдельные районы, известные из наблюдений как зоны поступления загрязняющих веществ, могут рассматриваться в качестве локальных, постоянно действующих источников загрязнения морской среды. В диссертации проводится анализ методов расчета турбулентного рассеивания загрязняющих веществ в прибрежной зоне моря, развиваются теоретические способы оценки переноса примесей и проводится изучение антропогенного влияния, связанного с поступлением в море сильно загрязненных речных вод.

В детерминистической постановке важным вопросом является определение пространственно-временных масштабов, каким будут соответствовать найденные численные решения задачи переноса. Целесообразно ограничиваться усреднением в ней главных энергонесущих флуктуации скоростного поля соответствующих масштабов. Для этого временной период усреднения задается больше лагранжева масштаба времени турбулентных возмущений XI поля скорости течения, обусловливающего распространение примеси на рассматриваемой акватории. Временному неравенству соответствуют пространственные неравенства, определяющие область, вне которой движение частиц являются независимыми и применение полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии является корректным. Такие оценки проводятся нами с помощью экспериментальной информации о пределах изменения для верхнего слоя прибрежной зоны Балтийского моря. С учетом найденных параметров усреднения моделируется турбулентное рассеивание примесей от береговых источни-

ков загрязнения морской среды. В частности, оценка распространения примесей выполняется для района выхода из Куршского залива, в который поступают загрязненные воды р. Неман.

Расчет распространения загрязненных вод проводится с помощью уравнения переноса следующего вида:

50 5С 5 50 поре б~С

и(х,у) — + У(х,у) — = — «1— +--? (8)

5х 5у бх бх ¡^бр/бг бг^ ,

где С - концентрация примеси; и, V - горизонтальные составляющие вектора скорости течения; Кх -коэффициент горизонтальной турбулентной диффузии; по - безразмерный параметр; р - плотность морской воды; в - скорость диссипации турбулентной энергии:

В процессе численного решения задачи с заданными граничными условиями вводится сеточная область с переменным пространственным шагом, что позволяет учитывать ряд особенностей распределения гидрофизических характеристик в прибрежном пограничном сл"ое моря. При этом пространственный масштаб усреднения данных о течении ставится в соответствие величинам коэффициента горизонтальной диффузии. Тем самым делается попытка избежать типичного недостатка, свойственного этому классу моделей и связанного с априорным выбором масштаба усреднения ь=сопз1 уравнения турбулентной диффузии, в результате расчетов получено поле значений относительной концентрации примеси в поверхностном слое моря и определена область распространения загрязненных вод при типичной гидрологической ситуации.

В случаях недостаточно полной информации о течениях и параметрах турбулентного обмена исследование процессов взаимодействия морских и речных вод возможно осуществлять с помощью специальных вероятностных методов. Примером такого исследования служит выпол-

ненное рассмотрение изменчивости стока р.Даугавы'и солености вод Рижского залива. Оно позволяет давать оценку антропогенного влияния, если рассматривать соленость в качестве некоторого естественного трассера. Поле солености в заливе существенно неоднородно и может описываться с помощью функции пространственных координат г(х.у,г) и времени t в виде ряда:

С3 (г,и = Е ак (I) ¥к (г) , (9)

к

где (г) - система ортонормированных базисных функций с коэффициентами разложения а^(Ь) .

Такое представление данных выделяет пространственную и временную изменчивость процесса. Анализ производится с помощью естественных ортогональных составляющих - собственных векторов корреляционной матрицы К3(Ггзначений солености в точках п.г^ для маловодного и среднего за двадцатилетний период годов. При найденных базисных функциях Ук (г) построение статистической связи между речным стоком и соленостью С3(п Д) на акватории залива сводится к нахождению связи между и коэффициентами ак(Ь). Из наличия когерентных колебаний между и ах (и следует, что связь между ними существует .и может аппроксимироваться линейной регрессионной зависимостью между соленостью в 1 -ой точке и речным стоком:

С!3(г1) = («хК+01) ?1(п). (10)

где «1 и 01 - коэффициенты, вычисляемые по методике В.А.Рожкова.

