Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Турбулентное вовлечение и тепломассообмен в стратифицированных водоемах

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Турбулентное вовлечение и тепломассообмен в стратифицированных водоемах"

рсшйшл ладшш наук

икстпту? озерфздеви

/

Ка правах рукопиои УДК 535.55fj. : 532.52Л. 4

ШЙ&Н Констаь'лш Дгдаргович

турнулиггное возшиш и mic:ivccooKiU'H

В СТРАТййМ1Р0Ж1ййй ВДОсЫХ

11,00.11 - охрана окружающей среда и рациональное исшользозанио природшк рзсурооЕ

Аиторофэрат диссертация на согояанио ученой отелани докгора фззиао-матогатячоеких наук

Санет-ЕетерЗург iss2

У) ! !

Работа выполнена в Институте озероведения РяН Официальные оплснснтн:

члек-корргопондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор Р.В.Оэиидов

доктор физико-математических наук Я.А.Пантелеев доктор географических наук Г.Н.Панин

Ведущая организация - Российский государственный гидрометеорологически! институт

Зэдмта состоится "_ -7 & " ьМвЯ 19У2 г. в_ча-

соз на заседании специализированного совета Д.200.10.01 Института озероведения РАН по адресу: 1961УУ , Санкт-Петербург, ул. Севастьянова, д. 9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотек» Института озероведения РАН

Автореферат разослан ".АЛ-_" ¿¡^М-ЛЛ^ 1992 г.

Ученай секретарь опепиалцгарованного совета, кандидат биологических наук

М.Л.Белова

I Общая характеристика работа

А тотальность теми. Разтудао загрязнение водной среды, круп-

ЭрТлЦКГ!

тгшатдагабное воздействие на природные водоемы, связаннее с реализацией инженерных проектов, делав? проблему рационального использования озер, водохрашшщ я других водных объектов вамэЯ-ией'в современной водохозяйственной политике. В настоящий вракн вполне очевидно, что охрана и рациональное использование водник реоурсов могут осуществляться гишь на основе воеоторонних исследований, при которых водные бассеЗкы рассматриваются как едилне системы с протекающими п них взаимосвязанными процессами различной'природы. Среди них гидрофизические процессы черезвычайно ваяны, т.к. (фактически они обусловливают особенности раопредале-; пня и изменчивости абиотических характеристик водных екооистем.'

' Учитывая это, п также турбулентный характер большинства термодинамических процессов в природных водоемах, очевидно, что доследование турбулентного вовлечения (распространения турбулентности в первоначально й,ввгурбулецтную область среды) и тепломассообмена - это актуальная фундаментальная научная проблема. С ее решением овязана возможности перехода на новый более высокий : уровень понимания природа водоемов и развития математических ко. долей как огдальнш: вяутрлводоеыних процессов так и ведшее эко- ' систем в целом, т.е. развитая того, что фактически составляет современную научкуп основу охраны водной ореды и рационального использования водных ресурсов.

Цель га боты исследование с,сигового механизма турбулентного вовлечения в стратифицированной яидкости и связанного о ним тепломассообмена в мелководных водоемах.

Основные задачи доследования. Достижение поставленной цели

связано с решением ряда конкретных задач, осношыэ из которш следующие:

1. Разрабо'.гка и оо'зданса, -¡абораторного комплекса для эксперимента лшого изучения сдвигового механизма турбулентного возле ченил.

2. Экспериментальное исследование закономерностей формиров 1шя тиготностноЗ а динамической структуры перемешанного слоя жвд ко'стк со свободной поверхность» при различных внешних условиях.

3. Экспериментальное. исследование механизм и скоростей вовлечения л шпшокдшэ при наличии вертикального сдвига скорос ти течения.

4. Нараыотрязация связанных с вовлечённом процессов тепло-а ьассообмэна в мелководных водоемах.

