Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Моделирование гидро- и литодинамики приливных морских бассейнов

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Моделирование гидро- и литодинамики приливных морских бассейнов"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РФ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Р Г Б ОД

На правах рукописи УДК 551.465

2 5 НОЯ

НГУЕН ТХИ БАЙ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРО- И ЛИТОДИНАМИКИ ПРИЛИВНЫХ МОРСКИХ БАССЕЙНОВ

Специальность: 11.00.08 - океанологии

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Санкг- Петербург 1996

Работа выполнена в Российском Государственном гидрометеорологическом институте

Научный руководитель: доктор географических наук, професор

A. В. Некрасов. Официальные оппоненты:

доктор географических наук, професор

B. Р. Фукс,

кандидат физико - математических наук К. А. Клеванный

Ведущая организация : Всероссийский Научно - Исследовательс

Геологический И ПО I VI I ут им. А. П. Карпино

Защита сссоится " " декабря 1996 г.

на заседании Специализированного Совета К.063.19.01 при Российском Государственном гидрометеорологическом институте по адресу: 195196, г. Санкт- Петербург, Малоохтиский пр. 98.

С диссертаций можно ознакомиться в библиотеке Российского Госудасственного гидрометеорологического института.

Автореферат разослан " " ноября 1996 г.

Учёный секретарь Диссертационного Совета

к.ф.-м.н, доц. В.Д. Еникеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

Изучение гидродинамических процессов, эволюции берегов и дна окраинных морей и заливов является составным звеном всесторонних геофизических исследований, направленных на решение экологических проблем, обоснование строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений. К сожалению, вопросы литодинамики приливных явлений залива Бакбо (Южно-Китайское море), до сих пор не рассматривались, и нет чётких представлений о той роли в перемещении осадочного материала, которую играют приливные движения, являющиеся основным фактором формирования гидродинамического режима в этом районе. Проведение исследований, позволяющих получить полную картину приливных движений и перемещения наносов при учете их взаимодействия в рамках единой численной модели является весьма актуальным. Цель и основные задачи работы:

Целью настоящей диссертационной работы является совместное изучение приливных движений и перемещения наносов в заливе Бакбо в рамках единой численной модели. В соответствии с этой целью в диссертации решаются следующие задачи:

1) Создание базы данных необходимых для проведения расчётов.

2) Разработка единой гидро- и литодинамической модели для залива Бакбо и построение криволинейной расчетной сетки.

3) Расчет приливных движений в криволинейной системе координат.

4) Расчет перемещения наносов и деформации дна под влиянием приливных движений.

Научная новизна:

В работе впервые проведены совместные расчеты приливных движений и перемещения наносов в заливе Бакбо в криволинейной системе координат, обеспечивающие более высокий уровень

достоверности полученных данных анализа приливных колебаний литодинамики этого залива.

Практическое значение:

Результаты, полученные в работе, могут быть использован при решении ряда прикладных задач, в частности, при обоснована строительства гидротехнических сооружений в районе побережь Республики Вьетнам.

Апробация работы:

Основные результаты диссертации докладывались на семинар кафедры динамики океана РГГМИ и на международной конференцу "Физические процессы на шельфе" в июле 1996 года в Калининград«

Структура и обьем работы:

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения списка литературы. Общий сбьем работы 129 страниц, включая £ страниц машинописного текста и 36 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

5о введении обосновывается актуальность исследованс гидро- литодинамики приливных бассейнов и выбор залива Бакбо качестве объекта такого исследования.

В первой главе излагаются основные особенности гидро-литодинамических процессов в приливных морских бассейнах и, частности, в заливе Бакбо.

_ В первом разделе этой главы дано описание общ особенностей гидро-и литодинамических процессов в приливн! морских бассейнах. Показано, что чёткая периодичность, устойч вость приливных движений обусловливает постоянн; напрзалэннссть и интенсивность процессов перемещения осадочнс материала. Наибольшая активность литодинамических процесс наблюдается в прибрежных областях, т.е. в местах интенсивно ззаииюдействия моря и суши. Интенсивность такого взаимодейств

определяется метеорологическими и гидродинамическими факторами (ветроволновой деятельностью, приливными движениями, сгоно-нагонными явлениями, течениями), их режимными характеристиками морфометрическими и геоморфологическими особенностями берегов и дна морских бассейнов.

