Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Прогностическое моделирование приливов в Охотском море

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Прогностическое моделирование приливов в Охотском море"

Государственный комитет РФ по высшему образованию РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Р Г Б ОД

1 3 МАЙ 1336

На правах рукописи УДК 551.456.5

Р0МАНЕНК03 ДМИТРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

Прогностическое моделирование приливов в Охотском море

Специальность 11.00.08 - Океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертаций на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург

1996

Работа выполнена в Российском Государственном гидрометеорологическом институте

Научный руководитель: доктор географических наук, профессор А.В. Некрасов

Официальные оппоненты :

Ведущая организация: Государственный океанографический институт (г. Москва)

Защита состоится "6 " и/-оил 1996 г. в 14 час. оо мин. на заседании Специализированного совета Д-063-19-01 при Российском Государственном гидрометеорологическом институте по адресу:

195196, Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98, РГГМИ.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке РГГМИ. Автореферат разослан "3- " 1996 г.

Ученый секретарь Специализированного совета, доктор географических наук,

доктор географических наук, профессор В.Р. Фукс;

кандидат физико-математических наук А.Б. Рабинович

профессор '

Ляхин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время вновь повысился интерес к такому возобновляемому источнику энергии, как морские приливы. Особое внимание привлечено к районам Мирового океана, обладающим высокой концентрацией приливной энергии. Величины плотности энергии, а также плотности ее диссипации в шельфовой зоне превосходят соответствующие значения в открытом океане, а в Охотском море эти значения -одни из самых высоких /Jeffreys, 1920; Miller, 1966/.

Существующее проекты Тугурской и Пенжинской приливных электростанций (ПЭС) в Охотском море / Бернштейн, 1994 / определяют акту• ¡ль-ность детального изучения приливных явлений этого бассейна и-их ожидаемой трансформации, v.о необходимо, в частности, для оценки возможных экологических последствий. В окраинных морских бассейнах гидрологические процессы, как правило, тесно связаны с приливным режимом, а часто и определяются, им. В общем масштабы изменений гидрологического режима пропорциональны степени трансформации приливных колебаний под влиянием плотины приливной электростанции. Таким образом, общая задача диссертации, состоящая в оценке указанной трансформации, является прогностической по своему характеру. В качестве первого приближения такого прогноза рассматривается трансформация, вызванная сооружением сплошной плотины в проектном створе ПЭС. При прогностическом изучении трансформации приливных движений роль моделирования особенна важна. Отметим, что помимо его важности для предсказания экологических последствий, прогностическое моделирование позволяет откорректировать оценки ожидаемых мощностных характеристик ПЭС, а также объем и стоимость необходимых строительных работ.

Основная цель настоящей работы состоит в прогностическом моделировании и количественной оценке важнейших трансформационных эффектов в Охотском море и его частях, обусловленных сооружением плотин в зонах проектируемых ПЭС.

Для этого в работе были поставлены и решены конкретные задачи:

- обосновать метод прогностического моделирования приливов при изменении - береговой геометрии и применить его к бассейну Охотского моря и его заливам;

- объяснить основные особенности природного приливного режима в Охотском море и его заливах на основе численных приливных моделей с использованием криволинейных вычислительных сеток и теоретического

- 4 -

анализа структуры приливных колебаний;

- воспроизвести картину трансформированного приливного режима в случае установки плотин приливных электростанций и дать прогностическую оценку трансформации приливных колебаний и соответствующих изменений гидрологического режима;

- выявить физические причины полученной пространственной картины трансформационных эффектов;

- оценить, как далеко распространяется влияние трансформационных эффектов.

Методика исследования. Для решения указанных задач целесообразно использовать сочетание теоретических и расчетных методов описания и анализа приливных явлений с так называемым структурным подходом, в основе которого лежит представление о приливном процессе как сумме "элементарных" волновых составляющих, характеристики и свойства которых могут быть установлены и проанализированы сравнительно просто. Учет волнового характера приливных движений и их структуры позволяет не только объяснить особенности реально наблюдаемых колебаний уровня и течений, но и физически обоснованно интерпретировать результаты их аналитического и численного моделирования.