Научная новизна;

- разработан и на экспериментальной базе ШЮЗ РАН создан лабораторннй коьшлекс для моделирования сдвигового механизм) турбулентного вовлечения е жидкости; основная часть комплекса ■ езрог.адрокан&л и двумя прямолинейными к двумя соединяющими их закругленьчми участкам; анализ-динамических процессов в возду) кои и водном пограничных слоях показал, что конструкция аэрогд роканала позволяет в значительной мере уменьшить влияние криви нн и исключить- влияние концевых стопок на процессы турбулентн го ЮБлочения в потоке со сдвигом скорости;

- на основа обобщения результатов лабораторных зкепершец тов вшшлени закономерности лоржрозания. вертикальной термолиз мичссжой структуры перемешанных слоев з потоках со сдвигом скс ростц и процесса турбулентного вовлечения вблизи наклей гранш: вэрхнего перемешанного слоя 1ВКС); отмечены два резиила увеличе

ния тотщииы БКС, наддому из которшс соответствует свой характер эволюции кистей границы перемешанного слоя; получены эютирачео-кие формулы для определения рада зарактеристик термодинамической структуры переметанных слоев в завиоимссги от величины иото-' ксго числа Ричардсона• установлен универсальный характер вертикальной структуры дрейфового потока в слое турбулентного возлэ-чения;

- с учетом особенностей терг.ачеокого роп:ш деятельного слоя грунта э озерах уморанних :ш:рот пред юкспа параметризация вертикальных прсхТмивЙ температуры в донних отдалениях н штод оценки теплообмена чорез поверхность .дна; на основе атого подхода разработана параметризованная модель для раочоте внутриго-довой изменчивости терглческого рглииа л условий иоремошлиакип в мелководных водоемах, учитшетяцая не только воедсйотвио атмосферы, ко я теплообмен в свотзмэ вода-дэнкне отлог.йння;

- предложена параметризация вертикальных профилей бкогенов в мелководных, водоемах а метод оценки турбулентных потоков био-гдаов через озерный термокллн при развитом и^рбулентном в'овлечо-ни и;

~ на осново закона сопротивления для стационарного турбулентного пограничного олоя о привлечением как лабораторных так и озерннх данных определены величина параметра даел.'.;опой или внутренней шероховатости, т.е. шероховатости воднол поверхности по отношении к дрейфовому течении, знание которой необходима для расчета скорости дрейфа позерхностных пленок; предложены зависимости нормированного параметра внутренне;": пороховатссти ст числа РеКлольдса водной поверхности;

- предиокоиа теоретическая модель, у чкттаааря оонозано,

Еклзчая возлачениа, механизмы формирования тершчбского бэре -' гидрофронта прбсь.овсдашс водоемов, связанного о двухъячейковой валиковой колваш-иеи; модель воспроизводит дашнариый, лашшар-но-едвоктизкьй и турбушшшй рамш развития бара в процессе 01'о пержэ'цэяия с мешеоводъя в глубоководную часть водоэ;.а,

ршктическая значимость. Подученные в работе акопоршента-льине и теоретические результаты иогут быть использованк для обмецент ряда особенностей геплошссопзреьоса в шлкозоднше еодомлзх. Енявлэнше закономерности турбулентного вовлечения арк наличии вертикального сдвига■скорости течения а лреддожен-нио параметризации пригодни дья количественных'иценок'ведичнн. турбулентнхзс ногоков тепла я биогенов'чэреа озерний'термоклин, а такаа для вклзчзагя в клгтацпонше математические модели вод-1шг. экосистем. Применение полученных в работе йундаыеятальных результатов яо поверхностному дрейфу и торшчэокоцу бару повысит уровень прикладных расчетов распространена* загрязнений в озерах и водохранилищах,

Дг.робанп.у работы. Оинозные результаты дзооертационной работа-докладавалясь и обсулдались на I и'И съездах советских - ОК9Я1ЮЛОГОЗ (1977, Москва, 19Ь2, Ялта), нр И Всесоюзной конференции "Технические средства изучения и освоения океана" (1978, . Ленинград), на ХГ/ Тихисчзаноком научном конгрессе (1Б7Э, Хабаровск), ка ХП Конференции Балтийских океанографов и УН-совещании экспертов но водному балансу Балтийского моря (1981), Де--ышград), на Всесоюзной конференция "Природная среда к'проблемы изучения, освоения и охраны биологических ресурсов морей СССР и Мирового океана" (198-1, Ленинград), на итоговых сессиях /чог.ого Совета Ленинградского гидрометеорологического институт;

1977-1981, нз междугородной школе-семинаре "Взаимодействии водоемов и атмосферы" (1&88, Ленинград), на соватоко-финсхом симпо-зиуте по моделированию водных сиитем (1089, Хиумаа, Эстония), на 3 Всесоюзной конференции "Вихри и турбулентность в океане" (1990, Светлогорск), ка итоговых сессиях Ученого Совета и семинарах' ЖОЗ РАН в 1Э85-1991ГГ.