При изучении литодинамических процессов приливных окраинных бассейнов представления о балансе наносов береговой зоны должны базироваться на указанных соображениях с учётом общих закономерностей гидрогенного седиментогенеза применительно к данному морга и заливу. Именно такой подход позволяет выявить основные тенденции к увеличению или уменьшению осадочного материала и соответствующей деформации дна в береговой зоне. _ Во втором разделе рассматриваются основные характеристики залива Бакбо, который является одним из самых крупных заливов Южно-Китайского моря. Кроме того, рассмотрены приливные явления в заливе Бакбо и результаты их моделирования. Приливные волны распространяются в залив из открытого моря, главным образом через пролив Ваши, и имеют в основном суточный характер. Влияние полусуточных составляющих здесь очень мало. Здесь же рассмотрены некоторые работы, посвященные приливным явлениям ЮжноКитайского меря в целом, в том числе охватывающие и залив Бакбо.

В конце этого раздела даны особенности литодинамических процессов в заливе Бакбо. Грунты в заливе почти всюду состоят из мелкого песка алеврита. По данным наблюдений мутность взвешенных наносов меняется во времени не очень сильно, её среднее значение составляет около 10 мг/л.

_ В третьем разделе первой главы проводится постановка задачи моделирования динамических процессов з криволинейных координатах 4.Л и излагается метод криволинейных сеток. В данном случае сетка строится с помощью решения эллиптических уравнений в частных производных - уравнений Пуассона:

-о -

в которых правые части Р, Q выступают управляющими функция! (Thompson,19.82).

Решение этой системы уравнений в расчетной области (q,

пригодится к виду: L(r) = дпг.. -2ди г1ц + дигтт = -J2(Pn +Qrn).

где J : якобиан преоброзования ; J = х.уц- хпу,; 0 * J < со.

Ео второй главе предлагается математическ гидролитодинамическая модель мелководного приливного бассейна _ В разделе 2-1 рассмотрена модель приливных движений. Зде приводятся система уравнений мелкой воды, граничные условия уравнение баланса энергии.

_ В разделе 2-2 рассмотрены модель расхода наносов деформации дна мелководного приливного бассейна. При иссле; вании транспорта наносов принимается допущение о разделен наносов на два вида: - донные и взвешенные. Используется уравь ние переноса примеси с соответствующими граничными условия!\< Предлагается метод расчета расхода донных и взвешенных наносс Скорость изменения глубины /7( можно получить, использ уравнение неразрывности, записанное для донного грунта.

Третья глава посвящена описанию модели гидролитодинами приливного бассейна с использованием системы криволинейн координат.

_ В разделе 3-1 рассматриваются основные операции диф4 ренцирсвания и интегрирования в криволинейных координатах. Дал рассмотрена! краевая задача для приливных уравнений в кр волинейных координатах. Эти уравнения имеют вид:

r=xi +yj; g22=x=+y; = |rnj2;g12 = x;x„+y;yn = r.rn;g11 = x;i+y?2=|/;

и

где г =t; р = JUH] q = JVH. ; H = h+ Ç

h : глубина ; Ç : приливное возвышение;

U, V : контравариантные компоненты вектора v;

i/ = J"i[uyT1 -vx„]; = +vx.j.

и y : декартовые компоненты вектора v.

Vi = H'ai + + M>ki ; 4': = M'd2 + Ч'т: + 1Ск: !

4>ai. Щ2 : выражения для адвекции в криволинейных координатах по i и г). Аналогично: ч;т1 _ ч/тз - компоненты напряжения трения на дне ;

Ч'т. Vtf- компоненты силы Кориолиса;

Va. = 'Иа2 =

(pu). + (pV\ + 2UV Г;1, +\/jn2)j;

(qU). +(qV\+JH(U2 Г,2, ^UVT^+V2^

К; К.

ч/-. =—! v ip; ш., =--'vier;

Н' "г Н' '

'!'.•« = fJ~\9\zP + 9пЧУ' 4>кг = J 1{9пР + 9иЯ)-f: параметр Кориолиса; К: коэффициент донного трения; Г,*, - символы Кристоффеля 1Гого рода, которые определяются

it

следующим образом: Г," = ^р-а".

' ij 1

61,6-: векторы основного базиса, которые определяют направление с, т| линий; е1,е2: векторы взаимного базиса.

В качестве граничных условий на жидкой границе задаётся значение уровня ц для каждой из четырёх гармоник K^tO\,M2,S2 в виде: Z. = A-cos(at -

где А, ст. д° - амплитуда, частота и фаза приливной гармоники. На твёрдой границе имеется условие: р = 0 на 4 = const; q = 0 на л = const.

