Массообмен и структурные преобразования в плотностном потоке

Шильнев, Андрей Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Массообмен и структурные преобразования в плотностном потоке
ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Массообмен и структурные преобразования в плотностном потоке"

птпчр 1 тп

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

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 551.465:556.536

Шильнев Андрей Владимирович

МАССООБМЕН И СТРУКТУРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ПЛОТНОСТНОМ ПОТОКЕ

Специальность 25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2007

003052138

Работа выполнена на кафедре физики моря и вод суши физического факультета Московского Государственного Университета имени М.В. Ломоносова.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

доктор физико-математических наук Б. И. Самолюбов

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор физико-математических наук В.В. Жмур доктор физико-математических наук А.Г. Костяной

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Институт Водных Проблем РАН

Защита состоится «5» апреля 2007 г. в _час. _ мин. на заседании Диссертационного совета Д 501.001.63 в Московском Государственном Университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, физический факультет, ауд. _.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета

МГУ.

Автореферат разослан «_» марта 2007 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 501.001.63 кандидат физико-математических наук

В.Б. Смирнов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

В диссертации представлены результаты гидрофизических экспериментальных и теоретических исследований массообмена в стратифицированных придонных плотностных течениях с внутренними линзами и фронтальными зонами. Дан анализ структурных преобразований гравитационных, градиентных и циркуляционных стратифицированных течений по их длине, глубине и во времени. Приведены разработанные математические модели течений и переноса примесей с учетом особенностей обмена в сдвиговых слоях и ядре потока, а также результаты апробации теоретических методик по репрезентативной базе данных натурных измерений.

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Плотностные потоки, устойчивость границ и динамика которых определяется разностью плотностей жидкостей в толще течения и над ним, отличаются активным воздействием на дно и окружающие воды. Подобные потоки с термической, соленостной и суспензионной стратификацией в зонах их действия вносят значительный вклад в динамику вод озер, водохранилищ и морей. Эти течения могут оказывать существенное влияние на процессы формирования качества воды. Для прогноза данных и ряда других практически важных процессов в природных бассейнах необходимы методы теоретического описания стратифицированных потоков. Поэтому плотностные течения привлекают внимание специалистов, работающих в фундаментальных и прикладных областях, связанных с исследованиями динамики придонных вод. Из обзора публикаций по этой проблеме следует, что их количество неуклонно возрастает за счет появления работ, посвященных изучению механизмов развития, математическому моделированию течений и переноса примесей.

С фундаментальными проблемами исследований придонных плотностных потоков связаны задачи гидроэкологии, нефтегазодобычи, освоения рудных полезных ископаемых океана, прокладки подводных коммуникаций и гидротехнического строительства.

Вместе с тем, остается не вполне ясным ряд особенностей природы придонных стратифицированных течений, что обусловлено прежде всего зависимостью характеристик этих потоков от изменения окружающих условий. Плотностные течения могут менять структуру, ускоряться или замедляться за счет процессов их взаимодействия с дном и окружающей водной средой. Ситуация дополнительно осложняется из-за спорадичности появления потоков, вызванных интрузиями жидкости повышенной плотности в водоем. В мелководных районах водохранилищ, озер и морей усиливаются недостаточно изученные процессы взаимодействия плотностного потока с дрейфовым. Сохраняется уникальность данных натурных исследований, необходимых для выявления закономерностей развития течения в его ядре, сдвиговых слоях и

фронтальных зонах. В связи с этим, осложняется выявление механизмов диффузии примесей в плотностных потоках. Для решения отмеченных проблем проводится интенсивное изучение стратифицированных течений в натурных и лабораторных условиях. Тем не менее, методы расчета таких потоков, порой катастрофически мощных, пока далеки от необходимой степени совершенства. Наиболее эффективны исследования, в которых сочетаются структурные натурные измерения и математическое моделирование плотностных течений с учетом их взаимодействия с вышележащими водами.

Итоги выполнения такой комплексной программы экспериментальных и теоретических работ по изучению гравитационных, градиентных и циркуляционных придонных стратифицированных потоков различной природы приведены в диссертации. Анализируются данные исследований структур полей скорости, температуры и концентраций взвешенных и растворенных примесей, разрабатываются математические модели течений и массопереноса.

ЦЕЛИ РАБОТЫ.

Выявление закономерностей воздействия стратифицированных потоков с внутренними фронтальными зонами и линзами повышенной плотности на распределения примесей в водохранилищах и озерах

^ Расшифровка механизмов влияния локальных эффектов изменения устойчивости течений в разных слоях водоема на энергопередачу от приповерхностного потока к придонному

Разработка математической модели тепло- и массопереноса в придонном стратифицированном потоке для описания эволюции вертикальных распределений температуры и концентрации взвеси с учетом взаимодействия сдвиговых слоев течения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. С применением специальных приборов и методик получены не имеющие аналогов по содержанию, объему и детальности данные об эволюции структур одиннадцати плотностных течений с внутренними линзами и фронтальными зонами в 7 водохранилищах и озерах. Выявлены закономерности структурных преобразований течений и распределений примесей. Выявлены условия усиления энергопередачи в придонное плотностное течение из вышележащих слоев и получены зависимости для оценки такого ускорения потока при изменениях интегральной устойчивости течения по всей глубине к ветровому воздействию. Разработаны и проверены по репрезентативной базе данных новые методы математического

моделирования течений и переноса примесей с учетом особенностей обмена в сдвиговых слоях и ядре потока.

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ. 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 погрешностей 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 на разных полигонах.

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

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Полученные результаты измерений и выводы о механизмах развития стратифицированных течений, разработанные модели для расчета плотностных потоков, а также распределений концентраций примесей могут быть применены в решениях задач гидроэкологии, при проектировании и эксплуатации гидросооружений, а также при изучении и моделировании аналогичных процессов в водохранилищах, озерах и морях.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

1. Развитие линзового течения в его фронтальной зоне определяется волновыми флуктуациями гидродинамического давления, а в центральной части потока сопровождается эмиссией загрязнений в вышележащие слои. Предложенная модель этого течения проверена по данным измерений в сериях последовательных зондирований.

2. Энергопередача в придонное плотностное течение из вышележащих слоев усиливается при прохождении в потоке задних фронтов холодных линз и внутренних волн. Эти эффекты учитываются найденными зависимостями скорости потока от интегральной устойчивости течения к ветровому воздействию для основных механизмов энергопереноса через термоклин.

исследований эволюции вертикальных распределений концентрации взвеси и температуры воды в 11 придонных стратифицированных течениях различной природы. Учитываются все основные типы зарегистрированных преобразований профилей концентрации.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. По результатам работы сделаны доклады на 19 всероссийских и международных конференциях. В том числе: на 4-й меж-дунар. науч. конф. «Динамика и термика рек, водохранилищ и окраинных морей» (1999, 2004); 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, 1999, 2001, 2004); на междунар. науч. конф. «Стационарность и нестационарность стратифицированных и/или вращающихся потоков» (1997); на 3-ем междунар. конгрессе "Вода: экология и технология". ЭКВАТЭК-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); на 2-й всерос. научн. конф. "Фундаментальные проблемы физики" (2000); на междунар. конф. "Flitxes and structures in fluids " (2001, 2003, 2005); на всерос. конф. «Актуальные проблемы водохранилищ» (2002); на междунар. конф. «Теоретические и прикладные проблемы современной лимнологии» (2003).

ПУБЛИКАЦИИ.

Результаты диссертации представлены в 23 научных публикациях.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Автор диссертации выполнил работы по модернизации измерительного комплекса аппаратуры. Принимал непосредственное участие в подготовке и проведении натурных исследований на Истринском (1999, 2002 г.), Вазузском (2001 - 2002 гг.), Иваньковском (1998 г.) водохранилищах и озерах Имандра (1999 г.) и Телецком (2003 г.). Анализ результатов выполнен лично и совместно с научным руководителем.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, изложенных на 196 страницах, и содержит 85 рисунков. Список используемой литературы включает 151 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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 сведения об апробация работы, представлены структура и краткое описание содержания диссертации.

Первая глава - «Обзор результатов исследований массообмена в плотностных течениях» - содержит анализ опубликованных результатов экспериментальных исследований стратифицированных течений (раздел 1.1) и методов теоретического описания плотностных потоков (1.2). Рассмотрены работы по изучению распространения придонных стратифицированных течений в водохранилищах и озерах. Представлены данные о морских и океанических плотностных потоках. Приведен анализ результатов исследований плотностных течений, индуцированных ветром и внутренними волнами. Рассмотрены данные о развитии стратифицированных потоков, обусловленных термическим режимом водоемов, и результаты лабораторных исследований структурных преобразований плотностных потоков. Дан анализ результатов из ряда работ по математическому моделированию энерго- и массообмена в стратифицированных течениях. Рассмотрены основные уравнения математической модели распространения плотностного потока и модель взаимодействия сдвиговых слоев течения.

В заключении сделаны следующие выводы из обзора:

• Несмотря на активность исследований и значительную роль придонных стратифицированных течений в процессах массообмена в природных бассейнах, сохраняется дефицит данных об одновременных изменениях распределений параметров течений и состава воды по всей глубине водоема. Практически отсутствуют результаты комплексных структурных исследований линзовых плотностных потоков, что затрудняет построение моделей этих течений, в достаточной степени адекватных природным потокам.

• К нераскрытым механизмам развития плотностных течений относятся эффекты взаимодействия этих потоков с приповерхностными. Литературные данные о таких процессах недостаточно детальны для анализа влияния изменений устойчивости течений на разных глубинах на массоперенос, что резко ограничивает возможности математического моделирования.

• Требуют значительного совершенствования методы расчета распределений концентрации взвеси и температуры в нестационарных потоках. Описание этих распределений без учета взаимодействия сдвиговых слоев, по-видимому, не имеет больших перспектив.

На основании этих выводов были поставлены задачи для данной работы.

1. Выявить закономерности воздействия стратифицированных потоков с внутренними фронтальными зонами и линзами повышенной плотности на распределения концентраций примесей в водохранилищах и озерах по данным детальных измерений.

2. Выявить механизмы влияния изменений устойчивости течений в различных слоях водоема на энергопередачу от приповерхностного потока к придонному.

3. Разработать математическую модель тепло - и массопереноса в придонном стратифицированном потоке для описания эволюции вертикальных распределений температуры и концентрации взвеси с учетом взаимодействия сдвиговых слоев течения.