Публикации. По результатам исследования авторог: опубляковэ-на 41 работа. Список основных публикаций приведен в конце автореферата .

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 233 отр. мапянопиского текста, иллюстрирована '13 рио., содержат 5 табл. Работа соотоит из введения, пяти глав и заключения. Список использованной литературу ссдарглт 209 нажэнотп-ни».

Содержание работы.

Во рведенил обосновывается актуальность темя диссертации, формулируется цель а задачи работы, кратко излагается содержание диссертации'по главам.

В первой глазе, носящей обэорныЗ характер обсуждаются некоторые геофизические проявления турбулентного вовлечения, например, увеличение толщины верхнего перемотанного слоя в бодоэуйх под воздействие;.! ветра, иостепанкоа разбухание клина пресных речных вод но мере удаления от морских берегов и т.д. Отмечается, что поскольку иурбулентноегью сдвигового происхоэденля охвачена практически вся толца природных водоемов, где имеется вертикальный сдвиг скорости течения, сдвиговое вовлечение - повсеместно, распространенный в водоаях процесс. йгечно этим объясняется значительнее количество попыток учесть сдвиговое воело-

чеаиэ в математических ¿«¡д*лях ггдрохермоданамкки водоемов. Особое распространение подучили модели, основанные на представлении, о сильной пбрй\:евапносги а связанной с этим квазиоднородаости нерхяого турбулизнроваяного слоя водоема. Глазным звеном теории таких моделей слузшт уравнение для толщины верхнего квазиоднородного слоя (ВКС), часто называемое уравнением вовлечения, т.к. оно сгшоыЕаох процесс разбухания перемешанного слоя за счет турбулентного вовлечения нэвозмуиенной стратифицированной жидкости в турбушзаропанныЗ слой, Динамика перемешанного слоя в моделях liK'J помимо взаимодействия с атмосферой определяется также взаимодействием с глубинными слоями. Поскольку последнее как раз и осуществляется благодаря механизму воэлечения очевидно, что улучшение качества моделей связано с прогрессом з изучении физики явления и скоростей вовлечения.

Гипотезу о вовлечении при наличии сдвига скорости впервые сформулировал jfe:.Тейлор в сороковых годах шиего столетия, а отрааекие в печати она получила, лииь спустя почти 10 лет (Цог~ ten, Taylor, Turner » 1956). Основные положения теории впоследствии стали отправными в мсследэьаниях сшрокого круга вопросов ■ геофизической гидродинамика и гидрометеорологии. Существенное развитие теория вовлечения поучила на основе анализа лабораторных опытов. Сводка опубликованных результатов лабораторных опытов, приведенная ь первой главе, доказала, что большшотво из них выполнено при 10 < R;^ < IG3, где R-^{¿рj^)h/и % , у. - ускорение свободного падения, &j>/f> - безразмерный перепад плотности ыеэд слоили жидкости, h - толцина ВКС, и. - скорость трения в воде. При этом меньшее количество экспериментальных данных и их наибольший разброс приходятся на взлиз и

средние величины ^ ¡^ , характерные для кобольпах прасноведннх водоемов умеренных пшрот, На основе анализа имеющихся в литературе данных лабораторных опытов обоудцантся различные эмпирические законы для скоростей вовлечения и различные гипотезы о мха-нязме вовлечения в стратифицированной жидкости.

Втооая глаза посвящена лабораторному »оделирозатж вого механизма турбулентного вовлечения. Приведен обзор конструкций лабораторных -установок, наиболее часто, использующихся з настоящее время. На основа сравнительного анализа подучоннкх с их помощью результатов отмечается, что основные недостатки применяемых конструкций связаны: а) с влиянием кокцевых стзиок, ограничивающих длину прямолинейных каналов; б) с эйохтали кришзкы з кольцевых бассейнах.