Составляющие уравнения баланса энергии в криволинейных координатах примут следующий вид:

К = IpjJj-'HVotf; Р = Jpgjj JC'dZY; И/ = pj'q^"""13" + J ;

" Q" ~ сГ ч. - '

О, = -Кр ¡\Г2Н-'-р-сКГ; 0„ = — !|у [р" V 2р + 0"У:о];

а- ' сИ а- 1 ''

!

где р = Щ VI = (дир: +2д1гря + д22чг)!;

К" - кинетическая энергия; Р - потенциальная энергия; - поток энергии через жидкую границу;

01 - скорость диссипации энергии придонным трением;

02 - скорость диссипации энергии за счёт сглаживания п расчёте; О = О / ♦ Ог ;

Р ,0 - ковариантные компоненты вектора скорости V; Р' = д^и + д^У-, О' = дпи + да'/;

у - коэффициент сглаживания. Уравнение баланса энергии записывается в следующем виде:

Е, = уУ + £?; где Е = К + Р;

_ В разделе 3-2 рассмотрены уравнения переноса примеси деформации дна з криволинейных координатах. Они записывают следующим образом: С^Г'Н-'у^рС. +с?Сп) =

= у;«:(С. -С)Н-1 +КГ ^[(у0С. -Р0СП)5 +(а0Сл -Р0С,)я

/I, = [е + ^т^с + ^Л

1-е - 1

где Уз = Рс = ао =

С - осреднённая по глубине концентрация;

Сп - осреднённая по глубине равновестная концентрация.

у =0,434 + 5,975-1 +2.888-а

У пии —

при - = 0,05; 2 = -

у, =0,980-0,198-г + 0,032Н х(и.+2ю5)

и. - динамическая скорость потока жидкости; 2 - параметр взвешивания; х - постоянная Кармана; из5 - гидравлическая крупность (скорость сседания); ¿р - пооистость донного грунта; дь - придоный расход. Параметры ус",определяются эмперическим путём(по Ван-Рейн;

Е - оорость эрозии или аккумуляции взвешенного материала на единицу площади.

Граничные условия для уравнения переноса примесей запишутся в виде:

'■На твердой границе:

С, = — С на с, = const; С„ = С, на л = const. '022 5l1

"На жидкой границе: С =СР

."При моделировании суммарных приливных движений совместно с перемещением наноссов, на жидкой границе, где

распссгажено устье реки задается следующее граничное условие для

5q 3QK7

уровда( по Доронину Ю.П.):

дп LgH1

которге в криволинейных координатах запишется следующим

як*

оораэгм: - -—- =-- на - = const;

3,^4JQK, -=— =-- на ri = const;

где : расход речного стока;

ifz: коэффициент вертикальной турбулентности; 0(Х, )=10"2 м2/с; £ : ширина реки; д: ускорение свободного падения. _ 3 раздела 3-3 приведена численная схема модели. В вычислительной области построена расчётная сетка:

Ц^^лЛт, iAZ, /Дл}где л = 0.........Г; / = 0..........К: j = 0..........L

Система уравнений приливных движений интегрируется

метсксм переменных направлений на разнесённой сзтке. На первом

i 1 1 Лт— И— rtf —

пйпуизгв рассчитываются р ; - ; q ;

1

-и п*~

аназтором: qn~ , ,• р г ■

'■У-т I'^rJ

Алгоритм численного решения уравнений для концентраци взвешенных наносов и деформации дна также основан на метод переменных направлений. Процедура расчёта изменения глубины в морфологическом масштабе времени может быть схематичн изложен следующим образом. Вначале моделируются суммарны приливные движения в исследуемом бассейне. Вычислени производятся до момента установления их режима во всех ячейка расчётной сетки. Затем в рассмотрение совместно с приливным движениями вводятся перемещения донных и взвешенных наносов проводятся расчёты значений мутности и расходов, а такж взмучивания и оседания, по которым определяется в итоге величин возникающих деформаций дна. При этом расчёты перемещени взвешенных наносов выполняются с тем же временным шагом, что вычисления приливных движений, а расчёты перемещений доннь наносов и деформаций дна - с "морфологическим" шагом по времен (в расчетах принималось ЗД). Данная задача решается н период в 15 суток, что позволяет принять во внимание сизигийнный квадратурный приливы. Вычисленные за этот период деформаци дна могут служить исходными данными для продолжени дальнейших расчётов. Далее, возможно с учётом изменившегос рельефа дна, повторяется решение задачи по изложенном алгоритму, а именно: производится расчёт приливных движений бассейне до момента их установления с последующим подключение литодинамических расчётов.