Вторая глава - «Объекты исследований и методика измерений» -включает описание опорных полигонов: Можайского, Вазузского, Истринского, Иваньковского, Нурекского водохранилищ, озер Телецкого и Имандра (раздел 2.1). Приведены характеристики измерительных систем, а также особенности методик комплексных натурных исследований, результаты которых представлены в данной работе (раздел 2.2).

Плотностные потоки в Можайском водохранилище, созданном в верхнем течении р. Москвы, обусловлены термической стратификацией и минерализацией речных вод. Длина водохранилища - 28 км, глубина - до 20 м при нормальном подпорном уровне (НПУ), максимальная ширина - 2.6 км. Средний уклон дна - is = 6-10'4. В плане водохранилище состоит из четырех основных областей расширений (плесов), соединяющихся перекатами. Коэффициент водообмена ~ 1.1 год'1. Скорости стратифицированных течений - до 15 см/с. Эти течения подвержены сильному влиянию дрейфовых, циркуляционных потоков и внутренних волн.

Вазузское водохранилище - сложное четырехлопастное, глубиной при НПУ - 27 м, длиной - 105 км, шириной до 1 км и коэффициентом водообмена 5-6 год"1. Средний уклон дна - is=2-10"4. Реки, питающие водохранилище: Ва-зуза, Касня, Осуга и Гжать, нижние части долин которых им заполнены, близки по водоносности. Плотностные потоки - гравитационно - градиентные и циркуляционные с термической и минерализационной стратификацией.

Истринское водохранилище - одно из старейших в Москворецкой водной системе. Максимальная глубина составляет 19 метров при НПУ. Протяженность бассейна - 22,5 км, ширина до 2.5 км. Коэффициент водообмена ~ 1.3 год"1. Из-за различий температур вод притоков и концентраций растворенных

в них солей появляются ступенчатые распределения плотности и многоядерные профили скорости придонного стратифицированного течения

Иваньковское водохранилище расположено в пределах Верхневолжской низины - крупной равнины, прорезанной долиной р. Волга. Его длина - 120 км, глубина - до 20 м, максимальная ширина - 4 км. Средний уклон дна -¡5=2-10"4. Коэффициент водообмена ~ 8.3 год"1. Течения преимущественно стоковые и дрейфовые. Большую роль в формировании экологической ситуации в этом бассейне играет высокая проточность водохранилища. Плот-ностные потоки - градиентно-гравитационные. Стратификация - термическая и минерализационная.

Нурекское водохранилище - водоем каньонного типа глубиной до 300 м, шириной 0.5ч-5 км и длиной 70 км. Средний уклон дна 15=4-10"3. При впадении в этот бассейн горной реки Вахш, ее мутные холодные воды погружаются в глубинные слои водохранилища и формируют мощный гравитационно-градиентный плотностной поток со скоростями до 50 см/с. В весенне - летний период устойчивость и динамика течения с толщинами до 30м обеспечивается преимущественно суспензионной стратификацией.

Озеро Имандра — крупнейший водоем Кольского полуострова. Озеро состоит из трех плесов, соединяющихся между собой проливами. Максимальные глубины достигают 60 м. Протяженность - до 110 км. Ширина - до 6 км. Коэффициент водообмена ~ 0.52 год"'. Наибольшие скорости (~20 см/с) отмечаются вблизи проливов. В водохранилище поступают стоки Оленегорско-го комбината, предприятий «Североникель» и «Апатит». В условиях малой проточности водохранилища значительную роль в процессах распространения загрязнений играют придонные течения.

Телецкое озеро расположено в северо-восточной части Горного Алтая. Среди 50 глубочайших озер мира оз. Телецкое занимает 39 место, входит в Алтайский государственный заповедник и включено ЮНЕСКО в Список объектов мирового наследия. Максимальная глубина - 325 м, длина - 78 км, ширина до 5,2 км. По профилю дна выделяются меридиональный плес с наибольшими глубинами и широтный северо-западный плес с глубинами менее 100 м до истока р. Бия. В озеро впадает около 70 рек, вытекает одна р. Бия. с Стратификация вод преимущественно термическая. Наиболее мощные плот-ностные течения отмечены перед истоком р. Бия из озера.

Исследования проводились на разрезах по всей области действия течений и в сериях зондирований во времени. В ходе измерений одновременно регистрировались детальные профили скорости потока и, температуры воды

Т, концентрации взвеси S, растворенных солей Сап, кислорода Ог а также скорость ветра Uw на высоте 2 м над поверхностью воды.

Характеристики аппаратуры с учетом особенностей комплексных натурных исследований, результаты которых положены в основу данной работы, приведены в разделе 2.2. В ходе исследований применялся многопараметрический комплекс аппаратуры, который включал:

• градиентную установку для синхронной регистрации скорости течения U роторными датчиками на шести горизонтах в слое толщиной 3 м,

• фотоэлектрический прозрачномер с датчиком температуры,

• зонды фирмы «Эксперт» для измерений распределений электропроводности воды Ск и концентрации растворенного кислорода,

• измерители направления течения, скорости и направления ветра,

• систему позиционирования (GPS), эхолот и батометры.

Время комплексной съемки профилей U, Т, S - 12 мин в слоях толщиной до 20 м с дискретностью 0,5 м. Точности профильных измерений: 3% для скорости с временем осреднения 4 мин. при U = 10*70 см/с (при снижении U от 10 до 3 см/с погрешность возрастала до 20%); 0,02 °С для температуры; 1*5 мг/л при S=5*3000 мг/л для концентрации взвеси. Минимальная разрешаемая скорость - 2 см/с. Погрешности измерений концентраций О2 - 0,1 мг/л, солей Cdii (по Ск) -1 мг/л.

Анализы проб, отбиравшихся одновременно с измерениями Т, S, U, Ск, позволили получить распределения концентраций растворенных примесей. По этим данным и результатам весового анализа проб проводились калибровки кондуктометра по общей минерализации и прозрачномера по концентрации взвеси.

В третьей главе - Массоперенос в линзовом и гравитационном плот-ностных потоках - исследуется развитие придонных стратифицированных течений, вызванных прохождением холодных интрузий. Приводятся данные структурных натурных измерений и разработанные математические модели.

В разделе 3.1 дается общая характеристика проблемы исследований линзовых плотностных потоков, анализируются особенности распространения и динамики течений. Рассматриваются термически стратифицированные придонные потоки, обнаруженные при проведении исследований на Можайском водохранилище и озере Имандра. Эти течения с толщинами 2*5 м со скоростями до 13 см/с были вызваны, соответственно, дождевым паводком и холодной интрузией вод р. Белой.

В ходе анализа данных измерений установлено, что преобразования потока на станции Зурбаган на Можайском водохранилище были вызваны движением вниз по склону холодной придонной линзы протяженностью

СИМ. — Л

- 4 .---

с 1'г

\ \ N

> !\ : \ у®! ЩЬ"* !

0 • и. и

О Др. Др.*Др.

Ар

Рис.1. Схемы а - распространения придонной интрузии и б - распределений скорости и и разности плотностей жидкостей Др в потоке и над ним по высоте ъ над уровнем дна. Обозначения: 1 - интрузия , 2 - направление гравитационного потока , 3 - профиль скорости основного течения , 4 - внутреннее течение , 5 - профиль разности плотностей жидкостей в придонном потоке и над ним Др, Др = р(г) - р(ги), Арт =Ар(гт), Ара = р{г0) - р^), -высота динамической шероховатости, г„ - толщина потока, гт - уровень максимума скорости ит = и(гт), = и(ги) - скорость течения над придонным стратифицированным потоком

порядка трёх километров (рис. 1). Выявлена эволюция течения в его ядре и задней фронтальной зоне. Внутри основного потока обнаружен вторичный придонный. Зарегистрирован подъем взвеси из придонной области к поверхности. Для теоретического описания данного потока построена и проверена математическая модель нестационарного стратифицированного течения с волновыми флуктуациями гидродинамического давления.

Холодные линзы и облака мутности были выявлены также и в гравитационном стратифицированном придонном потоке малой плотности в губе Белой на озере Имандра (раздел 3.2). Установлено, что формирование таких структур связано с нестационарностью притока (рис. 2а, б). С учетом выявленных закономерностей разработана методика моделирования течения. Полученные результаты свидетельствуют об эффективности предлагаемых методов расчета плотностного потока и транспорта взвеси в прогнозах её распространения в аналогичных условиях. Согласно полученным данным, плот-ностной поток теряет в губе Белой до 30 % поступающей в неё взвеси. Остальные взвешенные примеси переносятся в озеро. Несмотря на сравнитель-

но небольшие значения концентрации взвеси, ее поступление является важ-

Рис 2а,б. Распределения температуры воды Т и концентрации взвеси 8 в губе Белой (оз Имандра, 1999) по данным измерений на двух разрезах (в 11ч ЗОмин 17ч, 28 июля (рис 2а) ив 19ч ^ 22ч, 29 июля (рис 26). По горизонтальной оси на графиках отложено расстояние от устьевого створа (х = 0). На первом разрезе (рис 2а) измерения начинались выше устьевого створа непосредственно в реке (х = -1 км). По вертикали отложена высота Н над уровнем дна в точке с глубиной, максимальной на разрезе.

ным фактором, влияющим на формирование качества воды озера, окруженного предприятиями, стоки которых могут содержать токсичные элементы.

В четвертой главе - «Преобразования полей скорости, температуры и концентраций примесей в гравитационных, градиентных и циркуляционных плотностных потоках» - анализируются распределения параметров течений и состава воды в стратифицированных потоках различной природы по данным детальных структурных измерений на 7 водохранилищах и озерах. В разделе 4.1 дается общая характеристика результатов 14 серий зондирований. Для каждого из потоков рассматривается его природа и приводятся основные параметры. Выделяются диапазоны изменений характеристик течений, эволюция которых изучается в данной и последующих главах. Для глубины водоема Н, толщины ги, средней скорости плотностного потока <й> и интегрального числа Ричардсона Ши эти интервалы составляют: 2-30 м, 2 - 20 м, 3 - 32 см/с, 0.2 - 87. Такие диапазоны значений характеристик плотностных потоков свидетельствуют о достаточно широком охвате разнообразных режимов течений указанных типов, которые встречаются как в водоемах

суши, так и в аналогичных по гидродинамическим условиям районах морей. Поэтому приведенные данные об эволюции плотностных течений представляют значительный интерес как непосредственно для выявления механизмов развития таких потоков в озерах и водохранилищах, так и для исследований подобных процессов в морях и океанах.