Прогностические оценки трансформации приливного режима, полученные в настоящей работе, опираются на результаты численного и аналитического интегрирования дифференциальных уравнений приливов. Разработанные численные модели основаны на краевых задачах для уравнений мелкой воды, записанных в криволинейных координатах, что позволяет улучшить учет реальной конфигурации бассейна (и, следовательно, повысить точность аппроксимации граничных условий), а также использовать переменный пространственный шаг интегрирования для детализации расчета в отдельных районах. Такой подход эффективен для совместного решения ряда смежных задач по расчету транспорта наносов, распространения консервативных примесей, наводнений и штормовых нагонов. В данной работе приливные модели реализованы для районов Охотского моря, перспективных в плане строительства приливных электростанций (Тугурский залив, Пенжинская губа, залив Шелихова). Кроме того, крупномасштабное влияние дамбы Пенжинской ПЭС исследовано с помощью гидродинамической модели всего Охотского моря.

Приливные явления в Охотском море исследовались многими авторами. Результаты этих исследований использованы для сопоставления при расчетах природного приливного режима, выполненных в данной работе в качестве первого этапа прогностического моделирования. Теоретическому и модельному изучению возможной трансформации приливного режима в

- ъ -

связи с существующими проектами ПЭС в Белом и Охотском морях посвящен ряд работ /Варинов (1983, 1984), Горелков (1981. "19831, Некрасов (1984, 1992) и др /. Настоящая работа является продолжением и развитием этих исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые метод криволинейных координат реализован совместно с методом подвижной границы для прогностического расчета трансфооуации прилива в районах залива Шелихова, Пенжинской губы, Тугурского залива и всего Охотского моря.

2. Впервые получены прогностические приливные карты для основных приливных гармоник залива Шелихова и Охотского моря, отаажаощие трансформационные эффекты, обусловленные сооружением дамбы на входе в Пенжинскую губу и в узкости губы. Выявлена физическая причина полученной пространственной картины трансформационных эффектов в заливе Шелихова, в Пенжинской губе и в Охотском море. Установлено, что особенности трансформации ооъясняются перестройкой структуры приличных колебаний за счет изменения геометрии и диссипативных свойств колебательной системы.

3. На основе полученных результатов изменения характера приливных течений произведена оценка ожидаемой трансформации "вторичных" характеристик приливных бассейнов, имеющих важное экологическое значение ( остаточная приливная циркуляция и приливное перемешивание '.>.

4. В ходе численных экспериментов для различных районов моря получен ряд методических результатов.

Автор выносит на защиту:

1. Обоснование эффективности метода прогностического моделирования приливов.

2. Оценки трансформации приливного режима в Охотском у.сро к его заливах в результате сооружения плотин приливных электростанций.

3. Физическую интерпретацию прогностической картины приливных колебаний и трансформационных эффектов на основе учета волновой природы рассматриваемого процесса.

Научное и практическое значение работы. Результаты работы предназначены для использования организациями, ведущими разработку проектов сооружения крупномасштабных приливных электростанций и новых СНИГГов. Реализация полученных в ходе работы результатов возможна путем оформления их в виде программного продукта, включаемого в проект конкретной ПЭС в качестве его неотъемлемой составной части. Методические и научные результаты вошли в разработку госбюджетной научно-исследовательской темы "Исследование длинноволновых процессов (

- б -

приливов, волн цунами, штормовых нагонов ) методами математического моделирования с использованием криволинейных координат и параметризацией островных эффектов", выполненной по единому заказ-наряду в 1993-1994 гг. на кафедре динамики океана Российского Государственного гидрометеорологического института.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на ежегодных итоговых сессиях Ученого совета РГГМИ в 1993, 1994 и 1995 гг., на семинарах СПб филиала Ин-та Океанологии РАН и Государственного океанографического института.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Общий объем работы составляет 164 страницы, включая 65 рисунков (из них 19 - в приложении) и 7 таблиц. Список литературы содержит 94 наименования, из них 38 - на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели работы, изложены структура работы и ее основное содержание.