С учетом положительных черт и недостатков различных лабораторных установок для моделирования турбулентного вовлечения при наличии вертикального сдвига скорости разработана конструкция (Крейман, Богданов, 199С) и на Лимнологической станции Института озероведения РАН изготовлен замкнутый аэрогидрокака* обпий длиной 31,85 м (если измерять по осевой линии) с двумя чередувдими-ся прямолинейными и сопряженными с ниш зазфуглеиными участками. Длина калдого из прямолинейных участков 12 м. Прямоугольный в сечении тана л образован вертикальными стенками, дном и крышкой. Ширина канала 0,15, глубина 0,9 м. Для создания.за-грозого потока канал, оборудован двумя осевши вентиляторами и системой воздуховодов. Результаты опытов, выполненных нэ этом аэрокашле проанализированы в работе совместно о данными, полученными автором а опытах с ветровым обдувом водной повэрхности б колъцеис:; бассейне (Крейшн, 1581, 1982, 196£а, б).

Одной из общих закономерностей, выязлонных в результате лабораторного моделирования сдвигового вовлечения в'стратифицированной жидкости является формирование под влиянием трения на поверхности алотностаой структуры, характерной для природных водоемов - верхнего хорошо перемешанного и потому квазиодкородного .олоя (ВКС) и термо- или галоклина (в зависимости от способа создания стратификации) под ним. В опытах с линейно стратифицированной по плотности дэдкостью по мере воздействия веи'ра на вод-нут повор:люсть распределение плотности в перемешанном слое становилось более однородным, а на границе шзду турбулентной и нетурбулентной областями формировался скачок плотности. Отмечена неравномерность (замедление) нарастания толщины ВКС а.пределах опыта.

Б опытах с двухслойной жидкостью выявлены два режима углубления ВКС, каждому из которых соответствует свой характер эволюции 1ш.«ей поверхности перемешанного слоя. Использование метода визуализации дозволило проследить процесс Еихрзэбразованая вблизи низшей границы ВКО. Выявлен степенной характер связи мезду размерами вихрей и потоковым числом Ричардсона. В результате анализа экспериментальных данных получена зависимость, связывающая безразмерную толщину слоя турбулентного вовлечения (СТЗ) с перепадом' плавучести в пикнеклине и напряжением трешш в воде. По данным-опытов при йО с Й!^ < 2-Ю3 а1>/Ь = 0,4 +

При рассмотрении структуры течении лабораторные опыты являются важным источником информации. Сводка приведенных во зторои глазе результатов показала, что наиболее существенно горизонтальная составляющая скорости течения меняется с глубиной в приповерхностном слое (до глубин нА ^ 0,2) и в слоо вблизи низшей

границы ВКС, толщина которого достигает 30-15> толщины ЖС. Зтот сдой обычно проолежшаетоя до глубин г/к & 1,3-1,4. Но даа-нга; лабораторного моделирования иеиимзшо от способа генерации течений вертикальные профили горизонтальной состав.'Шацей скорости в этом с:;ое подобии не голы» качественно, но а бег.раз.мернэт кэордшатах л количественно. Это позволяет, развивал подход, оснований на параметрическом лродотзвлешли цдофялеЗ гидройпзичео-шх характеристик (Китайгородский, Миропольскии, 1Ь72; Румяи;еп и др., 1086), дм оценки скорости точения глуб^з ИКС использовать формулу * . ГДС -скорость течения ка ¡шякой граница Б1<С, д и - перепад скоростей метод' слоякл, и-( и иь)/ли , ^ = ( И)} -скорость точения на циклей границе лабораторного шпсюклина, раел.о.то;;ен-но:1 на глубпгс 2 = £>р . Ьвд Оуюси:я я ( ¡г ) определен но лабораторным даннш. Со средним квадратична/. отклоненном 0,00 они 1.1017т йнп аппроксимированы полиномо;.: и -

= о.б ]Г2+ о,^3 .

По данник об увеличении толщин ЗКС оцепени скорости турбулентного вовлечения. Отмечено, что безразмерная скорость вовлечения ир/их уменьшается от ОД до 0,003 с увеличением по-токэик чисел Р;.чардоона е диапазоне 10-270. при ото;.', характер связь* извду и . / и„ л К1' , по крайней ¡лоре при средних К/' . , подтяерздает гпергеткчеысие представления, согласно когора,: и• результатам опптол ¿> аорогпдрокснаде а = ¿.5 ± 0,3.