В разделах 4.2 - 4.4 проведен анализ данных зондирований на 14 срочных станциях. Выделены основные закономерности динамики и структурных преобразований наблюдавшихся плотностных течений. Получены полуэмпирические выражения параметров, характеризующих обнаруженные эффекты. Представлены пространственно-временные распределения характеристик течений, по которым в следующих разделах диссертации выявляются механизмы, и проверяется математическая модель массопереноса. Основные результаты, полученные в ходе проведенного анализа, сводятся к следующим:

1. Обнаружены мигрирующие по глубине ядра (зоны максимумов скорости) придонного стратифицированного течения, возникающие под влиянием внутренней волны. Найдена и представлена аналитически зависимость положений этих ядер от параметров волны и течения.

2. Установлено, что в линзовых течениях к характерным элементам распределений взвеси относятся ступенчатые структуры и максимумы концентраций частиц в слоях смешения, возникающие преимущественно в центральной и фронтальной зонах потока (рис.3).

3. Обнаружена эмиссия загрязнений из плотностного потока в вышележащие слои при прохождении ядра линзы (рис. Зв). Рассмотрены аналогичные явления, зарегистрированные нами в потоке, индуцированном ветром на этой же станции в июле 1999 г, на продольно - осевых разрезах в Можайском и Иваньковском вдхр. (июль 1996 - 1998) и в зоне формирования суспензионного потока в Нурекском вдхр. (август 1981). Отмечено существенное утолщение придонных нефелоидных слоев на участках резкого изменения уклона дна. На передних фронтах возвышений уровня дна толщина потока возрастала в 2-т-З раза. Зафиксированы выбросы загрязнений в виде облаков мутности из придонной области течения. Этот эффект эмиссии загрязнений из плотностного потока в вышележащие слои, препятствующий самоочищению вод, должен учитываться при прогнозировании качества воды в водохранилищах.

4. Установлено, что внутренняя волна (с соответствующим запаздыванием) переносит импульс из ускоряющихся ветром приповерхностных слоев воды в ядро придонного стратифицированного потока, формируя положительные возмущения скорости и сопутствующий рост ее градиента в сдвиговых слоях. Получены полуэмпирические выражения параметров этого процесса.

10 И 18 1,ч

Рис. 3. Распределения а - температуры воды, б - скорости течения и в - концентрации взвеси по высоте над уровнем дна и во времени. (Можайское водохранилище, ст. Зурба-тан 1998 г.)

5. Для течения в высокопроточном Иваньковском водохранилище показано, что в среднем за время серии зондирований значения динамической и максимальной скоростей определялись на 50% стоковым градиентом давления, на 26% - ветровым воздействием и на 24% эффектами стратификации.

В разделе 4.5 выделены общие закономерности энергопередачи от приповерхностного течения к придонному. Рассмотрены основные типы механизмов переноса импульса в придонную область по итогам обзорного анализа публикаций. К числу этих механизмов относятся а) турбулентный перенос импульса в глубинные слои без существенных энергозатрат на работу против архимедовых сил при слабой стратификации, б) ускорение придонного потока под действием градиента давления, возникающего при развитии внутренней волны в термоклине за счет усиления дрейфового потока, в) передача импульса через высокоустойчивый термоклин при «клапанном» механизме переноса, г) ускорение придонного потока при развитии двух ячеек циркуляции над термоклином и под ним при ветровом нагоне.

Перечисленные процессы энергопередачи из эпилимниона в гиполимни-он существенно зависят от обнаруженных в данной работе важнейших факторов, воздействующих на гидродинамическую устойчивость течений на разных глубинах от поверхности до дна. Для аналитического представления такого многопараметрического процесса в разделе 4.5 рассмотрены зависимости скорости плотностного потока от устойчивости течения по всей глубине водоема к ветровому воздействию. Эта устойчивость характеризуется полным числом Ричардсона 7?г* = gSpH / /?£/.2н,, где 5р=рк-рН-о.ь [/,„. =(г„/р)°'5- скорость трения и т^г = а0рАСми„\ик| - напряжение трения на границе вода-воздух, рА - плотность воздуха, Соа - коэффициент сопротивления, а0 - коэффициент, зависящий от степени развития ветрового волнения, влияния берегов и других факторов.

В соответствии с указанными выше механизмами энергопередачи от приповерхностного течения к придонному, результаты измерений на станциях удалось систематизировать, объединив их в три группы.

К первой группе относятся результаты, которым соответствуют кривые ит(Ш*), отражающие спадающую зависимость максимальной скорости плотностного потока от полного числа Ричардсона. Подобная связь ит и Ш* (практически без запаздывания ускорения течения относительно усиления ветра) характерна для клапанного механизма передачи импульса через высокоустойчивый термоклин. В эту группу вошло 60% всех рассмотренных данных. Получено общее для рассмотренных ситуаций полуэмпирическое выра-

жение скорости плотностного потока

Шт1Ш= О.З^ДйГДтгГ^Лдесь

<...> - знак осреднения по времени выполнения всей серии зондирований, <и„>п=<и^/и*,,и«г1 м/с, А„~0.13<и,у>п-0.6.

Вторая группа включает результаты, дающие сходную по виду зависимость ит(Кл ), но только со сдвигом чисел Ш , по времени на величину, близкую к полупериоду наблюдавшихся флуктуации скорости ветра и параметров течения. Такое поведение функции ит(Я]*) соответствует волновому механизму энергопереноса.

Третий тип зависимости ит(И ) имеет прямо противоположный характер (ип,~Ш') и наилучшим образом объясняется ускорением плотностного потока при развитии двух ячеек циркуляции над термоклином и под ним при ветровом нагоне на плотину водохранилища (рис. 4).

В 90% рассмотренных случаев измеренные значения ит/<ит> согласуются с указанными аппроксимациями, в пределах 15% -ного средиеквадратиче-ского отклонения. Отмеченное соответствие данным измерений в существенно различных течениях с толщинами г,"2-20 м, средними скоростями <и>~3-32 см/с и интегральными

числами Ричардсона Ши=0,2-87, а

Я] =102 - 6-104 свидетельствует а) о правильности представлений о механизмах энергопередачи из эпнлимниона в придонное течение, которые были рассмотрены в ходе проведенного анализа, и б) о возможности применения полученных зависимостей для оценки изменений скорости плотностного потока во времени при моделировании аналогичных течений.

Анализ распределений скорости и параметров состава воды по

глубине и во времени (раздел 4.4)

„ Рис. 4. Распределения а) - скорости ветра вс показал, что влияние усилении Временв и б) скорости течения и по глубине к

скорости приповерхностного те- во времени, на станции перед плотиной Истрмн-чения на придонный поток суще- С!С0Г0 водохранилища при расходе воды 18 м3 /с

(14 июля 2002 г.).

ственно ограничивается из-за повышения устойчивости течения

2 м

I час

за счет его структурных преобразований. Полученные в данной работе связи скорости плотностного потока с полным числом Ричардсона позволяют учесть эффекты такой блокировки энергопереноса в придонное течение, моментам проявления которой соответствуют пики И*.

Отмеченные эффекты обусловлены прохождением в потоке следующих структурных форм: 1) передних фронтов и вершин холодных зон (линзовой или волновой природы), 2) интервалов между линзами и областей подошв внутренних волн.

Ситуации ускоренного переноса импульса в придонный плотностной поток ("прорыва" через термоклин) при одновременном усилении ветра и снижении устойчивости по всей глубине водоема показаны на рис. 5. Таким образом, усиление течения в эпшшмнионе за счет стоковых и дрейфовых течений - далеко не единственное условие, необходимое для ускорения придонного течения. Более того, по данным наших наблюдений резкие усиления ветра нередко либо вообще не приводили к ускорению придонного потока, либо вызывали ускорение, значительно меньшее, чем более слабый ветер в моменты снижения устойчивости по всей глубине водоема и в придонном потоке за счет указанных выше факторов. Практически во всех случаях эффект «прорыва» имел место в моменты спада интегральной устойчивости всей толщи вод к ветровому воздействию.

Рис 5, Схема процесса ускорения плотностного потока (А) за счет передачи импульса из вышележащих слоев воды, включающая основные ситуации усиленной энергопередачи при одновременном росте скорости ветра и снижении устойчивости по всей глубине водоема (Б), прохождении задних фронтов придонной холодной линзы (В) и внутренней волны (Г) (затененные области). На схеме ре, ре> р] - плотности воды в эпилимнионе, ги-полимнионе и в холодной придонной линзе; 1, 2, 3 - векторы скоростей придонного и приповерхностного течений, ветра, распространения линзы, 4 - поток импульса из эпи-лимниона в гиполимнион. Пунктир - профили скорости, температуры воды и разности плотностей в процессе их изменения относительно начальных форм (сплошные линии).

Согласно рис. 6, при ускорении придонного потока на 30 — 70% средней скоростн преобладающая часть зарегистрированных «прорывов» совпадает по времени с прохождением задних фронтальных зон внутренних волн или холодных линз.

Следовательно, выявленные гидродинамические условия обеспечивают максимальную вероятность воздействия усилений ветра на придонные плотност-ные потоки даже при вьг-сокоустойчивом термоклине.

1.4

1.8 и„,/<ит>

Рис.6. Распределение числа «прорывов» термоклина, сопровождающихся ускорением придонного течения, по значению отношения скорости потока к средней за время серии зондирований. Обозначения: 1 - распределение для всех «прорывов» с ит/<игл> >1, 2 - в случаях, совпадающих с прохождением задних фронтальных зон внутренних волн или холодных линз.

Глава 5 - «Теоретическое описание распределений температуры и концентраций примесей по модели взаимодействия сдвиговых слоев плотностного потока» - включает результаты разработки и проверки математической модели для расчета профилей удельного содержания взвеси и температуры воды с учетом особенностей обмена в сдвиговых слоях и ядре течения. В разделе 5.1 дается общая характеристика методов моделирования распределений примеси в плотностном течении. Основные идеи модели взаимодействия сдвиговых слоев придонного стратифицированного потока рассматриваются в разделе 5.2.