В первой главе рассматриваются вопросы формирования приливных' явлений в окраинных бассейнах Мирового океана. Дается краткая характеристика существующих представлений о характере приливов в Охотском море. Отмечается наличие зон повышенной концентрации и диссипации приливной энергии в данном море ( Тугурский залив и Пенжинская губа), перспективных в плане промышленного использования приливной энергии. В конце первой главы -приведены способы расчета дополнительных гидрологических характеристик приливных акваторий ( критерия приливного перемешивания, остаточной приливной циркуляции), а также описан способ имитации осушки в гидродинамической модели.

Во второй главе приводится краткий обзор современного состояния прогностического моделирования•приливных бассейнов и проводится теоретический анализ физических механизмов перестройки колебательного режима в случае изменения геометрии морских акваторий. Этот анализ показывает, что трансформационные эффекты в общем обусловлены сдвигом места отражения приливной волны и ослаблением диссипативных свойств бассейна за счет отсечения мелководных областей, однако для небольших заливов и акваторий значительных размеров имеются свои специфические особенности. Для интерпретации результатов численного

прогностического моделирования предложена аналитическая модель колебаний в идеализированном бассейне с учетом силы Кориолиса, линейного трения и контурной аппроксимации энергетических потерь, которая позволила установить что:

- в относительно небольших бассейнах ( в Тугурском заливе и в Пенжинской губе ) для ориентировочной оценки и объяснения трансформационных эффектов можно пользоваться приближением плоских ьо.::н и следует однозначно ожидать увеличения амплитуды колебаний уровш; перед дамбой и более раннего наступления экстремумов уровня, хотя в Пенжинской губе резонансные эффекты могут приводить к различно:' степени трансформации колебаний суточного и полусуточного периода;

- в то же время в более крупном заливе Шелихова и тем более р во всем Охотском море д..я интерпретации получаемой прогностической картины необходимо учитывать особенности распространения и отражения приливных волн в поле силы Кориолиса, что приводит к рассмотрению волн Кельвина. Роль этих волн важна для объяснения как наблюдаемой картины приливов, так и трансформированного приливного режима. Результаты аналитического моделирования показали, что воздействие крупномасштабных плотин на режим приливных колебаний может оказаться ощутимым на значительном расстоянии от места их сооружения, а трансформационные эффекты могут быть весьма разнообразными.

Далее рассматривается постановка задачи и обосновывается выбор численного метода интегрирования уравнений мелкой воды в криволинейных координатах, согласованных с береговой геометрией. Для ре-пения задачи наиболее приемлемым окюкьаетси полунеявный метод перченных направлений, сочетающий вычислительную экономичность и необходимую временную детализацию. Обсуждается метод построения криволинейных сеток и приводятся результаты построения сеток, используемых в моделях .

Особое внимание уделяется пооблеме открытой границы, правильное задание условий на которой представляет один из существенных элементов прогностической модели. Приливные модели учитывают все виды нелинейности ( квадратичное придонное трение, изменение полной глубины, адвективные ускорения), а также позволяют имитировать приливную осушку. Количество и форма граничных условий в модели определяются требованием корректности при постановке краевой задачи* В результате анализа полученных решений и влияния вида краевых условий на их характер установлено, что роль адвективных членов в уравнениях движения пренебрежимо мала вблизи выбранных жидких границ, однако внутри расчетной области их учет необходим. Это позволяет так модифициро-

вать уравнения движения, что вблизи открытой границе они не содержат адвективных членов и на ней допустимо задавать одно краевое условие (например, колебания уровня в случае моделирования природного приливного режима). Выполнено тщательное тестирование численного метода путем сравнения его результатов с аналитическими решениями. Реализация моделей приливных движений в Тугурском заливе и в заливе Шелихо-ва показала высокую точность получаемых характеристик колебаний уровня при сопоставлении с данными наблюдений. Анализ выполнения уравнения энергии при численных расчетах также указывает на корректность предложенных гидродинамических моделей.