3 четвёртой главе приводятся результаты экспериментов дается анализ результатов выполненных расчётов. _ 8 разделе 4-1 представлена реализация моделировав приливных явлений в заливе Бакбо.

Необходимым условием корректности численной схемы инт грирования является выполнение условия общего энергетичесш баланса, выражающего равновесие между притоком энергии извне

её расходом внутри бассейна. Разность ('/V + О) - Е( можно трактовать как погрешность вычислений, связанную, главным образом, с диссипативностью разностной схемы. В среднем, погрешность составляет около 5-7%. При этом сравнение расчётных результатов с фактическими данными для пунктов береговых наблюдений показало, что максимальное расхождение по амплитуде не превышает 10 см. Это гораздо более близкое совпадение, чем то, которое было достигнуто в прежних работах. Полученные приливные карты представляются поэтому более достоверными.

При взгяде на полученные приливные карты, можно отметить близкое сходство между суточными гармониками К-\ \л 0-\, также как и между полусуточными гармониками Мг и о?. Таким образом, рассматривая особенности приливных карт и механизм их формирования, можно говорить о едином суточном и едином полусуточном приливе.

Суточный прилив характеризуется отсутствием явных амфидрсмических систем, что свидетельствует о значительной диссипации его энергии з вершине залива.. Максимальные амплитуды (90 см для С, и 85 см для /<",) имеют место в вершине зализа, а минимальные - у Вьетнамского побережья и на жидкой границе. Эллипсы суточных приливных течений ориентированы, в сснсгном, вдоль сси залива; их максимальные величины приурочены к узловой зоне на входе и к "правому" берегу бассейна (вблизи о. Хайнань), где максимальное значение достигают 69 см/с для гар?«гники К\ и 80 см/с для гармоники О^.

Полусуточный прилив в заливе ¡Бакбо выражен несколько сласзэ суточного. Максимальные значения амплитуд в вершине зализа достигают лишь 17 см для гармоники в; и 42 см для гармгники М2. Расчёт показывает наличие амфидрсмических систем к северо-западу от о.Хайнань. С амфидромическими центрами совпадают зоны минимальных амплитуд. Вращение амфидромических

систем происходит против часовой стрелки, свидетельствуя о том, что причиной их образования является сила Кориолиса.

В разделе 4-2 представлены численные эксперименты по моделированию литодинамических процессов. Эксперименты проведены на период 15 суток. Для этого периода времени определялись изменения глубин и результирующие векторы' расходов наносов. Уравнение перемещения наносов интегрировалось с шагом по времени Д1 = 900 е., а уравнение для изменения глубин - с шагом лт = 1800 с. Расчёты выполнялись на первом этапе без учёта выноса за счёт речного стока и на втором - с учётом последнего.

Рассчитанная мутность отражает основные черты гидродинамики бассейна, достигая максимума при максимальных скоростях течения и минимума в промежуточные моменты времени, близкие к полным или малым зодам, когда течение затухает.

Установлено, что основной вклад в литодинамику бассейна вносят взвешенные наносы, значительно превосходящие по мощности донные (последние составляют в среднем 20% - 23% от общего количества переносимого осадочного материала).

Расчёты показали, что результирующий поток наносов в заливе Бакбо имеет сложный характер. Аккумуляция наблюдается там, куда направлен вектор результирующего (остаточного) потока наносов. Такими районами аккумуляции являются западная часть острова Хаинань, восточная часть побережья Вьетнама (центр 20°20 с.ш., 106^50 в.д.). Эти районы совпадают с районами повышенной мутности, где значение мутности достигает 50 мг/л, а максимальная скосость изменения глубины - 10 мм/'сут (при отсутствии учёта речного стока). Внутри залива обнаруживаются зоны эрозии, которые находятся дальше ст берегов и рядом с районами осаждения. Скорость эрозии в этих районах маленькая (0,3 мм/сут.), но они растягиваются на большой площади, здесь значение мутности меньше 1 мг/л.

При учёте речного стока вид полученной картины деформации дна меняется. Главная часть твёрдого стока, выносящегося из реки, сразу оседает и образует зону аккумуляции (восточная часть побережья Вьетнама с координатами около 20°30 с.ш., 1С6°30 в.д.) с большой скоростью изменения глубины, максимальное значение которой достигает 16 мм/сут. Меньшая чась твёрдого стока переносится на юг здоль берега СРВ (от 18°10 с.ш. по 19°40 с.ш.) и участвует в процессе аккумуляции в этом районе, однако здесь скорость аккумуляции незначительна ( меньше 2 мм/сут). Зоны аккумуляции западной части острова Хайнань и эрозии остаются почти без изменений. Таким образом, можно сказать что в целом твёрдый речной сток мало влияет на процесс перемещения наносов в заливе Бакбо, что соответствует данным наблюдений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главные результаты выполненной работы могут быть сформулированы в виде следующих положений.