Согласно представлению о взаимодействии сдвиговых слоев, предлагаемому в данной работе для плотностного течения, потоки примеси из придонного слоя и слоя смешения распространяются до уровней гт (1+6р)< и, соответственно, гт (1-ор}>2т (рис. 7). Здесь 5рг™ - интервал проникновения, находящийся в области взаимодействия с границами zm+—zm+A, гт'=гт -Д. Относительное время прохождения потока массы через зону 6р2т определяется функцией взаимодействия ур. При взаимодействии сдвиговых слоев, области с профилями Т, соответствующими слоям смешения и придонному, попеременно "вытесняют" друг друга из зоны 2т±Д.

Профили Т по всей высоте течения ги получаются сшиванием распределений 5", Т", 8 , Т в слоях - и - 7*т в видс".

Zm /Zm

0 0,5 T,,

Рис. 7. Схема взаимодействия сдвиговых слоев. Обозначения: 1, 2 - профили скорости U/Um и концентрации взвеси S/Sro; 3 и 4 — распределения S/Sm в слоях zm' * zu и Zk -s- zm+ в отсутствие взаимодействия; 5 и б — турбулентные потоки взвеси из придонного слоя в слой смешения и наоборот; бр и A/zm - глубина проникновения и толщина слоя взаимодействия, нормированные на высоту максимума скорости zm; Zq- равновесный уровень; 7 -профиль функции взаимодействия ур из (5.10) для разных z4; tav- время съемки профилей концентрации и температуры.

Г=г,Г+(1-г,)Г (1)

В такой формулировке, гипотеза о взаимодействии, известная для теоретического описания переноса импульса через ядро струи, распространяется на перенос примеси в придонном течении. В отличие от подходов, предлагавшихся ранее, в данной работе учитывается неоднородность профиля функции взаимодействия ур, который детально рассмотрен в разделе 5.3.

В соответствии со схемой (рис. 7) и выражением (1), функция ур равна 0,5 на равновесной высоте г=гч и приближается к 0 и к 1, соответственно, при г>гт+А и г<гт-А. Этим условиям удовлетворяет распределение:

ГР = °'511 - Л((2 - ^)!2{5р СгК)}> <2>

в котором бр2т=|2ч-гт|; Са = 3-10"5. Толщина Д оценивается по (2) при ур, близких к предельным: 10"2и 0,99.

Для нормированной глубины проникновения потока массы примеси из одного слоя в другой 5Р, получено полуэмпирическое выражение вида (рис 8)

¿, = 0.15 Л/4. (3)

Рис. 8. График зависимости глубины проникновения турбулентного потока примеси 5Р из одного сдвигового слоя в другой от интегрального числа Ричардсона Riu. Обозначения соответствуют результатам серий зондирований на водохранилищах Нурекском (1980 г). - 1, Можайском (Поздняковский плёс, 199б г) - 2 и Истринском (ст. Пятница, 1999 г) - 3, на оз. Телецком (ст. Чулышман, 2003 г) - 4 и (ст. Кара-Таш, 2003 г) - 5, на Вазузском (ст. Карманово, 2002 г) - 6 и Иваньковском (ст. Шоша, 1998 г) - 7 водохранилищах, на оз. Имандра (губа Белая, 1998 г) - 8, на водохранилищах Истринском (ст. Плотина, 2002 г) -9 и (ст. Дьяково, 2002 г) - 10, Нурекском (1981 г) - 11, Можайском (ст. Зурбаган, 1998) -12. Интервалы - границы стандартного отклонения от графика функции (3).

По (3), рост устойчивости течения (RiH) приводит к уменьшению глубины проникновения потока массы из одного сдвигового слоя в другой (5pzm) за счет гасящего воздействия стратификации на вертикальный обмен. Поскольку такой механизм определяет массоперенос в ядре, то формулу (3) можно назвать законом взаимодействия сдвиговых слоев плотностного течения.

Здесь и ниже вводится RiH = gApHH jpU - интегральное число Ричардсона, модифицированное для описания S(z,t), T(z,t) в водохранилищах по U(z,t) и T(t), S(t) при z=zk и z=H-0,5m, где Арн = p(zk)~ р(Н - 0.5м), Н-глубина. В большинстве случаев имела место пропорциональность Rjh и обычного числа Ричардсона для потока в целом Riu = gzuAp/pU , поэтому во всех представленных выражениях, связывающих параметры модели, допустима взаимозаменяемость этих чисел с точностью до постоянного коэффициента.

С учетом вида функции ур получены теоретические вертикальные распределения концентрации взвеси и температуры воды по (1).

Профили Б+, Т+ из (1) получаются решением уравнения диффузии

<1,<р-0,8,9 = 8,(Кгдг<р), (4)

где г - время, х - расстояние по течению, ъ - высота над уровнем дна, (р = Б,Т; со; - гидравлическая крупность; й1ф = 8{р + и8хц)-1гм>8,ф (в рамках плоской задачи); со9 = при ср = 5 и а = О при (р = Т; к1/> = к3,к!1. Здесь II и Ж-продольная и вертикальная компоненты скорости; к5 = ки/5с, кь = ки/Рг; Бс и Рг - числа Шмидта и Прандтля, Л( - турбулентная вязкость. Значение ки определяется в виде: ки = и^/д.11 = £/г/(2.5/2 +1/£0), где ит-сдвиговая скорость, Ьа - интегральный масштаб турбулентного обмена, аналогичный масштабу Монина- Обухова и зависящий от устойчивости стратификации. Профиль ит находился в приближении линейности вертикального распределения турбулентного напряжения в придонном слое. Выражение д,и, полученное из уравнения баланса турбулентной энергии для плотност-ного потока, соответствует опубликованным результатам предшествующих исследований.

Распределения Б и Т в слое смешения Б", Т" из (1) находятся в известных в теории струй приближениях подобия профилей избыточных значений этих характеристик и-11(ги) и Б-Б(ги), Т-Т(ги). В итоге, распределения Т, Б получаются по (1) с компонентами

Г=тк+рг+рд-1{ф., г=г(т;)+д7;(1-/Х*~, (5)

5"=5,,ехр[-й)/&+7(С)/а], + (6)

где 1 = и.г„£к?е1С, /=(и-и(ги))/(ит-и(гц)), /и =1-3£2+2£\

Для применения этих распределений найдены полуэмпирические выражения:

1) избыточной концентрации взвеси и температуры на нижней границе слоя смешения с учетом гидродинамической устойчивости ДБ", ДТ',

2) турбулентного потока тепла у дна с учетом его изменения во времени при меняющихся величинах динамической скорости течения и температуры на придонном горизонте Бр,

3) чисел Шмидта и Прандтля для слоев смешения Бс", Рг" и придонного Бс+, Рг+ с учетом специфики обмена в этих областях течения (раздел 5.4)

В построенной модели профили концентрации взвеси и температуры воды рассчитываются по (1) с учетом распределений Б+, Т+, Б", Т" (5), (6) и перечисленных выше выражений. Набор входных параметров модели включает распределение скорости и значения концентрации и температуры у дна и на верхней границе течения.

В отличие от подходов, предлагавшихся ранее, разработанный метод позволяет рассчитывать профили концентрации взвеси и температуры с разными знаками локальной кривизны (рис. 9 а), квазиступенчатые (рис. 9 б), с отрицательным вертикальным градиентом (рис. 9 в), а также распределения с максимумами концентрации в слое смешения (рис. 9 г).

Модель апробирована по данным измерений в сериях зондирований на 14 станциях, выполненных на 7 полигонах (примерно по 200 комплексным профилям параметров течения и состава воды). Эти параметры соответствуют диапазонам: Н=2-^30 м, ги=2-К20 м, <и>=3^32 см/с, <Е11и>=0.2+87, Б=8-3000 мг/л, Ти-Тк=0.1-И0°С. Разработанная методика теоретического

0 20 40 и, см/с

Рис.

0.5 1.5 Э.Ю ^мг/л 14 Т,°С 17 14.7Т,°С18

9. Сравнение теоретических профилей концен-

трации взвеси в, температуры Т и скорости и с измеренными в плотностных потоках на водохранилищах а, б - Нурекском (25.08.1981, ст. 5; 21.08.1977, ст. 6), в - Истринском (14.07.2002, ст. 10), г - Рузском 1 (28.06.2000, ст. 5) и Нурекском 2 (16.08.1980, ст. 8). На рис 9 г (график 8(г)) левая и нижняя оси координат относятся к профилю 2.

описания вертикальных распределений 8(г) и Т(г) в целом отражает преобразования течения в различных его режимах, среди которых выделяются 3 основных:

1. Слабое взаимодействие сдвиговых слоев - уменьшение глубины вторжения потока массы из слоя смешения в придонный при росте устойчивости течения. Формирование квазиступенчатых распределений концентрации в ядре (рис. 9 б).

2. Запирание придонного слоя - снижение динамической скорости, рост градиента концентрации в ядре и появление её пика в слое смешения (рис. 9 г).

3. Сильное взаимодействие - увеличение потоков примеси из слоев смешения и придонного в область их контакта при спаде устойчивости течения. Глубина проникновения потока примеси из одного слоя в другой приближается к максимальной, а профили температуры и концентрации взвеси в ядре -к квазилинейным (рис. 9 а).

Сравнение на рис. 9 проведено с данными измерений распределений и, Б, Т на отдельных вертикалях в сериях зондирований во времени и на продольных разрезах. Аналогичное сопоставление со всеми профилями, измерявшимися в ходе последовательных зондирований на срочных станциях, показало пригодность данной модели для теоретического описания преобразований полей концентрации взвеси и температуры по глубине и во времени.

Расчет эволюции распределений температуры воды и концентрации взвеси проводится при известных в начальный момент времени профилях этих параметров, при заданном распределении скорости и нестационарных граничных условиях.

В Заключении диссертации обобщены основные результаты выполненных исследований.

1. Выявлены преобразования структур полей скорости и концентраций примесей, вызванные прохождением фронтальных зон в 11 градиентных и гравитационных плотностных потоках, включая линзовые, на 7 водохранилищах и озерах.

2. Обнаружены мигрирующие по высоте локальные ядра плотностного течения. Найдена и представлена аналитически зависимость их положений от параметров потока.

3. Выявлена эмиссия загрязнений в виде облаков мутности из плотностного течения на высоту порядка толщины потока под воздействием вихреволно-вых возмущений, препятствующая самоочищению вод.