Прогностическая приливная модель должна учитывать изменение геометрии области, связанное с отсечением части акватории дамбой. Возникающая при этом волна "возмущения" может достигнуть жидкой границы, и, следовательно, в процессе расчета требуется корректировка исходных граничных условий. В этом случае на открытом контуре модельной области необходимо задание граничных условий в импедансной форме. В связи с использованием криволинейных (неортогональных) сеток формулировка условия излучения ( имледансного соотношения между уровнем и скоростью течения) в новых координатах потребовала методических исследований. • Была проведена апробация указанной формы граничных условий на тестовых бассейнах, после чего она успешно применена при прогностическом моделировании приливов в реальных бассейнах.

При моделировании природного прилива в бассейне с протяженной открытой границей может возникнуть неоднозначность при интерполировании данных береговых наблюдений в узлы жидкой границы. Для преодоления этого затруднения может быть использован метод краевых значений, позволяющий рассчитать приливные характеристики для более обширной акватории, которая включает в себя модельную область основной задачи. Рассмотрена постановка и описан метод решения первой краевой задачи теории приливов в криволинейных координатах. Этим методом получены .карты для основных приливных гармоник в Охотском море, которые были использованы при "телескопировании" краевых условий на жидкую границу модели залива Шелихова.

Третья глава представляет собой реализацию прогностической модели для акватории небольшого мелководного Тугурского залива, величина приливных колебаний уровня в котором достигает 9 м. Приведены результаты расчетов и гармонического анализа суммарного прилива с учетом условия излучения и алгоритма осушки.

В Тугурском заливе надежный расчет суммарных приливных колеба-

- у -

ний требует учета всех видов нелинейности и задания на жидкой границе не менее 10 основных гармонических составляющих. Анализ показал, что влияние адвективных членов на основные гармонические составляющие суммарного прилива незначительно, в то же время их учет па*>-тно сказывается на величинах вторичных (мелководных) волн, а, следовательно, на интенсивности остаточных приливных движений в басо.-А:*. Скорости остаточнььх приливных течений в Тугурском заливе окас-'-г/сь порядка 10-13 см/с при сохранены членов нелинейной адвекции, и к три-четыре раза меньше, если эти члены опущены. Отклонение расчетных амплитуд колебаний уровня гармонических составляющих Мо и Бг от чаб-люденных не превышает 7 см (соответственно 2 и 8 % значений- амплитуд). Отклонения фазы колебаний не превосходит 7° для обеих г.чг^о-ник.

Значительный интерес представляет картина трансформации приливного режима Тугурского залива после перекрытия узкой части басое/на дамбой, что предусматривается проектом создания ПЭС. Перекрытие створа ПЭС приводит к возникновению зоны пучности при отражении приливной волны от плотины, а характер колебаний в бассейне изменяется в сторону увеличения стоячей доли вследствие как приближения к устью залива линии отражения волны, так и уменьшения диссипативных потеиь. В результате установки плотины перестройка режима приливных колебаний сопровождается увеличением амплитуд основных приливных гаимоник и уменьшением их фаз. Это приводит к тому, что вблизи плотины размах суммарных приливных колебаний уровня возрастает на 16-20 %, а полные и малые воды наступают на один час раньше. Кроме того, происходит значительное падение интенсивности приливных течений в оставшейся части залива. В районе проектного створа ПЭС, где в природных условиях скорости течений достигают 2.4 м/с, их значения уменьшаются до 15-20 см/с. Как следствие рассмотренного трансформационного ?чСектл снижаются на порядок скорости остаточных приливных течений, а в :.юн>-' перед дамбой происходит ослабление интенсивности приливного перемешивания, благоприятствующее развитию плотностной стратификации вод. Приведены количественные оценки указанных эффектов.

Четвертая глава посвящена оценке и интерпретации ожидаемых трансформационных изменений приливного режима в Пенжинской губе и в прилегающем к ней обширном заливе Шелихова. Представлены прогностические приливные карты для основных приливных гармоник залива Велихова, отражающие трансформационные эффекты, обусловленные сооружением дамбы для двух вариантов ПЭС в Пенжинской губе. Большое взимание уделено физической интерпретации полученных результатов. Приведено

сравнение характеристик течений, интенсивности приливного перемешивания и энергетических величин в природных условиях и после установки плотины.