Восстановленные значения солености удовлетворительно согласуются с данными, полученными на стандартных гидрологических станциях. Исходя из этого, исследуется корреляция между соленостью в Рижском заливе и речным стоком на горизонтах О и 10 м. Наибольшая степень

связи находится между стоком р. Даугавы и соленостью вод в заливе в пределах величин коэффициента корреляции С-0.77<г(С1,Р)<-0.71] и, в основном, относится к определенной части южной акватории залива. Здесь же наблюдается повышенное содержание загрязняющих веществ по результатам гидрохимических исследований, что совпадает с результатами анализа процессов взаимодействия речных и морских вод.

После изучения динамических систем "грунт-открытый поток" и "река - море" далее рассматриваются процесса взаимодействия вод с различными гидрофизическими свойствами еще большего масштаба. В главе шестой анализируются гидрологические особенности взаимодействия водных потоков в бассейне окраинного моря.

В окраинных морях циркуляция развивается на фоне водообмена с океаном. К числу окраинных морей, обладающих' наиболее яркими и сложными свойствами взаимодействия, относится Балтийское море. Балтика - самый большой в мире солоноватый водоем, одновременно являющийся сравнительно мелководным окраинным морем и сообщающийся через единую цепь проливов с открытым Северным морем и Атлантическим океаном. Гидрологический режим Балтийского моря определяется избытком пресной воды, поступающей с речным стоком, который компенсируется разницей отток-приток через проливы. В результате процессов взаимодействия на границах достигается баланс потоков между морскими системами и окружающей средой.

Если основные элементы водного баланса в бассейне Балтийского моря, включающие речной сток, осадки, испарение и субмаринную разгрузку, приблизительно известны, то определение характерных значений подтока североморских и стока балтийских вод в отдельные периоды времени - чрезвычайно сложная научная задача и до конца не решена. Процессы водообмена в зоне проливов подвергаются существенным изменениям под влиянием как метеорологических факторов, так и климатических аномалий в регионе СЗЕ.

В предыдущих исследованиях крупномасштабных циркуляционных не-однородностей параметры водообмена в проливах задаются, исходя из тех или иных предположений, а чаще всего вовсе не учитываются. Предлагаемый нами'путь исследования основывается не на априорном задании, а на определении динамических характеристик в проливах, с помощью .решения общей задачи взаимодействия потоков окраинного Балтийского моря с океаном. Помимо сведений о свойствах циркуляции данный подход впервые позволяет получить целостную картину течений двух соседних морей Балтийского и Северного, а также зоны соединяющих их проливов.

В главе седьмой осуществляется гидродинамическое моделирование водообменных- процессов и исследуется динамическая трансформация крупномасштабных полей загрязняющих веществ в области Балтийского моря. Гидродинамическому моделированию циркуляционных неоднороднос-тей Балтийского моря уделяется большое внимание. Подобные исследования проводятся и для Северного моря. Известны также примеры построения различного рода полузмпирических схем водообмена для района Датских проливов. Но, несмотря на единство гидрологических факторов, до недавнего времени отсутствовали результаты расчета динамических характеристик всего региона, включающего Балтийское море, Датские проливы, Каттегат, Скагеррак и Северное море. С другой стороны, очевидно, что дальнейшее изучение водообменных процессов в бассейне окраинного Балтийского моря должно проводится с учетом взаимодействия Балтики с Атлантикой. Другое важное обстоятельство заключается в том, что изучение динамики вод в описываемом районе Мирового океана требует подробного отображения природы его морфо-метрических особенностей. Однако в большинстве случаев расчеты циркуляции выполняются с помощью задания "плоского" дна или с "океаническим" пространственным шагом. Изломы береговой линии при этом спрямляются, а многочисленные крупные и мелкие заливы, а также ост-

рова из рассмотрения, как правило, исключаются.