4. Установлено, что ускорение придонного потока за счет энергопереноса через термоклин при спаде устойчивости течения по всей глубине к ветровому воздействию максимально в областях задних фронтов холодных линз и внутренних волн.

5. Получены полуэмпирические зависимости скорости плотностного потока от устойчивости течения к ветровому воздействию для основных механизмов энергопереноса через термоклин.

6. Установлено, что изменения ускорения линзового стратифицированного потока в его фронтальной зоне определяются волновыми флуктуациями гидродинамического давления.

7. Разработана математическая модель тепло- и массопереноса в плотност-ном течении на базе гипотезы взаимодействия сдвиговых слоев. Модель проверена при описании эволюции вертикальных распределений концентрации взвеси и температуры воды. Обеспечивается расчет профилей с разными знаками локальной кривизны и вертикального градиента, с максимумами концентрации и квазиступенчатых.

Результаты диссертационной работы изложены в 23 публикациях:

1. Стратифицированные течения, внутренние волны и диффузия примесей в водохранилищах И Вторая всероссийская научная конференция «Физические проблемы экологии (Физическая экология)». Москва. 1999. Тез докл. С.67-68. (соавторы Самолюбов Б.И., Кременецкий В.В., Мойя А.А., Зама-рашкин A.JI.)

2. Транспорт примесей плотностными потоками и внутренними волнами при переменном ветре И Труды V-й конф. «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей». М. ИВП РАН. 1999. С.40-42. (соавторы Замарашкин A.JL, Самолюбов Б.И., Решетков А.Б., Мойя А.А.)

3. Gravity current induced by runoff in reservoir II Int. conf. "Fluxes and structures in fluids" St. Petersburg.1999. Abstracts of the Reports.P.l 10-111. (соавторы Samolyubov B.I., Kremenetskiy V.V., Sluev M.V.)

4. Динамика интрузионных плотностных течений II Вторая всерос. научн. конф. "Фундаментальные проблемы физики", Саратов.: СГУ. 2000. Тез докл. С. 168-169. (соавторы Самолюбов Б.И., Кузнецов И.С.)

5. Взвесенесущий гравитационный плотностной поток в крупнейшем озере Заполярья с мощной техногенной нагрузкой II Третья всероссийская научная конференция «Физические проблемы экологии (Физическая экология)». Мо-

сква. 2001. Тез докл. С. 110 - 111. (соавторы Самолюбов Б. И., Кузнецов И. С., Замарашкин A. JL, Кременецкий В.В.)

6. Воздействие линзовых плотностных течений на распространение загрязнений в водоемах II Третья всероссийская научная конференция «Физические проблемы экологии (Физическая экология)». Москва. 2001. Тез докл. С. 57 - 58. (соавторы Афанасьев Е. С., Самолюбов Б. И., Звездун К. И.)

7. Натурные исследования и моделирование гравитационного плотностно-го взвесенесущего течения И В сб. "Человечество и береговая зона Мирового океана в 21 веке", Москва, ГЕОС,.: ГЕОС, 2001. С. 207- 216. (соавтор Самолюбов Б.И.)

8. Плотностной поток, вызванный дождевым паводком в водохранилище I/ Метеорология и Гидрология. 2001. № 11. С. 58-66 . (соавторы Самолюбов Б.И., Слуев М. В., Кременецкий В.В., Мойя А.А.)

9. Распространение стратифицированных течений в равнинных водохранилищах // Водные ресурсы. 2001. Т. 26. № 2. С. 148 - 152. (соавторы Самолюбов Б.И., Замарашкин А.Л., Кременецкий В.В., Силаев А.В.)

10. Расчет преобразований профилей температуры воды и концентрации взвеси по модели взаимодействия сдвиговых слоев придонного течения // Третья всероссийская научная конференция «Физические проблемы экологии (Физическая экология)». Москва. 2001. Тез докл. С.99 - 100. (соавтор Самолюбов Б. И.)

11. Расчет профилей концентрации взвеси и температуры воды в плотно-стном потоке методом взаимодействия сдвиговых слоев // "Потоки и структуры в жидкостях". Избранные доклады Международной конф. "Fluxes and structures in fluids". M. 2001. Изд. M.: ИПМ РАН, 2002. С. 360-366.

12. Evolution of the profiles of the water state parameters as a resuit of the shear layer interaction in stratified flow II Int. conf. "Fluxes and structures in fluids" Moscow.2001. Abstracts ofthe Reports. P.180-181. (соавтор Samolyubov B.I.)

13. Propagation and structures of stratified currents with internai higher density lenses and fronts // Int. conf. "Fluxes and structures in fluids" Moscow.2001. Abstracts of the Reports. P.181. (соавторы Samolyubov B.I., Zamarashkin A.L., Afanasjev E.S., Zvezdun K.I.)

14. Вертикальный тепломассообмен в водохранилищах с циркуляционными и стоковыми стратифицированными течениями II Всерос. конф. «Актуальные проблемы водохранилищ». 2002, Борок, ИБВВ РАН. - Ярославль. 2002. Тез докл. С. 16 - 17. (соавторы Ардашева M. Е., Самолюбов Б.И.)

15. Взаимодействие сдвиговых слоев и распределение примесей в плотност-ном потоке И Юбилейная Всероссийская конференция «Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы». М. МГУ. 2002. Тез докл. С. 247- 248.

16. Плотностной поток и перенос примеси в губе Белой на озере Имандра II Гидротехническое строительство.2002. № 10. С. 46 - 49. (соавторы Самолюбов Б.И., Кузнецов И.С., Кременецкий В.В.)

17. Эволюция вертикальных распределений температуры и концентраций примесей в водохранилищах с циркуляционными и стоковыми стратифицированными течениями // Материалы международн. научно-практической конф. «Теоретические и прикладные проблемы современной лимнологии». Минск. БГУ . 2003. С. 383 - 385. (соавторы Ардашева M. Е., Самолюбов Б.И.)

18. Energy mass exchange and diffusion in density flow with interaction of shear layers // Int. conf. "Fluxes and structures in fluids". St. Petersburg. 2003. Abstracts of the Reports. P.12-14 (соавторы Ardasheva M.E., Samolubov B.I.)

19. Модель взаимодействия сдвиговых слоев и описание массообмена в плот-ностном течении // Вестник МГУ. Серия Физика и Астрономия. 2004. № 4. С. 52 - 56. (соавтор Самолюбов Б. И.)

20. Эволюция полей температуры и концентраций примесей в водоёмах с придонными плотностными течениями II Четвертая всероссийская научная конференция «Физические проблемы экологии». М. МГУ. 2004. Тезисы докладов. С. 85 - 86.

21. Эволюция придонных течений и вертикальный турбулентный обмен в стратифицированных водохранилищах II Труды VI конференции ««Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей». М.: ИВП РАН. 2004. С. 107- 110.

22. Формирование распределений параметров состава воды в природных бассейнах с придонными и промежуточными стратифицированнылш течениями И Физическая экология. 2004. М.: МГУ. Физический ф-т. 2005. 15 с. (соавторы Самолюбов Б.И., Афанасьев Е.С.)

23. Stratified currents in the gradient flow at the complex bottom relief И Int. conf. "Fluxes and structures in fluids". Moscow. 2005. Abstracts of the Reports. P.98-100. (соавторы Samolyubov B.I., Afanasjev E. S.)

Зак. 3 Тир. 100 ППМС

Подписано к печати {.0?>.0*7-Тираж 400 Зоказ Я 7

Отпечатано в отделе оперативной печати физического факультета МГУ

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Шильнев, Андрей Владимирович

Введение

Глава 1 Обзор результатов исследований массообмена в плотностных течениях.

§1.1 Результаты натурных и лабораторных исследований И

1.1.1 Результаты изучения распространения придонных 11 стратифицированных потоков в водохранилищах и озерах

1.1.2 Морские и океанические плотностные потоки

1.1.3 Плотностные течения, индуцированные ветром и внутренними 26 волнами

1.1.4 Развитие стратифицированных течений, обусловленных термическим 33 режимом водоемов

1.1.5 Результаты лабораторных экспериментов структурных 35 преобразований плотностных потоков

§1.2 Методы теоретического описания структур течений и переноса примесей в 39 придонных плотностных потоках

1.2.1 Основные уравнения математической модели распространения 39 плотностного потока

1.2.2 Результаты математического моделирования массопереноса в 45 стратифицированных течениях

1.2.2.1 Теоретическое описание профилей температуры и 45 концентрации примесей. Распределение коэффициента обмена

1.2.2.2 Модель взаимодействия сдвиговых слоев

§1.3 Заключение по обзору

Глава 2 Объекты исследований и методика измерений

§2.1 Опорные полигоны.

§2.2 Измерительные системы и методики.

Глава 3 Массоперенос в линзовом и гравитационном плотностных потоках

§3.1 Развитие линзового течения и особенности его динамики

3.1.1 Общая характеристика проблемы исследований линзовых 72 плотностных потоков

3.1.2 Результаты натурных измерений

3.1.3 Математическая модель течения и особенности его динамики

§3.2 Развитие гравитационного стратифицированного потока малой плотности

3.2.1 Структура развивающегося течения

3.2.2 Модель распространения гравитационного потока малой плотности

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Массообмен и структурные преобразования в плотностном потоке"

Плотностные потоки, устойчивость границ и динамика которых определяется разностью плотностей жидкостей в толще течения и над ним, отличаются активным воздействием на дно и окружающие воды. Подобные потоки с термической, соленостной и суспензионной стратификацией в зонах их действия вносят значительный вклад в динамику вод озер, водохранилищ и морей. Эти течения могут оказывать существенное влияние на процессы формирования качества воды. Для прогноза данных и ряда других практически важных процессов в природных бассейнах необходимы методы теоретического описания стратифицированных потоков. Поэтому плотностные течения привлекают внимание специалистов, работающих в фундаментальных и прикладных областях, связанных с исследованиями динамики придонных вод. Из обзора публикаций по этой проблеме следует, что их количество неуклонно возрастает за счет появления работ, посвященных изучению механизмов развития, математическому моделированию течений и переноса примесей.