В первом разделе анализируются особенности природных приливных колебаний в заливе Шелихова. Залив Шелихова, в отличии от Тугурско-го, характеризуется значительной изменчивостью глубин (глубины достигают 450 м ) и большими величинами суммарного прилива (до 13 м в вершине Пенжинской губы). При расчете природных приливных карт в заливе Шелихова большое значение придавалось тому, чтобы добиться максимальной близости полученных значений гармонических постоянных в береговых пунктах к их значениям, известным из наблюдений. В заливе Шелихова относительные ошибки для амплитуд колебаний уровня гармоник Мг и К1 не превышают соответственно 10 7. (кроме одного берегового пункта, где расхождение с наблюдениями составило 12.5 X, но по абсолютной величине мало - 3 см) и 5 X. Фазовые ошибки для указанных гармоник лишь в вершине Пенжинской губы залива составляют соответственно 20° и 10°, а в остальных береговых пунктах они значительно меньше. Анализ структуры природных колебаний (на примере гармоник «1 и Мг ) показал, что в формировании режима приливных движений суточного и полусуточного периода в заливе Шелихова основной вклад вносят волны Кельвина.

В следующих разделах рассматриваются результаты прогностических расчетов по модели залива Шелихова с учетом установки сплошной плотины в двух ее вариантах

В заливе Шелихова характер трансформации зависит от варианта расположения плотины приливной электростанции.

Южны й вариант 'расположения створа ПЭС (при котором дамба отсекает всю Пенжинскую губу) приводит к следующим изменениям:

- наибольшее увеличение амплитуд колебаний уровня гармоник Мг и Кг происходит в западной части залива Шелихова, при этом добавки к природным значениям амплитуд оказываются, близкими по абсолютной 'величине (максимальные значения составляют 55 см), но относительно большую трансформацию испытывает полусуточная составляющая. В юго-восточной области залива возникает зона уменьшения амплитуд для гармоник полусуточного периода ( максимальная отрицательная добавка для №2 составляет 25 см), в то время как для суточных гармоник все изменения амплитуд в пределах залива имеют один знак (увеличение). Амфидромическая точка полусуточных гармоник, расположенная на входе в залив и прижатая в природных условиях к левому (западному) берегу, значительно смещается к центральной оси бассейна.

- вблизи плотины на входе в Пенжинскую губу происходит выравнивание поперечных перекосов уровня (значительных в природных условиях), так что у западного края дамбы наблюдается увеличение амплитуд (на 35 см для обеих гармоник, а у восточного - незначительнее синение. Перед дамбой фаза колебаний как полусуточных, так и суточных гармоник уменьшается. Для суточных гармоник зона "опережения" распространяется от дамбы на всю северную часть акватории залив:1., а в южной части меняет знак. Для полусуточных гармоник зона отрицательных изменений фазы локализована вблизи плотины, а в оставшейся части залива наблюдается чередование зон "опережения" и " запаздывания";

- сооружение дамбы приводит к значительному падению интенсивности приливных течений вблизи плотины и смене их ориентации ;с продольного направления на поперечное). На входе в залив полусуточные течения испытывают небольшое усиление, а суточные - некоторое ослабление, что выражается в незначительной трансформации здесь суммарных приливных течений.

Полученные результаты объясняется тем, что в отсутствии дамбы правый энергонасыщенный фланг входящей в залив волны Кельвина в значительной части теряет свою энергию в Пенжинской губе, а при установке плотины испытывает отражение, заворачивает на северо-запад и затем далее на юго-запад, что приводит к наибольшим положительным изменением амплитуд колебаний уровня вдоль западного побережья с ал и -• ва Шелихова. Физически в вершине залива возникает пучность стоячей волны Кельвина, что подтверждается уменьшением здесь фазы колебаний уровня и усилением поперечных течений. В целом картина трансформированных колебаний уровня и течений полусуточного и суточного периода отражает физический механизм волновых движений и хорошо объясняется структурной перестройкой прилива при воздвижении дамбы (усилени;-встречной волны Кельвина и увеличение в смешанном характере колебаний стоячей доли), что совпадает с результатами аналитического моделирования .