По нашему мнению наиболее оптимальным является следующий способ районирования пространственного шага интегрирования, позволяющий максимально учитывать морфометрию дна и берегов. В Скагерраке, Каттегате и Датских проливах величина шага выбирается равной 10 км. На акватории Балтийского моря - 15 км. В Северном море задается постепенное уменьшение шага сетки по мере приближения к краям области: от 30 км в центре до 15 км на периферии. В ходе аппроксимации специальным образом вводятся некоторые переходные полосы на границах областей с различной величиной пространственного разрешения. В этих полосах отношения величин соседних шагов ограничиваются сверху и снизу: 0.78<Лс11 /Дс11 1.3 , в результате чего обеспечивается надежная устойчивость счета.

В исследуемом районе характер течений в первом приближении определяется ветром, вертикальным турбулентным перемешиванием в преобладающей толще вод, речным стоком и влиянием рельефа дна. Пренебрежение другими факторами помимо турбулентного трения, силы Корио-лиса и горизонтального градиента давления, обусловленного наклоном уровня, позволяет несколько упростить общий.алгоритм задачи. В то же время, учитываются главные особенности водообменных процессов. Гидродинамическое моделирование циркуляции проводится с помощью известной теории квазиустановившихся течений в море средней глубины. При этом достаточно эффективно аппроксимируются условия формирования циркуляции, связанные с неоднородностями ветрового воздействия, рельефа дна и взаимодействия потоков, посредством применения разработанного вычислительного алгоритма, включенного в ОФАП гидрометеослужбы. Относительно простой метод решения не содержит особых трудностей численной реализации и не таит опасности возникновения фиктивных мелкомасштабных волн при расчетах в такой сложной области, какой является рассматриваемый регион.

На основании проведенных расчетов строятся карты интегральной циркуляции и векторов средних течений для ряда типичных синоптических ситуаций, в наиболее полном объеме приведенные в монографии автора. Подробный анализ полей течений проводится для ветров юго-западных румбов, имеющих наибольшую повторяемость. При рассмотрении полученных схем циркуляции видна сложная картина водообменных процессов, проявляющаяся в вихревой природе потоков различного масштаба. Наблюдаются локальные циркуляции в зонах проливов, глубоководных впадин и крупных островов. Определяются механизмы образования гидрологических фронтов и основных течений.

Исследования циркуляционных процессов позволяют ближе подойти к изучению экологических проблем Балтийского моря. Совместный анализ динамических и гидрохимических материалов указывает на существование в ряде районов Балтики областей стабильного вихреобразования. Как правило, здесь отмечается аккумуляция многих видов загрязняющих веществ в воде и донных отложениях. Анализ взаимодействия потоков в бассейне Балтийского моря характеризует дополнительный источник поступления отдельных видов загрязнений путем адвекции полютантов с акватории Северного моря. В работе также рассматриваются структуры полей объемной активности некоторых радионуклидов, обусловленных антропогенной деятельностью. Описывается динамическая трансформация полей радионуклидов после аварии на Чернобыльской АЭС и намечаются пути теоретического изучения крупномасштабной гидрологической дисперсии сбросов ДЭН.

В заключении диссертации сформулированы основные выводы и результаты, определяющие теоретическую и практическую значимость работы :

1. Обобщен мировой опыт гидрологических исследований процессов взаимодействия водных потоков. Введена классификация объектов их изучения, построенная на рассмотрении генетической цепи пространс-

твенно-временных масштабов. Обосновано гидродинамическое взаимодействие грунтовых, речных и морских вод и указано на необходимость учета потоков с различными гидрофизическими свойствами на границах их разде аа.

й. Полученные количественные гидролого-гидрогеологические характеристики свидетельствуют о существенном вкладе эффектов гидродинамического взаимодействия потоков в процессы подземного и поверхностного стока, Показано, что гидравлически связанные фильтрационные и русловые потоки влияют на образование неоднородности разгрузки и подпора грунтовых вод, а также структуру течения в прирусловой зоне и поверхностном водотоке. За счет неравномерности роста уровня вдоль оси проточного водоема наблюдается изменение горизонтальной скорости течения и возникновение тенденции к перемене знака на обратный потока фильтрующейся жидкости в точках прирусловой зоны, расположенных вниз по течению от начала области разгрузки грунтовых вод в поверхностный водоток.