Вместе с тем, остается не вполне ясным ряд особенностей природы придонных стратифицированных течений, что обусловлено, прежде всего, зависимостью характеристик этих потоков от изменения окружающих условий. Плотностные течения могут менять структуру, ускоряться или замедляться за счет процессов их взаимодействия с дном и окружающей водной средой. Ситуация дополнительно осложняется из-за спорадичности появления потоков, вызванных интрузиями жидкости повышенной плотности в водоем. В мелководных районах водохранилищ, озер и морей усиливаются недостаточно изученные процессы взаимодействия плотностного потока с дрейфовым. Сохраняется уникальность данных натурных исследований, необходимых для выявления закономерностей развития течения в его ядре, сдвиговых слоях и фронтальных зонах. В связи с этим, осложняется выявление механизмов диффузии примесей в плотностных потоках. Для решения отмеченных проблем проводится интенсивное изучение стратифицированных течений в натурных и лабораторных условиях. Тем не менее, методы расчета таких потоков, порой катастрофически мощных, пока далеки от необходимой степени совершенства. Наиболее эффективны исследования, в которых сочетаются структурные натурные измерения и математическое моделирование плотностных течений с учетом их взаимодействия с вышележащими водами.

Цели работы.

S Выявление закономерностей воздействия стратифицированных потоков с внутренними фронтальными зонами и линзами повышенной плотности на распределения примесей в водохранилищах и озерах S Расшифровка механизмов влияния локальных эффектов изменения устойчивости течений в разных слоях водоема на энергопередачу от приповерхностного потока к придонному

S Разработка математической модели тепло- и массопереноса в придонном стратифицированном потоке для описания эволюции вертикальных распределений температуры и концентрации взвеси с учетом взаимодействия сдвиговых слоев течения.

При выполнении данной работы проводились гидрофизические исследования одиннадцати плотностных течений в восьми экспедициях (в 1999-2003 г.г.) на Истринском, Вазузском водохранилище (Московская область), Иваньковском водохранилище (Тверская область), Телецком озере (горный Алтай) и озере Имандра (Кольский полуостров). Наряду с данными, полученными с прямым участием автора, в диссертации анализируются материалы измерений в сериях зондирований четырех течений на Ну-рекском водохранилище (Таджикистан, 1981 г.) и на Можайском водохранилище (в 1998-1999 г.г.). 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 интен-сивностями 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 Истринском (2000 - 2002 г.), Вазузском (2001, 2002 г.) и Иваньковском (1999 г.) водохранилищах, а также на Телецком озере (2003 г.) и озере Имандра (1999 г.). Анализ результатов выполнен лично и совместно с научным руководителем.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

3. Для теоретического описания тепло- и массопереноса в плотностном течении эффективна математическая модель, построенная на базе гипотезы взаимодействия сдвиговых слоев. Модель проверена по данным натурных исследований эволюции вертикальных распределений концентрации взвеси и температуры воды в 11 придонных стратифицированных течениях различной природы. Учитываются все основные типы зарегистрированных преобразований профилей концентрации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, содержит 85 рисунков и 3 таблицы. Список литературы включает 150 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Шильнев, Андрей Владимирович

Основные результаты диссертационной работы, большая часть которых получена впервые, сводятся к следующим.

Разработана математическая модель тепло- и массопереноса в плотностном течении на базе гипотезы взаимодействия сдвиговых слоев. Модель проверена при описании эволюции вертикальных распределений концентрации взвеси и температуры воды. Обеспечивается расчет профилей с разными знаками локальной кривизны и вертикального градиента, с максимумами концентрации и квазиступенчатых.

Выражаю глубокую благодарность и признательность моему научному руководителю, доктору физико-математических наук Б. И. Самолюбову за интересную постановку задачи, постоянное внимание, помощь и руководство моей работой.

Заключение

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Шильнев, Андрей Владимирович, Москва

1. Абакумов В.А., Ахметьева Н.П., Бреховских В.Ф. и др. Иваньковское водохранилище: Современное состояние и проблемы охраны. М.: Наука, 2000. 344с.

2. Айбулатов Н.А. Потоки твердого вещества и процессы современного осадконакопленш на шельфах Мирового океана ИВ сб.: Современные процессы осадконакопления на шельфах. М.: Наука. 1990. С. 4-24.

3. Анисимова Е.П., Поборчая JI.B., Сперанская А.А. О профиле скорости в пограничном слое турбулентного стратифицированного потока // Изв. АН СССР Сер. Физ. Атмосф. и Океана. 1978. Т. XIV. С. ИЮНИ.

4. Баренблагг Г.И., Галеркина Н.Л., Лебедев И.А. Математическая модель нижнего квазиоднородного слоя океана влияние термохалийной стратификации, уклона дна и приливных колебаний // Изв. АН. Физ. атмосф. и океана. 1993. Т. 29. № 4. С.537-542.

5. Белолипецкий В. М. Численное моделирование ветровых течений в стратифицированных водоемах II Водные ресурсы, 2001. Т. 28, № 2. С.133-137.

6. Блохина Н.С., Орданович А.Е., Савельева О.С. Модель возникновения и развития весеннего термобара // Водные ресурсы, 2001, Т. 28, №2. С. 224-228.

7. Васильев О.Ф. Гидродинамическое моделирование гидрологических и гидрофизических процессов в озерах и водохранилищах И Фунд. иссл.взаимод. суши, океана и атмосф. Юбил. Всерос. научн. конф. М. МГУ. 2002. Тез. С. 208.

8. Верболов В.И. Течения и водообмен в Байкале. II Москва, Водные ресурсы 1996, т. 23, №4, с. 416-423

9. Гриценко В.А. Исследование динамики и внутренней структуры придонных гравитационных течений II Дис. доктора физ.-мат. наук: 11.00.08. ИО РАН. Москва. 1999. 288 с.

10. Гриценко В.А. Придонные гравитационные течения в океане II Со-ровский образовательный журнал, 2001, Т. 7, №1. С. 64-70.

11. Гриценко В.А., Юрова А.А. Об основных фазах отрыва придонного гравитационного течения от склона дна II Океанология. 1999, Т. 39, №2. С. 187-191.

12. Гриценко В. А., Юрова А. А. О распространении придонного гравитационного течения по крутому склону II Океанология. 1997. Т.37. №1. С. 44-49.

13. Даувальтер В. А., Моисеенко Т. И., Кудрявцева JI. П., Сандимиров С. С. Накопление тяжелых металлов в озере Имандра в условиях его промышленного загрязнения II Водные ресурсы. 2000. Т. 27. № 3. С. 313-321.

14. Демидова Т.А., Корчагин Н.Н., Маслов В.П. О генерации придонных течений импульсными возмущениями жидкости на поверхности океана И Океанология 1998, т.38 №4, с. 540-545

15. Еремина Е.Р., Карлин JI.H. Модель вертикальной структуры вод стратифицированных эстуариев. // Интрузионные течения: Теория и эксперимент. (Сборник научных трудов). Калининград. 1997. с.30-38.

16. Ершова М.Г., Эдельштейн К.К. Синоптическая трансформация поля плотности воды в равнинном водохранилище II Водные ресурсы. 1998. Т. 25. № 4. С. 432-439.

17. Жмур В. В. Сапов Д.А., Нечаев И.Д., Рыжаков М.В., Григорьева Ю.В. Интенсивные гравитационные течения в придонном слое океана П Известия РАН. Серия физическая, 2002, №12, том 66, №12, с. 17211726

18. Жмур В. В. Условия возникновения интенсивных взвесенесущих потоков в придонном слое океанана наклонном дне II Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2003, том 39, № 4, с. 574-582.

19. Зацепин А.Г., Гриценко В.А., Кременецкий В.В., Поярков С.Г., Строганов О.Ю. Лабораторное и численное исследования процесса распространения плотностных течений по склону дна // Океанология. 2005, т.45 №1, с. 5-15.

20. Зацепин А.Г., Костяной А.Г., Семенов А.В. Осесимметричное плотно-стное течение на наклонном дне во вращающейся жидкости // Океанология. 1996. Т. 36. № 3. С. 339-346.

21. Зацепин А.Г., Дидковский B.JL, Семенов А.В. Автоколебательный механизм формирования периодической вихревой структуры от стационарного локального источника на наклонном дне во вращающейся жидкости // Океанология, 1998, Т. 38, № 1, С. 47-55.

22. Зырянов В.Н. Топографические вихри в динамике морских течений. М. Изд. ИВП РАН. 1995.240 с.

23. Зырянов В.Н., Быстрова Н.А. О стационарных решениях в задачах о движении придонного плотностного потока по свалу глубин // Тез. докл. конф.: Динамика и термика рек, водохранилищ, внутр-х и окр-х морей. М.: ИВП РАН. 1994. Т. 2. С. 199.

24. Зырянов В.Н., Фролов А.П. Придонные компенсационные противотечения в водохранилищах равнинного типа И Водные ресурсы, 2006. Т. 33, № 1, с. 1-9.

25. Квон Д. В., Квон В. И. Численный расчет термического режима Те-лецкого озера с учетом сжимаемости II Метеорология и Гидрология. 1999, №10. С. 96-102.

26. Компаниец Л.А., Гаврилова Л.В. (99-05-64695) Численный алгоритм расчета ветровых течений стратифицированной жидкости II Тр. V-й конф. «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей». М.: ИВП РАН. 1999. С. 51-54.

27. Костяной А. Г. Структурообразующие процессы в апвеллинговых зонах // Дис. доктора физ.-мат. наук: 11.00.08. ИО РАН. Москва. 2000. 317с.

28. Костяной А.Г., Редькин Г.А., Степанов Ю.В. Мезомасштабная изменчивость гидрофизических полей Канарского апвеллинга по данным судовых и спутниковых наблюдений // Океанология. 1990. Т. 30. С.744-749.

29. Кременецкий В.В. Эволюция стратифицированных течений в водохранилищах. Дис. канд. физ.- мат. наук. М.: МГУ, 2000.150 с.

30. Кременецкий В.В., Рыкунов Л.Н., Самолюбов Б.И. Циркуляционное плотностное течение И Доклады Академии Наук. 1997. Т. 357. № 4. С. 539-541.

31. Кременецкий В.В., Самолюбов Б.И., Афанасьев Е.А., Решетков А.Б. Волновые придонные и промежуточные течения // В сб. "Человечество и береговая зона Мирового океана в 21 веке", Москва: ГЕОС, 2001. С. 223-231.

32. Кузнецов А.А. Экспериментальные исследования турбулентных плотностных потоков II Дис. канд. физ.-мат. наук: 01.04.12. М. 1979. 170 с.