Согласно северному варианту проекта Пенжинской ПЭС дамба располагается в узкости губы и отсекает ее северную часть, а приливной режим испытывает трансформацию как в оставшейся част>' Пенжинской губы, так и во всем заливе Шелихова.

Северный вариант дамбы приводит к меньшим абсолютным и относительным трансформационным изменениям приливных характеристик колебаний уровня в заливе Шелихова (без учета Пенжинской. губы) по сравнению с рассмотренным выше южным вариантом. Однако, если для суточной гармоники эти изменения качественно подобны, то для по-

лусуточной - имеют обратный знак. Важным следствием трансформации полусуточной составляющей прилива является сдвиг амфидромической точки со своего нынешнего положения в сторону берега и к вершине залива, так что для гармоники Мг она оказывается вырожденной, т.е. "вытесненной" на сушу.

Таким образом, трансформированные полусуточные приливные колебания по сравнению с природными характеризуются значительным ослаблением встречной (отраженной от вершины залива) волны Кельвина. Это ослабление может быть объяснено, если обратиться к геометрической характеристики южной части Пенжинской губы. Фазовое запаздывание при движении приливной волны полусуточного периода от входа в Пенжинскую губу к дамбе и обратно составляет около 180°, т.е. приближенно половину периода. В заливе Шелихова механизм отражения приливной волны от вершины залива является "двухтактным". Суммарная отраженная волна складывается из первичной (отраженной от вершины и входа в Пенжинскую губу) и выходящей из губы после вторичного отражения от дамбы. Тогда, согласно приведенной выше оценке, в полусуточной полосе частот эти две волны оказываются в противофазе и частично гасят друг друга, что приводит к ослаблению встречного излучения в заливе Шелихова и к противоположным трансформационным эффектам для амплитуд колебаний уровня полусуточных гармоник в сравнении с ю ж н ы м вариантом плотины.

В Пенжинской губе результаты моделирования отдельных гармонических составляющих показывают, что происходит повсеместное увеличение амплитуд колебаний уровня с максимумом изменений у левой (западной) оконечности дамбы: прибавка к амплитуде здесь составляет 170 см для полусуточной гармоники Мг и 75 см - для суточной гармоники Ki. Полусуточная составляющая испытывает значительно большую трансформацию по сравнению с суточной ( коэффициент трансформации амплитуд у западного края плотины для гармоник Мг и Ki составляет соответственно 2.75 и 1.33). Анализ показывает, что после установки плотины в оставшейся (внешней) части губы укладывается приблизительно четверть полусуточной приливной волны и треть суточной. Эта особенность позволяет объяснить разную степень трансформации полусуточного и суточного прилива в губе, причем большее усиление первого вызвано именно резонансными условиями в южной части губы. В пределах губы фаза суточных гармоник повсеместно уменьшается, в то время, как изменения фаз полусуточных гармоник имеют разные знаки. Трансформация приливных течений также значительна, при этом суточные течения ослабевают во всей губе, а полусуточные уменьшаются лишь вблизи дамбы, а в ос-

тальной части губы значительно усиливаются . ( в полтора раза на входе в губу), что также является следствием резонанса.

Таким образом различный характер трансформации полусуточных и суточных приливных колебаний в заливе Шелихова и Пенжинской губе связан с различиями в длинах волн и геометрическими особенностями моделируемых объектов.

Различная пространственная неоднородность и неодинакова; степень трансформации отдельных приливных гармоник, зависящие, в частности, от места положения дамбы, приводят к неоднозначной кяртине изменений суммарных приливных колебаний уровня и течений. Результаты расчетов показали, что:

- в разных береговых пунктах может возникать как уменьшение, так и увеличение величины прилива в зависимости от положения плотины и астрономических условий, что может приводить к изменению типа прилива, определяемого по критерию Дуванина. При этом если вблизи большой дамбы ( южный вариант ) увеличение размаха колебаний невелико, то перед малой дамбой ( северный вариант) оно весьма значительно (вблизи западного края плотины величина прилива возрастает на 5 м т. е. на 65 X ), а тип прилива изменяется от неправильного суточного к неправильному полусуточному;

- наибольшую трансформацию суммарные приливные течения испытывают в вершине залива и в Пенжинской губе. Так вариант большой дамбы приводит к появлению перед ней обширной зоны ослабленных течений и изменению положения приливного фронта , отделяющего зону с хорошо перемешанной по вертикали водой от стратифицированной водной массы. В случае малой дамбы скорость течения падает лишь в узкой полосе, примыкающей к плотине, а на входе в губу течения резко усиливается.