3. Особенности совместного движения подземных и поверхностных вод сказываются на процессах распространения в береговой зоне проточных водоемов растворенных веществ. Установлено, что возникающая в результате взаимодействия водных потоков изменчивость стока приводит к аномалиям распределения примесей в грунте от источников, расположенных на поверхности почеы. Последнее связывается с образованием в прирусловой зоне различий в режимах заглубления депресси-онной кривой вдоль береговой черты водоема.

4. Полученные новые данные о структуре турбулентности прибрежных акваторий моря основываются на разработанной методике прямого экспериментального определения величин коэффициента горизонтальной турбулентной диффузии в зависимости от масштаба явления. Отмечается, что в районах преобладающего воздействия речного стока известная зависимость Кх~1п , где п - 4/3, не выполняется для размеров

вихревых образований от сотен метров до нескольких 'километров. В этой области масштабов, находящейся на границе мезомасштабной и макромасштабной зон в спектре турбулентных пульсаций скорости течения, показатель степени п становится значительно большим. Наблюдающийся рост горизонтального турбулентного перемешивания связывается с условиями стратификации вод приустьевого взморья.

5. Опыты с флюоресцирующими трассерами выявили в прибрежной зоне моря наличие определенного рода вихревых "трубок" с чередованием в них знака завихренности (по типу циркуляции Ленгмюра). Рассматриваемая циркуляция регистрируется от района смешения пресных вод с морскими до района прохождения основного вдоль берегового потока на границе прибрежного пограничного слоя моря. Происходящий при этом отвод тепла из поверхностного слоя в глубину демонстрирует механизм мезомасштабного термо-гидро-динамического взаимодействия ветра, течений и турбулентности.

6. Анализ гидрофизических полей в бассейне окраинного моря позволил выполнить количественную оценку доминирующих факторов режима и показать, что формирование крупномасштабных динамических неодно-родностей на акватории Балтийского моря определяется взаимодействием речного стока и внешнего водообмена через систему проливов с Северным морем в различных синоптических условиях. При изучении построенных схем интегральной циркуляции получена сложная картина течений, проявляющаяся в вихревой природе потоков. Наиболее типично это для Балтийского моря, где преобладает ячеистая динамическая структура с многочисленными вихревыми неоднородностями размером от нескольких десятков до 100 км и более. В Северном море циркуляция характеризуется двухцентровым циклоническим макровихрем с пространственным масштабом порядка сотен километров. В проливах Скагеррак, Каттегат и Датских наблюдаются динамические возмущения длинноволнового характера. Их образование в реальных условиях объясняется рез-

»

кими разрывами скорости и плотности в поле отклоняющей силы вращения Земли. При длинах, превышающих некоторую критическую величину, связанную с линейными размерами проливов, эти волны вырождаются в систему вихревых'движений более мелкого масштаба.

7. По результатам расчетов, как и по некоторым данным натурных наблюдений, отмечаются зоны перманентного локального вихреобразова-ния в районах морфометрических особенностей Балтийского моря. Характер циркуляции в этих районах способствует аккумуляции здесь антропогенных загрязняющих веществ. Подобные зоны сосредоточения в воде и донных отложениях полютантов обнаружены вблизи акваторий Ландсортской, Гданьской, северо-западной части Готландской впадин и некоторых других частях моря.

Основное содержание диссертации отражено в работах:

1. О мезомасштабном взаимодействии ветра и горизонтальной турбулентной диффузии в море. - Тр. Междунар.конф. "Физические аспекты атмосферных загрязнений". Вильнюс, 1974 (А.Д. Киричек, Ю.Д.Михайлов) .

2. Численное моделирование циркуляции вод и распространения примесей в Балтийском море. - Сб. докл. 8-ой Республ. гидрометеорологической конф. Вильнюс, 1976.

3. Циркуляция вод Балтийского моря при продолжительном воздействии юго-западных ветров,- "Метеорология и гидрология", 1977. Вып. 10 (Ю.Д. Михайлов).

4. Качественная оценка распространения примесей от некоторых источников загрязнения Балтийского моря,- "Груды ГОИН", 1977. Вып. 141.