33. Литвинов А.С. Формирование, структура и флуктуация термоклина в Иваньковском водохранилище II Факторы формирования внутренних водоемов. Л.: 1974. С. 120-147.

34. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа IIМ.: Наука. 1973. 848 с.

35. ЛонгиновВ.В. Очерки литодинамики океана. //М.:Наука. 1973. 244с.

36. Лонин С.А. Влияние взвеси на динамику мелководного водоема. // Изв. РАН, сер. Физ. атм. и океана, 1995, т. IV, с. 577-586.

37. Михайлова М. В., Беллотти П., Валери П., Тортора П. Проникновение морских вод на устьевой участок Тибра И Водные ресурсы, 1999. Т. 26, № 6. С. 757-764.

38. Моисеенко Т.И., Даувальтер В.А., Родюшкин И.В. Геохимическая миграция элементов в субарктическом водоеме (на примере озера Имандра) // Апатиты. Изд-во Кольского научного центра. 1997.

39. Моурел Т., Тор да Т. Расчет турбулентного смешения методом взаимодействия // Ракетная техника и космонавтика. 1974. Т.12.№24. с. 150160.

40. Озмидов Р.В. Вертикальный обмен через слои с большими вертикальными градиентами плотности в океане // Океанология, 1997 том 37, №4, с. 492-496.

41. Пальшин Н.И. Термические и гидродинамические процессы в озерах в период ледостава //Петрозаводск, 1999 г.

42. Показеев К.В., Филатов Н.Н. Придонные течения в озерах и водохранилищах // В кн. Гидрофизика и экология озер. Т. 1. Гидрофизика. М.: Физический факультет МГУ, 2002. С. 88 100.

43. Потёмкин В.Л., Потёмкина Т.Г. Транспорт реченых наносов в озере Байкал II Тр. V-й конф. «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей». М.: ИВП РАН. 1999. С. 367-368.

44. Прандтль Л. Гидроаэромеханика II Москва-Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2002, 572 с.

45. Пуклаков В.В. Моделирование плотностных течений слабопроточного долинного водохранилища II Водные ресурсы. 1999.

46. Пуклаков В.В., Эдельштейн К.К. Оценка интенсивности продольной плотностной циркуляции воды весной в долинном водохранилище.// Вестник МГУ, сер. 5, 1996,, с. 19-27.

47. Пуклаков В.В., Эдельштейн К.К. Расчеты плотностных течений в Можайском водохранилище. II Метеорология и гидрология. 2001. №5. С. 94-104.

48. Пыркин Ю.Г. Придонные плотностные течения II Дис. докт. физ. -мат. наук. М. МГУ .Физфак. 1979. 01.04.12-геофизика. 340 с.

49. Ривьер И.К., Литвинов А.С. Экологический подход к районированию водохранилищ верхней Волги в зонах поступления сточных вод II Водные ресурсы. 1996. Т. 23. № 1. С. 91-105.

50. Ривьер И.К., Литвинов А.С. Исследование районов повышенной экологической опасности на водохранилищах верхней Волги II Водные ресурсы. 1997. Т. 24. № 5. с. 590-599.

51. Самолюбов Б.И. Придонные стратифицированные течения IIМ. «Научный мир», 1999. 464с.

52. Самолюбов Б.И. Преобразования профилей коэффициента турбулентной диффузии в развивающемся плотностном потоке. И Океанология. 2001. Т. 41. № i.e. 7-13.

53. Самолюбов Б.И. Плотностные взвесенесущие потоки. II В сб. "Человечество и береговая зона Мирового океана в 21 веке", Москва: ГЕОС, 2001.С. 192-207.

54. Самолюбов Б.И. Профиль масштаба турбулентности в слое смешения течения, распространяющегося вдоль твердой поверхности. II Вестник МГУ. 1991. 3. Физика и астрономия. Т. 32. № 4. с. 80-86.

55. Самолюбов Б.И. Придонные стратифицированные течения и транспорт взвеси в водохранилищах и озерах П Водные ресурсы. 2006. Т. 33. №4. С. 440-454.

56. Самолюбов Б.И., Афанасьев Е. С. Динамика плотностного потока и перенос примесей с учетом взаимодействия придонного течения с дрейфовым. //Метеорология и гидрология. 2004. № 7. С. 95-105.

57. Самолюбов Б.И., Афанасьев Е.С., Шильнев А.В. Формирование распределений параметров состава воды в природных бассейнах с придонными и промежуточными стратифицированными течениями II Физическая экология. 2004. М.: МГУ. Физический ф-т. 2005. 15 с.

58. Самолюбов Б.И., Блохина Н.С., Даценко Ю.С., Ершова М.Г., Шакиро-ва Е.Р., Эдельштейн К.К. Исследование гидрологических и гидрохимических полей Можайского водохранилища И Метеорология и гидрология. 1998. №3. С. 82-91.

59. Самолюбов Б.И., Замарашкин A.J1.,. Шильнев А.В, Кременецкий В.В., Силаев А.В. Распространение стратифицированных течений в равнинных водохранилищах II Водные ресурсы. 2001. Т. 26. № 2. С. 148 -152.

60. Самолюбов Б.И., Зырянов В. Н., Слуев М. В., Кирпичникова Н. В. Структура течений в Иваньковском водохранилище II Водные ресурсы. 1999. Т. 27. №6. С. 665-671.

61. Самолюбов Б.И., Кременецкий В.В. О вихре-волновой структуре плотностного потока II Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 3. Физика. Астрономия. 1997. № 1.С. 106-109.

62. Самолюбов Б.И., Кременецкий В.В. Придонное течение и распределения параметров качества воды в водохранилище // Гидротехническое строительство. 1998. № 7. С. 19-22.

63. Самолюбов Б.И., Кузнецов И.С., Шильнев А.В., Кременецкий В.В. Плотностной поток и перенос примеси в губе Белой на озере Имандра II Гидротехническое строительство. 2002. № 10. С. 46 49.

64. Самолюбов Б.И., Силаев А.В. О турбулентном переносе тепла, импульса и взвеси в плотностном потоке II Вест. Моск. Ун-та. Сер. 3. Физика. Астрономия. 1999. Т. 40. № 5.

65. Самолюбов Б.И., Силаева JT.B. Диффузионный триплет в суспензионном течении II Вестник МГУ. Сер. Физика и астрономия. 1995. Т. 36. № 5. С. 63-67.

66. Самолюбов Б.И., Силаева JI.B. Диффузия и спектры размеров частиц взвеси в суспензионном течении И Физика Атмосферы и Океана. 1998. Т.34. № 2.

67. Самолюбов. Б.И., Силаева. J1.B. Восстановление профиля скорости суспензионного течения по распределению концентрации взвеси II Вест. Моск. Ун-та. Сер. 3. Физика. Астрономия. 1998. Т. 36. № 2. С.52-55.

68. Самолюбов Б. И., Слуев М. В. О структуре придонного стратифицированного течения П Метеорология и гидрология. 1996. № 1. С. 94100.

69. Самолюбов Б.И., Слуев М.В. Внутренние волны и вторичные течения в суспензионном потоке II Океанология. 1998. Т. 38. № 6. С. 820-828.

70. Самолюбов Б.И., Слуев М.В. Воздействие процессов переноса взвеси на устойчивость плотностного потока И Метеорология и гидрология. 1999.

71. Самолюбов Б.И., Слуев М.В. Распространение плотностного потока в Можайском водохранилище II Метеорология и Гидрология. 2000. №4. С. 103-113.

72. Самолюбов Б.И., Слуев М.В., Кременецкий В.В., Замарашкин A.J1. Придонное течение в озере Имандра // Гидротехническое строительство. 2001. №6. С. 43-45.

73. Самолюбов Б.И., Шильнев А. В. Модель взаимодействия сдвиговых слоев и описание массообмена в плотностном течении И Вестник МГУ. Серия Физика и Астрономия. 2004. № 4. С. 52 56.

74. Самолюбов Б.И., Шильнев А. В., Кузнецов И.С. Динамика интрузион-ных плотностных течений И Вторая всерос. научн. конф. "Фундаментальные проблемы физики", Саратов.: СГУ. 2000. Тез докл. С. 168169.

75. Самолюбов Б.И., Шильнев А. В., Слуев М. В., Кременецкий В.В., Мойя А.А. Плотностной поток, вызванный дождевым паводком в водохранилище II Метеорология и Гидрология. 2001. № И.С. 58-66 .

76. Саркисян А.С. Численный анализ и прогноз морских течений // JL: Гидрометеоиздат. 1977. 182 с.

77. Селегей В.В., Селегей Т.С. Телецкое озеро. И JL: Гидрометеоиздат. 1978. 142 с.

78. Скорер Р. Механика образования облачных валов II В кн.: Аэрогидродинамика окружающей Среды. М.: Мир. 1980 549 с.

79. Тернер Д. Наклонные струи и гравитационные течения Н Эффекты плавучести в жидкостях. М.: Мир. 1977. С. 201-210.

80. Уайтхед Дж. А. Гигантские водопады в океане // В мире науки. 1989. № 4. С. 26-04.

81. Фрост У., Моулден Т. Турбулентность. М.: Мир. 1980. 535 с.

82. Шильнев А.В. Взаимодействие сдвиговых слоев и распределение примесей в плотностном потоке II Юбилейная Всерос. конф. «Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы». М. МГУ. 2002. Тез докл. С. 247- 248.

83. Шильнев А.В. Эволюция полей температуры и концентраций примесей в водоёмах с придонными плотностными течениями // Четвертая всероссийская научная конференция «Физические проблемы экологии». М. МГУ. 2004. Тез докл. С. 85 86.

84. Шильнев А.В. Эволюция придонных течений и вертикальный турбулентный обмен в стратифицированных водохранилищах II Труды VI конференции ««Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей». М.: ИВП РАН. 2004. С. 107 -110.

85. Шильнев А. В., Самолюбов Б.И. Натурные исследования и моделирование гравитационного плотностного взвесенесущего течения // В сб. "Человечество и береговая зона Мирового океана в 21 веке", Москва, ГЕОС,.: ГЕОС, 2001. С. 207-216.

86. ШулейкинВ.В. Физикаморя. М.: Наука. 1968. гл.4. §10. с 460-462.

87. Эдельштейн К.К. Водные массы долинных водохранилищ // Изд-во Московского университета. 1991. 175 с.