1) Исследована связь между гидре- и литсдинамическими процессами, происходящими в морских приливных окраинных бассейнах (на примере залива Бакбо). Выявлена роль приливных движений в формировании рельефа дна и транспорта наносов.

2) Предложена физико- математическая формулировка задачи численного моделирования гидро-и литодинамических процессов в зализе Бакбо и разработан метод расчёта приливных движений и транспорта наносов а рамках единой численной модели. При расчёте исг.ользованы уравнения мелкой воды и уравнение переноса прммеси с функцией источника, описывающей взмучивание и ссаждение частиц грунта, которая полагалась пропорциональной разности фактической и равновесной концентраций в придонном croe. Расход донных наносов определялся по формуле Ван Рейна.

3) Произведен расчет изменения глубин, вызванного эрозией днг или аккумуляцией наносов. Расчет основан на уравнена неразрывности, записанном для донного грунта и учитывающее скорость взмучивания или осаждения вззешенных частиц.

4) С целью повышения точности численного интегрирования уравнений описывающих гидро- и литодинамические процессы произведено их приведение к криволинейным координатам, согласованным с границей расчётной области; при этом выполнено исследование метода построения криволинейной расчётной сетки.

5) Разработанный метод расчёта приливных движений и перемещения наносов реализован на численной модели залива Бакбо где главную роль в формировании гидро- и литодинамическогс режимов играют приливные процессы. Выполненные расчёты, относящиеся к воспроизведению четырёх глазных гармоник Оь Ки Мг 02 и суммарного прилива за период 15 суток, показали достаточную точность решения. Погрешность вычислений связана главные образом с диссипативностью, возникающей в разностной схеме при использовании криволинейных координат и определённой с помощью уравнения энергетического баланса приливного процесса Эта погрешность составляет в среднем 5-7% от величинь расчитываемых характеристик. Данное обстоятельство также свидетельствует о достаточно высокой надёжности используемогс численного решения и о достоверности полученных результатов пс воспроизведению реальных приливных движений в заливе Бакбо.

6) Получено представление об общей схеме перемещения донны; и взвешенных наносов в заливе Бакбо. Выявлено существенно« преобладание расходов взвешенных наносов над донными (последние составляют около 20-23% от общего количеств; переносимого осадочного материала и заливе). Определен« среднее значение мутности по всему бассейну, достигающее 5 мг/; при отсутствии учёта речного стока и 8 мг/л - при учете последнего

Устансвлены зоны эрозии и аккумуляции грунта а пределах залива, произведена оценка скорости этих процессов. При отсутствии учета речного стока максимальная скорость изменения глубины в зонах аккумуляции - 10 мм/сут., а в зонах эрозии - 0,3 мм/сут. Выявлена роль твёрдого речного стока э процессе перемещения наносов и деформации дна залива. Главная часть твёрдого стока, выносящегося из реки сразу оседает в районе устья с максимальной скоростью аккумуляции -13 мм/сут. 7) Полученные результаты численного эксперимента, несмотря на значительное упрощение в постановке литодинамической части задачи, в целом и количественно, и качественно подтверждают ведущую роль приливных движений в формировании литодинамического режима залива Вакбо. Вместе с тем зерификация литодинамического решения общей задачи затруднена отсутствием необходимого фактического материала для полной и строгой оценки выполненных расчетов. Полученные результаты, тем не менее, з целом дают достаточно определенное представление о характере перемещения, направления и мощности потока наносов. Эта модель впервые реализована для залива Баксо.

По теме диссертации подготовлена статья на английском языке, находящая в печати под названием:

" Simulation of Lithoainamicai Processes in Tidal Basins " // Physical Processes cn the ocean shelf - International

^ui насПСс - june, i - ixaiii in cju.

Нгуен Тхи Бай Автореферат

ЛР » 020309 от 28.II.91 Подписано в печать 23.10.96.Формат 60 х 90 Vjg-Бум.кн.-жур. Пвч. л.1,0, Тир. 100. MITA РИМ. Зак. 7. РГШИ, I95I96, СПб, Малоохтинский пр., 98.