В пятой главе предпринята попытка изучить влияние да/.бы 'Л'сС', располагаемой на входе в Пенжинскую губу, на приливные колебания ьо всем Охотском море. С этой целью разработана и построена модель Охотского моря, которая позволила оценить, насколько далеко влияние этого варианта плотины прослеживается в удаленных областях моря. Воспроизведение природного приливного режима в Охотском море и анализ соответствующей диссипации донным трением показали, что в зачпве Шелихова наибольшие диссипативные потери испытывают суточные гармоники, а в Шантарском районе - полусуточные. Вклад Пенжинской губы в общую диссипацию в море весьма значителен (около одной четверти для полусуточного прилива и почти треть для суточного). Это обстоятельство имеет большое значение для объяснения результатов прогностического моделирования, которые показали, что влияние большой дамбы

распространяется на значительную часть Охотского моря. Отметим следующие, наиболее важные эффекты:

- зона увеличения амплитуд колебаний уровня прослеживается от западного участка входа в залив Шелихова вдоль всего северного побережья Охотского моря до района Шантарских островов. Особенность этого эффекта состоит в том, что в мелководном Шантарском районе, который в природных условиях является зоной концентрации приливной энергии для полусуточных гармоник, происходит локальное увеличение амплитуд колебаний как для гармоники Мг, так и для Ка, причем для последней абсолютные добавки к амплитудам оказываются большими (амплитуда колебаний уровня увеличивается на 40 см для гармоники Мг и на 60 см для гармоники К1, а коэффициент усиления составляет соответственно 1.3 и 2.4). Таким образом, при сооружении большой дамбы в Пенжинской губе следует ожидать увеличение доли суточных колебаний в достаточно удаленном от нее Шантарском районе с изменением типа прилива от правильного полусуточного к неправильному полусуточному;

- трансформационные добавки к амплитудам прилива в юго-западной части моря по абсолютной величине невелики, однако с учетом небольших природных значений эти добавки все же ощутимы. Согласно полученным результатам, здесь возможно появление амфидромической точки гармоники К1 ( в природных условиях суточная амфидромия является вырожденной ).

В заключении суммируются результаты работы и ее основные выводы:

1. В выполненной работе обоснован и использован общий подход к изучению существующего приливного режима в Охотском море и его заливах, а также его трансформации в результате крупномасштабного гидротехнического строительства.

2. Разработаны и реализованы приливные гидродинамические модели Тугурского залива, залива Шелихова и Охотского моря, которые позволили воспроизвести суммарные колебания уровня и течений в заливе Шелихова и в Тугурском заливе и рассчитать главные приливные гармоники в Охотском море как для существующего приливного режима, так и с учетом установки сплошной плотины в створе проектируемых приливных электростанций (ПЭС).

3. Построены природные и прогностические приливные карты важнейших гармонических составляющих в указанных заливах и в Охотском море.

4. Выявлен и физически объяснен ряд особенностей существующего

- 15 -

приливного режима в Охотском море и его заливах.

5. Перестройка приливного режима под влиянием крупномасштабных плотин приливных электростанций может приводить к ощутимым изменениям природных характеристик прилива как вблизи плотины, так и в достаточно удаленных областях.. Степень и масштабы трансформации зависят от размеров и положения проектируемых плотин.

6. Получены прогностические оценки изменения приливного режима, важнейшие из которых заключаются в том, что:

- в относительно небольших бассейнах ( в Тугурском залива и в Пенжинской губе ) приливные колебания испытывают максимальную трансформацию в зоне перед плотиной Г1ЭС и поэтому следует однозначно ожидать увеличения амплитуды колебаний уровня перед дамбой и более раннего наступления экстремумов уровня, хотя резонансные эффекты могут приводить к различной степени трансформации колебаний суетного и полусуточного периода;

- в то же время в более крупном заливе Шелихова < и тем более в Охотском море ) наибольшие ожидаемые изменения приходятся не на район дамбы, а на области, расположенные к западу от плотины ПЭС, в том числе значительно удаленные.