88. Эдельштейн К.К. Динамика водных масс в водохранилищах и озерах — сходство и различие // Тез. Докл. Конф.: Динамика и термика рек, водохранилищ, внутренних и окраинных морей. М.: ИВП РАН. 1994. Т. 1. С.162.

89. Эдельштейн К.К. Водохранилища России IIМ.: ГЕОС. 1998. 277 с.

90. Эдельштейн К.К., Иваненко С.А., Патрик П.А. Пространственная структура ветровых течений в долинном водохранилище // Метеорология и Гидрология. 2001. №7. С. 89 100.

91. Albrecht A., Goudsmit G., Zeh М. Importance of lacustrine physical factors for the distribution of anthropogenic 60Co in Lake Biel II Limnology and oceanography. 1999. January. V. 44. P. 196-206.

92. Ardasheva M.E., Shilnev A.V., Samolubov B.I. Energy mass exchange and diffusion in density flow with interaction of shear layers II Int. conf. "Fluxes and structures in fluids". St. Petersburg. 2003. Abstracts of the Reports. P. 12-14

93. Bowden K.P. Turbulent Mixing in Estuaries II Ocean Management. No 6. 1981.

94. Cacchione D.A., Drake D.E. Nepheloid Layers and Internal Waves Over Continental Shelves and Slop II Geo-Marine Letters. 1986. Vol. 6. No 3. P. 147.

95. Chapman D. C. A Numerical Study of the Adjustment of a Narrow Stratified Current over a Sloping Bottom // J. Phys. Oceanography. 2000. V. 30. №11. P. 2927-2940.

96. Chikita K. Dynamic Sedimentation Processes of River Induced Turbidity Currents II Pr. Simp. "Chall Sustain. Dev." Perth. Austral. 1991. Pt. 1. P.268-273.

97. Cotner J. В., Johengen Т. H., Biddanda B. A. Intense winter heterotrophic production stimulated by benthic resuspension II Limnology and Oceanography. 2000. V. 45. №7. P. 1672-1676.

98. De Cesare G., Boillat J.L. Intrusive and bottom density currents and induced vertical exchanges in a stratified lake II XXX IAHR Congress. AUTh. Thessaloniki. Greece. 24-29 August 2003. V.l.THEME. C. P. 381388.

99. Di Iorio D., Yiice H. Observations of Mediterranean flow into the Black Sea И J. Geoph. Res., 1999. V.104. NO, C2, P. 3091-3108.

100. Eldvic K., Brors B. Self-accelerated Turbidity Current Prediction Based upon (k-s) Turbulence II Contin. Shelf. Res. 1989. Vol. 9. No 7. P. 617627.

101. Fukuoka S., Fukushima Y., Murata K. and Arai K. Experimental study of density currents advancing into two-dimensional stratified reservoir //Proc. JSCE, 1980, vol. 293, pp 65-77.

102. Gross T.F., Dade W.B. Suspended Sediment Storm Modelling // Marine Geology. 1991. V.99. P. 343-360.

103. Gu R., McCutcheon S., Wang P. Modeling reservoir density underflow and interflow from a chemical spill II Water Resourses Research. 1996. VOL. 32. N0.3. P. 695-705.

104. Hohmann R., Kipfer R., Peeters F., Piepke G., Imboden V. M., Shimaraev M. N. Processes of deep-water renewal in Lake Baikal II Limnology and oceanography. 1997. V. 42. №5. P. 841-855.

105. Hollister C.D., Nowell A.R., Jumars P.A. The dynamic abyss II "Sci. Amer." 1984. V. 250. № 3. P. 32-43.

106. Hidekatsu Yamazaki An observation of gravitational collapse caused by turbulent mixing II J. ofPhys. Oceanography, AMS, 1996, V.26 p. 826-831

107. Ivanov V.V., Shapiro G.I. Formation of a dense water cascade in the marginal ice zone in the Barents Sea // Deep Sea Research Part I: Oceano-graphic Research Papers. 2005. V. 52, Issue 9. P. 1699-1717

108. Ivanov V. V., Shapiro G. I., Huthnance J. M., Aleynik D. L. and Golovin P. N. Cascades of dense water around the world ocean II Progress In Oceanography. 2004, V. 60, Issue 1 , P. 47-98.

109. Kampf J., Fohrman H. Sediment Driven Downslope Flow in Submarine Canyons and Channels И J. Phys. Oceanogr. 2000. V. 30. № 9. P. 2302 -2319.

110. Kikuchi Т., Wakatsuchi M., Ikeda M. A numerical investigation of the transport process of dense shelf water from a continental shelf to a slope // J. Geophys. Res., 1999. V. 104, NO. CI, P. 1197-1210.

111. Kneller В. C., Bennett S. J., McCaffrey W. D. Velocity structure, turbulence and fluid stresses in experimental gravity currents II J. Geophys. Res., 1999. V. 104. NO. C3, P. 5381-5391.

112. Kneller, В., С. Buckee. The structure and fluid mechanics of turbidity currents: A review of some recent studies and their geological implications II Sedimentology. 2000. Vol. 47, p 62-94.

113. Lane-Serff G. F., Baines P. G. Eddy Formation by Overflows in Stratified Water // J. Phys. Oceanography. 2000. V. 30. № 2. P. 327 337McLean S.R. Theoretical modelling of deep ocean sediment transport. II Marine Geology. 1985. v.66. p.243-265.

114. Michioku K. Hydrodynamics in Lakes and Reservoirs Res. & Practice in Hydraulic Engineering in Japan II Special Is. of JHHE SI-1. 1993. 9. P. 1739.

115. Michioku K. Turbulence modeling on density current flowing into a stratified reservoir II "Fluxes and structures in fluids". Selected Papers. Int. conf. Moscow. 2001. IPM RAS. M. 2002. P.147-153.

116. Michioku К., Matsushita К., Takahashi Т. Inclined wall plume generated by buoyancy flux from sloping bed II Proc. 5th Intnl. Symp. On Stratified Flows. 2000. 7. V.2. P. 697-702.

117. Oldham С. E., Sturman J. J. The effect of emergent vegetation on convec-tive flushing in shallow wetlands: Scaling and experiments // Limnology and Oceanography. 2001. V.46. №6. P. 1486-1493.

118. Peeters F., Finger D., Hofer M., Brennwald M., Livingstone D.M., Kipfer R. Deep-water renewal in Lake Issyk-Kul driven by differential cooling II Limnol. Oceanogr. 2003. V. 48. №4. P. 1419-1431.

119. Peeters F., Livingstone D. M., Kipfer R., Forster R., Goudsmit G. Modeling 50 years of historical temperature profiles in a large central European lake И Limnology and Oceanography. 2002. V.47. №1. P. 186-197.

120. Quadfasel D., Kudrass H., Frische A. Deep water renewal by turbidity currents in the Sulu Sea II J. Nature. 1990. V. 348. № 6299. P. 320-322.

121. Ravens Т. M., Kocsis O., Wilest A., Granin N. Small scale turbulence and vertical mixing in Lake Baikal II Limnology and Oceanography. 2000. V. 45. №1. P. 159-173.

122. Samolyubov B.I. Transformations of the intermediate and near-bottom stratified currents and their mutual turnings into each other // "Fluxes and structures in fluids 2005", Selected Papers. Moscow.: IPM RAS, 2006. P. 279-285.

123. Samolyubov B.I., Afanjasev E. S., Shilnev A.V. Stratified currents in the gradient flow at the complex bottom relief 11 Int. conf. "Fluxes and structures in fluids". Moscow. 2005. Abstracts of the Reports. P.98-100.

124. Samolyubov B.I., Kirillov W.W. The interacting and transforming into each other jet-type and near-bottom stratified currents II Int. conf. "Fluxes and structures in fluids". Moscow. 2005. Abstracts of the Reports. P.96-98.

125. Samolyubov B.I., Kremenetskiy V.V., Sluev M.V., Shilnev A.V. Gravity current induced by runoff in reservoir II Int. conf. "Fluxes and structures in fluids" St. Petersburg. 1999. Abstracts of the Reports.P.l 10-111.

126. Samolyubov B.I., Shilnev A.V. Evolution of the profiles of the water state parameters as a result of the shear layer interaction in stratified flow И Int. conf. "Fluxes and structures in fluids" Moscow.2001. Abstracts of the Reports. P.180-181.

127. Shepard Francis P. Currents in Submarine Canyons and Other Types of Seavalleys II Soc. Econ. Paleontol. and Miner. Spec. Publ. 1979. No 27. P. 85-94.

128. Simpson J.E. Gravity currents in the laboratory, atmosphere and ocean II

129. J. Annu. Rev. Fluid Mech. 1982. V. 14. P. 213-234. 143.Stacey M., Bo wen A. The Vertical Structure of Density and Turbidity currents И J. Geophys. Res. 1988. Vol. 93. No 4. P. 3528.

130. Stephens J. C., Marshall D. P. Dynamics of the Mediterranean Salinity Tongue II J. Phys. Oceanography. 1999. V. 29. № 9. P. 1425 1441.

131. Thorpe S.A., U. Lemmin and oth. Observations of the thermal structure of a lake using a submarine II Limn. Oceanogr., 44(6), 1999, p. 1575-1582

132. Trowbridge J.H., Kineke G. C. Structure and Dynamics of Fluid Muds on the Amazon Continental Shelf II J. Of Geoph. Res. 1994. Vol. 99. CI. P. 865 874.

133. Trowbridge J.H., Lentz S.I. Dynamics of the Bottom Boundary Layer on the Northern California Shelf II J. Phys. Oceanography. 1998. V. 28. № 9. P. 2075-2093.

134. Turner J. S. Turbulent Entrainment: the Development of the Entrainment Assumption, and its Application to Geophysical Flows II Journal of Fluid Mechanics. 1986. Vol. 173. P. 431-471.

135. Wells M.G., Sherman B. Stratification produced by surface cooling in lakes with significant shallow regions II Limnology and Oceanography. 2001. V.46. №7. P. 1747-1759.

136. Wiegand R., Carmack E. Some types of temperature inversion encountered in a fresh water lake II J. Limnol. and Oceanogr. 1981. V. 26. № 3. P. 565-571.

Информация о работе

Шильнев, Андрей Владимирович
кандидата физико-математических наук
Москва, 2007
ВАК 25.00.29

Диссертация

Массообмен и структурные преобразования в плотностном потоке - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы