Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Некоторые закономерности переноса взвешенной примеси приливными течениями на мелководье

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата физико-математических наук, Решетков, Александр Борисович, Москва

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ВОДНЫХ ПРОБЛЕМ

На правах рукописи УДК 551.465

РЕШЕТКОВ АЛЕКСАНДР БОРИСОВИЧ

НЕКОТОРЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПЕРЕНОСА ВЗВЕШЕННОЙ ПРИМЕСИ ПРИЛИВНЫМИ ТЕЧЕНИЯМИ НА МЕЛКОВОДЬЕ

Специальность 04. 00. 23 — физика атмосферы и гидросферы

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель — доктор физ, —мат. наук В.Н. Зырянов

Москва - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................4

Глава 1. Обзор литературы................................12

Глава 2. Основные уравнения.

2.1. Введение............................................23

2.2. Постановка задачи....................................23

2.3. Эволюционное уравнение для уровня в области закритических глубин

и некоторые его аналитические решения..................28

2.4. Анализ уравнения диффузии взвеси......................31

2.5. Заключение..........................................35

Глава 3. Формирование и эволюция донных форм

под влиянием приливов.

3.1. Введение............................................36

3.2. Остаточный перенос взвеси и деформация дна

приливами в условиях размываемого грунта...............36

3.3. Эволюция локальной донной формы......................43

3.4. Заключение..........................................45

Глава 4. Лабораторное моделирование динамики донной формы в

приливном течении в области закритических глубин.

4.1. Введение............................................49

4.2. Описание экспериментальной установки..................49

4.3. Расчёт режима течений и режима динамики частиц

в установке..........................................53

4.4. Сравнение результатов лабораторного эксперимента с результатами численных расчётов........................63

4.5. Заключение..........................................63

Глава 5. Остаточная приливная циркуляция водных масс на

мелководье. Теоретическое и экспериментальное исследование.

5.1. Введение............................................66

5.2. Остаточный перенос вод................................67

5.3. Лабораторное моделирование остаточного переноса

водных масс..........................................71

5.4. Расчёт остаточного переноса в эксперименте...............80

5.5. Заключение..........................................86

Глава 6. Параметризация распределения взвеси по вертикали.

6.1. Введение............................................89

6.2. Аппроксимация коэффициента турбулентной вязкости.......89

6.3. Теоретический профиль концентрации взвеси.

Сравнение с экспериментальными данными................90

6.4. Заключение..........................................93

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................96

Приложение. Расчёт стоксова переноса........................98

ЛИТЕРАТУРА............................................101

ВВЕДЕНИЕ

В задаче транспорта наносов сейчас достаточно хорошо изучены крайние временные масштабы, соответствующие квазистационарным (типа речных) потокам [5, 32, 34] и быстроосциллируюгцим движениям воды, а именно, ветровому волнению [1, 22]. В тоже время, задача о переносе взвешенной примеси приливным течением, расположенным посредине этой временной шкалы и не относящимся ни к тем, ни к другим, находится на начальной стадии решения. Вместе с тем, теоретическая и практическая важность этой проблемы несомненна.

Приливы характерны для всего Мирового океана. Хорошо известно, однако, что наибольшее влияние на гидродинамические процессы, а также на связанные с ними процессы перемещения осадков приливы оказывают на шельфе, особенно в его мелководных прибрежных районах. Действительно, диссипация приливной энергии на всех мелководьях Мирового океана составляет около 2/3 общей диссипации энергии лунных и солнечных приливов в Земле т.е. 1,7 -1019 эрг/с (в том числе 0,24 -1019 эрг/с в Беринговом море и 0,21-1019 эрг/с в Охотском море) [26]. Средняя величина расхода энергии ветровыми волнами на мелководье, для сравнения, составляет около ЗД-1019 эрг/с [36]. Таким образом, приливам принадлежит принципиально важная (а иногда и определяющая) роль в процессах перемещения вод и взвешенных наносов в мелководной береговой зоне.