7. Результаты численных расчетов получают объяснение и физическую интерпретацию на основе структурного анализа приливных колебаний с учетом волновой природы рассматриваемого процесса. Этот анализ показывает, что трансформационные эффекты в общем обусловлены сдвигом места отражения приливной волны и ослаблением диссипативных свойств бассейна за счет отсечения мелководных областей, а при объяснении прогностической картины необходимо учитывать особенности отражения приливных волн в поле силы Кориолиса.

8. Значительное падение скоростей приливных течений, которое происходит вблизи плотин ПЭС после их сооружения, создает условия для изменения термодинамического режима прилегающих вод. Расчеты показывают, что в зоне перед дамбой происходит ослабление интенсивности приливного перемешивания, благоприятствующее развитию плотностнсй стратификации вод.

9. Прогностическое моделирование является надежным и эффективным средством исследования трансформации приливного режима в окраинных бассейнах в результате крупномасштабного гидротехнического строительства. Итоги настоящей работы показывают, что характер и узсгта-бы влияния плотин ПЭС на приливной режим в Охотском море таковы, что их совершенно необходимо учитывать при проектировании.и строительстве приливных электростанций.

Результаты выполненной работы имеют практическое значение, поскольку позволяют дать сравнительную оценку вар-.^нтов расположения створов ПЭС с учетом влияния ожидаемых трансформационных эффектов на режим работы приливной электростанции:

- плотина в вершине Тугурского залива приводит к увеличению величины прилива, что являе.тся фактором, благоприятствующим отбору энергии напорной приливной электростанцией;

- плотина, расположенная в узкости Пенжинской губы, создает заметное возрастание величины прилива, что способствует повышению мощности ПЭС. Однако ввиду увеличения полусуточной доли колебаний в суммарном приливе возрастает внутримесячная изменчивость прилива, что является скорее неблагоприятным фактором, усложняющем режим функционирования станции;

- при расположении дамбы на входе в Пенжинскую губу не ожидается заметного увеличению величины прилива перед плотиной. Это не создаст ощутимой прибавки напора и, следовательно, мощности ПЭС. Вместе с тем этот вариант дамбы приводит к повышению концентрации приливной энергии в северо-западной части Охотского моря (в Шантарском районе), что является положительным моментом для Тугурской ПЭС. Однако местное увеличение амплитуд прилива в этом районе сопровождается изменением характера суммарного прилива от правильного полусуточного к неправильному полусуточному, что не является благоприятным фактором.

Содержание диссертации изложено в работах:

1. Ромаяенков Д.А. Использование криволинейных сеток в приливных моделях для заливов Охотского моря // Итог. Сес. Учен. Сов. Рос. Гос. Гидрометеорол. ин-та, Санкт-Петербург, 9-10 февраля, 1994.: Тезисы докладов. - СПб,'1994. - с.28-29.

2. Романенков Д.А. Прогностическая модель трансформации приливных колебаний в заливе Шелихова Охотского моря с использованием криволинейной вычислительной сетки / Рос. Гос. гидрометеорол. ин-т (РГГМИ).-СПб.-1996." Деп. в ВИНИТИ 03.01.96 N 14-В96.- 11 с.

3. Романенков Д.А. Оценка трансформации приливных колебаний в Охотском море в результате крупномасштабного гидротехнического строительства / Рос. Гос. гидрометеорол. ин-т (РГГШ).-СПб.-1996. -Дел. в ВИНИТИ 03.01.96 N 15-В96,- 11 с.

РОМАНЕНКОВ ДМИТРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать 19.04.96. Формат 60x84 1/16. Бум. кн.- жури. Печ.л. 1,0. Бум.л. 0,5. РТП изд-ва СПбУЭФ. Тираж 100. Зак. 308.

Издательство Санкт-Петербургского университета экономики и финансов 191023, Санкт-Петербург, ул. Садовая, д.21