5. О влиянии речного стока на соленость прибрежных вод Балтийского моря (на примере Рижского залива). - "Труды ГОИН", 1980. Вып.

- 36 -

152 (А.Е.Антонов, В.А. Разумов, В.А. Рожков).

6. Оценка турбулентной диффузии загрязнений в Балтийском море.

- "Гидрохимические материалы". 1981. Т. 9.

7. Оценка параметров горизонтальной турбулентной диффузии в Рижском заливе методом дискретных наблюдений. - Сб. работ Рижской ГМО, 1982. Вып. 19 (B.C. Петров).

8. К расчету сезонной (осень) циркуляции вод Рижского залива и распространения в нем загрязняющих веществ. - Сб. работ Рижской ГМО, 1982. Вып. 19 (В.С.Петров).

9. Расчеты средних течений в Балтийском море. - "Труды ГОИН", 1983. Вып. 167 (А.Л. Федоров, А.И.Дорожкин).

10. Баротропная модель динамики вод Балтийского моря. - В кн.: Информационно-вычислительные проблемы автоматизации научных исследований. М., Наука, 1983 (А.Л. Федоров, А.И. Дорожкин, C.B. Афанасьев).

>

11. Вопросы математического моделирования динамики вод Балтийского и Северного морей .- "Метеорология и гидрология", 1983. Вып. 9 (М.А.Никольср;ий, АЛ. Федоров, А.И. Дорожкин).

12. Теоретическая оценка миграции сбросов АЭС в морской среде.

- Тр. XX Конгресса МАГИ. М., 1983 (М.А. Никольский, А.Л. Федоров).

13. Моделирование взаимосвязных водных потоков в системе ненасыщенно-насыщенный грунт-река. - Тр. Международ, симп., Дрезден, ГДР, комплекс III, 1987 (М.Г.Хубларян, А.П.Фролов).

14. Математическое моделирование взаимодействия поверхностных и подземных вод.- "Водные ресурсы", 1987. N4 (М.Г.Хубларян, А.П.Фролов) .

15. Особенности динамической структуры потоков в районах шельфа.- Тр. Междунар. симп. "Инженерная геология шельфа и континентального склона морей и океанов мира", Тбилиси, 1988.

16. Методы количественной оценки подземного стока в реки. - В

кн. "Подземные воды в водном балансе крупных регионов". М., Наука, 1989 (И.С.Зекцер, Р.Г.Джамалов).

17. Изучение- антропогенных изменений режимаБалтийского моря в районах рыболовства. - Тр. VIII Всесоюзн. конф. по промысловой океанологии. , Л., 1990.

18. Гидрофизические аспекты взаимодействия вод суши. - Монография, М., Наука, 1990.

19. Взаимодействие грунтового и руслового водных потоков в проблеме качества воды.- Тр. Первого Советско-Американского симп. по гидрогеологическим и гидрологическим проблемам охраны окружающей среды. Л. - М., 1990.

20. Теоретическая оценка фильтрации растворенных веществ в прирусловой области. - "Водные ресурсы", 1992, N 3.

21. Динамическая трансформация крупномасштабных полей загрязняющих веществ в бассейне Балтийского моря. - Сб. докл. Международ, науч. семинара "Экологическая гидрогеология стран Балтийского моря". Санкт-Петербург, 1993.

22. The general circulation of the south-eastern part of the Baltic Sea.- 2nd Soviet-Swedish symposium on the pollution of the Baltic. Amb. special report, 1976, No 4..

23. Role of Ground Water in the Hydrological Cycle and in Continental Water Balance.- Project 2.3 IHR III, Unesco, Pains, 1988 (I.S. Zektser aid R.G. Dzhamalov).

24. Study of interrelated soil-water, ground-water and river flows.- Proc. of Intern. Sympos. on the Hydrology of Wetlands in Temperate and Cold Regions. Vol.1, Helsinki, 1988 (M.G. Khublarian)

25. Modelling of interrelated water flows in the unsaturated -saturated soil-river system.- Proc. of the Dresden Symp. 1987, Publ. 1990 (M.G. Khublarian, A.P. Frolov).