Отметим, что ширина зоны шельфа Баренцева, Карского и других северных морей России, а также Охотского и Берингова морей часто превышает 1000 км. Перечисленные области — регионы повышенного экономического интереса. Здесь ведутся разработки месторождений нефти и газа, исследуются возможности добычи некоторых других полезных ископаемых. Отсюда поступает свыше

90 % всей выловленной в России рыбы. Таким образом, изучение динамики приливных течений и процессов переноса осадков этими течениями на мелководье является важной с экономической точки зрения задачей.

В настоящее время имеется вполне развитая теория приливных течений в прибрежных мелководных областях шельфа [6, 16, 17, 18]. В тоже время задачи, связанные с транспортом наносов приливами в этих районах, как уже было сказано, далеки от полного решения.

Таким образом, актуальность проводимых в диссертации теоретических и экспериментальных исследований определяется помимо чисто научного интереса к изучаемой проблеме, также необходимостью практического решения ряда инженерных задач, связанных с перемещением донного грунта приливной волной на мелководье.

Основной целью диссертации является теоретическое и экспериментальное исследование переноса взвешенной примеси приливными течениями в мелководных прибрежных районах океана и окраинных морей.

Механизмы формирования вдольбереговой и поперечной к берегу компонент остаточного за приливной цикл полного потока взвеси приливным течением различны. Вдольбереговой перенос взвеси обусловлен существованием остаточного вдольберегового переноса водных масс. При этом значения скоростей вдольберегового приливного течения малы и не превышают размывающих даже для мелкой фракции наносов. В свою очередь, транспорт взвеси в поперечном направлении определяется соотношением скоростей приливного течения и размывающей для данного типа грунта, слагающего дно. Остаточный поток водных масс в этом направлении равен нулю.

В диссертации рассматриваются два предельных случая: перенос взвешенных частиц крупной фракции с размером частиц 0,5мм и выше и перенос мелкодисперсной примеси с размером частиц менее 0,1мм, которая за интервал нулевых скоростей между фазами прилива и отлива не успеет осесть на дно и будет постоянно находиться во взвешенном состоянии. Из изложенных выше соображений ясно, что вдольбереговой перенос взвешенных частиц крупной фракции и остаточный поперечный перенос мелкодисперсной взвеси равны нулю.

При этом рассматриваются интегральные потоки взвешенной примеси.

Таким образом, основными задачами диссертации являются:

1) исследование остаточного за приливной цикл поперечного к берегу потока взвешенных частиц крупной фракции и обусловленных этим потоком изменений рельефа дна в приливном течении на мелководье;

2) изучение остаточного за период прилива переноса водных масс на мелководье и связанного с ним транспорта мелкодисперсной взвеси;

3) исследование вертикального распределения концентрации взвеси в приливном течении на мелководье.

Динамика взвешенных наносов исследуется в диссертации в рамках градиентно — вязкого режима приливного течения. В этом режиме в уравнении сохранения импульса имеет место ведущий баланс между градиентом давления и напряжением турбулентного трения. Вклад остальных слагаемых в общий баланс членов уравнения несущественен. Результаты натурных исследований приливных течений на мелководье [14, 29, 44, 68] убедительно свидетельствуют о реальном существовании градиентно — вязкого режима течения. Благодаря использованию градиентно — вязкого приближения, в работах [13, 17, 18] были получены многие важные результаты,

касающиеся эволюции длинных гравитационных волн, а также вертикальной турбулентной структуры приливных течений в мелком море. Градиентно — вязкий режим приливного течения имеет место при закритических глубинах, меньших толщины слоя Стокса [17, 18]. Научная новизна.

Впервые теоретически и методами лабораторного моделирования исследуется процесс переформирования рельефа дна приливными течениями на мелководье. Впервые в лабораторном эксперименте моделируется и исследуется остаточный вдольбереговой перенос водных масс, формирующийся в мелководной прибрежной области приливного моря. При этом получены следующие основные результаты:

1). Выявлено существование в приливном течении на мелководье ненулевого остаточного за период прилива поперечного к берегу потока взвеси крупной фракции. Установлено, что причиной возникновения этого потока является асимметрия приливной волны — следствие её трансформации на мелководье. Показано, что остаточный поток взвеси направлен к берегу, причём его значения уменьшаются по мере приближения к береговой черте.

2). Обнаружено, что рельеф песчаного дна в отсутствие дефицита наносов под действием приливной волны формируется следующим образом: по всей области размывающих скоростей будет происходить осадконакопление, причём, чем ближе к берегу рассматриваемая точка, тем менее интенсивным будет этот процесс. По мере увеличения толщины слоя наносов процесс осадконакопления будет замедляться из —за уменьшения глубин и, как следствие, уменьшения скоростей приливного течения.

3). Установлено, что локализованная песчаная макроформа, лежащая на неразмываемом основании, под действием приливных волн трансформируется в инверсную дюну (термин предлагается

автором) её крутой склон обращён в сторону моря, пологий— к берегу, при этом макроформа медленно движется к берегу.

4). Разработана и реализована методика лабораторного моделирования трансформации локализованной песчаной макроформы под действием асимметричной приливной волны на мелководье. Основной целью эксперимента являлась проверка существования предсказанных теоретически инверсных дюн. Результаты лабораторного эксперимента подтвердили существование инверсных дюн в приливном море.

5). Теоретически и экспериментально исследован новый гидродинамический эффект— формирование вдольберегового остаточного течения приливами на мелководье. Установлено, что приливная волна генерирует остаточный вдольбереговой перенос водных масс вправо от направления её подхода к мелководной зоне. Максимальные скорости остаточного течения достигаются на мористой границе зоны мелководья и могут составлять 1-^2 см/с. Результаты лабораторного эксперимента подтверждают теоретические выводы. Таким образом, показано что остаточный приливной перенос взвеси мелкой фракции формируется не по линии распространения приливной волны, как перенос донных отложений, а в перпендикулярном к ней направлении.

6). Предложена параметризация вертикального распределения концентрации взвеси в приливном течении. Полученные теоретические результаты находятся в хорошем соответствии с экспериментальными данными.

Содержание работы.

В первой главе даётся обзор работ, посвящённых исследованию динамики водных масс и транспорту наносов в приливном течении.

Во второй главе излагается асимптотическая теория эволюции длинной гравитационной волны в мелководной области моря. Исследуется задача о вертикальном распределении концентрации взвеси в приливном течении.

Во втором параграфе даётся постановка задачи о динамике приливного течения на мелководье и о переносе взвеси этим течением.

В третьем параграфе приводятся результаты работы Зырянова В.Н. [16] по исследованию эволюции приливной волны в области закритических глубин.

В четвёртом параграфе выясняется ведущий баланс членов уравнения диффузии взвеси для случая приливного течения на мелководье. Получено решение этого уравнения для случая постоянного по глубине коэффициента турбулентного обмена.

В третьей главе развивается количественная теория поперечного переноса взвешенной примеси в приливном течении на мелководье. Исследуются особенности деформации песчаного дна в мелководной зоне приливного моря. Приводятся результаты численного моделирования деформации под действием приливного течения локализованной песчаной макроформы.

Во втором параграфе получены количественные оценки потока взвешенной примеси, а также результирующего за приливной цикл потока взвеси.

В третьем параграфе методами численного моделирования исследуется процесс трансформации локализованной песчаной макроформы под воздействием приливного течения.

В четвёртой главе описывается лабораторный эксперимент, проведённый с целью проверки полученных в третьей главе результатов.

Во втором параграфе приводится описание лабораторной установки.

Третий параграф посвящён расчёту режима движения в установке.

В четвёртом параграфе проводится сравнение результатов лабораторного эксперимента с результатами численных расчётов, выполненных в третьей главе.

В пятой главе с помощью асимптотических методов и лабораторного моделирования исследуется остаточный за приливной цикл вдольбереговой перенос водных масс, формируемый приливами на мелководье.

Во втором параграфе с помощью асимптотических методов решается задача об остаточном вдольбереговом течении в прибрежной зоне конечной ширины вдоль прямолинейного берега.

В третьем параграфе описывается лабораторный эксперимент, проведённый с целью исследования процесса формирования вдольберегового остаточного переноса водных масс в приливной волне. Приводится описание экспериментальной установки. Рассчитывается режим течения в установке.

В четвёртом параграфе решается задача об остаточном переносе водных масс для условий кольцевой зоны мелководья в эксперименте.

В заключении приведены результаты сравнения теории с экспериментом.

В шестой, заключительной, главе исследуется вертикальный профиль концентрации взвеси в приливном течении.

Во втором параграфе приводится аппроксимационная зависимость коэффициента турбулентного обмена от глубины,

полученная на основе численных экспериментов, проведённых Дебольской Е.И. и Зыряновым В.Н. по градиентно — вязкой модели [13].

В третьем параграфе аппроксимационная зависимость коэффициента турбулентного обмена от глубины используется при решении уравнения диффузии и получении выражения для вертикального распределения концентрации взвешенной в приливном течении примеси. Полученная теоретическая зависимость для концентрации взвеси сопоставляется с данными лабораторного эксперимента Анцыферова С.М., Дебольского В.К. [5].

В приложении даётся вывод выражения для полного потока стоксова переноса водных масс в приливной волне. Расчёт стоксова переноса необходим для сравнения лагранжева переноса частиц в эксперименте с теоретическим значением по формуле, которая даёт величину эйлерова переноса.

В заключении диссертации формулируются основные выводы.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Одним из механизмов, формирующих транспорт мелкодисперсной взвеси в приливных течениях, является остаточная приливная циркуляция водных масс (ОПЦ) [10]. При исследовании ОПЦ используются эйлеровы и лагранжевы характеристики течения. В первом случае рассматривается скорость жидкости в фиксированной точке потока, во втором— скорость маркированной частицы жидкости. Под остаточной эйлеровой скоростью (символ {•) означает осреднение) обычно понимают осреднённую за период приливного

лагранжев перенос представляет собой скорость остаточного за

период прилива смещения маркированной частицы относительно фиксированной в потоке точки.

ОПЦ определяет квазистационарный перенос жидкости. Используемый в настоящее время подход для расчёта остаточного лагранжевого переноса впервые был предложен Стоксом в 1847 г. [71]. Для случая невращающейся системы и конечной глубины жидкости Стоксом было получено соотношение для остаточного переноса жидкого элемента в прогрессивной

высокочастотной гравитационной волне: = + Л II

(скобками (,) обозначено скалярное произведение). Из этого

соотношения следует неожиданный, на первый взгляд, результат: даже при нулевом значении средней эйлеровой скорости средняя лагранжева скорость может быть не равна нулю.

цикла Т скорость приливного

Результат полученный Стоксом, долгое время не вызывал интереса исследователей. Упоминание о соотношении Стокса в книге [23] говорит скорее о том, что появление работы Стокса не прошло незамеченным, чем о том, что её результаты получили должное развитие. Вновь внимание к предложенному Стоксом подходу было привлечено лишь в 1953 г., когда Лонге — Хиггинс [70] рассчитал остаточный перенос для малоамплитудных колебаний жидкости и отметил возможность использования соотношения Стокса для широкого класса океанических движений. Впоследствии этот подход был использован Хантом и Джонсом [58], Хатненсом [59], Ианнелло [60], Джонсом и Дайком [64], Лонге — Хиггинсом [71] для расчёта остаточных течений в волнах Кельвина, Свердрупа и др. Однако, обсуждение остаточного переноса в этих волновых океанических движениях выходит за рамки настоящей