С иоаодьсошилегл 1дсс:.ютре:г.цк вше гахоио.черюстоИ турбулентного вовлечения р. Т|)0Т'ьеГ. г.уазс приводя: с;; ;/уто.„с'гиЧ'.:;;1Хш

ь»д<?ль. д а тоА.,.;.:чос;{;>л> Р'Э:.:::;...; и усжФ.Л иере.'.жзэклл

в мелководном подоске, а тякже метод оценки массообмена через эоерный те{ цоклин.

Фактические ^ашшз СЕИдетолъствувт, что существенной частью тегового блдкета мелководных екгяторий является теплообмен через поверхность дна и учэт этого фактора, вообдэ говоря, необходим при прогнозировании термики подоег.он. Ла основе количествен-

I

него анализа цаниьтх ^-:атур|ЦТ'С наблюдений предложена параметризация вертикальных профилей темлературы донных отложений и теплообмена чероз гран«-;^ раздела вода-дно. При зтоы выделено дга ти— 1.1 вортикальньк профилзй температуры в грунте. Первый т,:п характеризуется конотон-п!^ изменением тежературы в дзятелькем слое донных от л окон и С.. Нхтримор по наблюдениям на оз. Красном (Кузь-менко, 197С), он отмечается 5 среднем с конца. июля по август включительно (конец летнего прогрета) и с декабря по апрель (подлод-яий период). В безразмерных переменных б = С Т^ — "^^(Т^ —Т^,),

-( 2 ~ £> )/'(¿, ~ ) вертикальное распределение температурь! первого, типа гаже г.ридст£.пить в зад-! б" ) • Здесь Т, - температура но глуоиге 2 "В донных отложениях, Р - глубин?., озера, Ь - глубина залегания нижней границы деятельного слоя донных стлохоний, Т^ у, Т^ - текперо-т^-ра на поверхности дна и на пютей границе деятельного слоя-дчнных отлеязний соответстгенчо. По результатам :<оличгс:вьнного анализа фйктачзск/.х дачшг* г^ункцля О (к) сс средним квэдраитес-кки отклонением О.П аппроксимируется полиномом второй степени: = - Х^ ■ С ууетом этого для расчета таш:ер?.туры :: донных ,обложениях при наличии псофгльГ: пеового типа предложена >-л:,ула Т, , Тр ^ ( Т' - Т^ .

Характерной чертой профилей ге.люратууш вторг.го типа ЯВЛЧ7 ется наличие на них промекуточпого ма;:с!1му;/:а или минимума в зависимости от времени гида. Изменчивость г^'бгсш распслоаинля экстремума связана с температурной волной, распросгранпкцсЛсгт с поверхности вглубь дошшх отлоз&шй (фактические дашше пс^азива'.)': запаздывание прогрела глубшнгх слоев относительно гигзлота:;ц1х). Введение нэвьх безразмерных переменяй;: 9 - ( \г- )/' Тг - Т;). ■£ - ( - &)//(Т - Ь) возводило аплрга:ол!.а;рлнать изменчивость безразмерной темпзратурц на глубине г полиноиш ) -

~ 2 I

— 2 £ - £ • Здесь I - зромя, ■ ото-и;тлип.лоо ст начала весеннего прогрею, Т - интервал времени, за который томно-ратурная вола распространяется до гагагсй л-^^агипхи деятельного слоя дошшх отлшошШ, Тг и Т^, - температура на глубине г в моменты временя I и I =Т соответственно, (Г ' - ?зро-мя распространения температурной велнч о поверхности днь до тусу-блни 2 з дошшх отлоаикпях. На оскоио пара- ютричоассго представления вортнкалышх профилей температуры дошит: отлояош;:5 предложен метод оценка потоков тепла (у ^ черзз поверхность дна. Для проведения расчетов достаточно располагать тремя ма.та-мешаждамися для условий конкретного водоема гигрометра^! Т^ ,

£ и Т , а танке температурой Т^ на цоз.орхностн донны>: отложений. На основе метода рассчитана величины (] ^ для оз.Красного. Результаты расчета сояостав.юшг о величинами , пелученникл но измерениям вэртика^шя: профилей темпоратурц в деятельном слое дошшх отлозешй.

С использованием предложенного метода разработала простая параметризованная штсмапгезская модель для ощ»сашщ термического реслш сиотсмь вода-дошшо етяомення к уо.:ов::Г; ш^сютьедоа

в озере. Основой подели является одномерное нестационарное уравнение переноса тепла 3/?/ д{ =.- а а (Гда () - кинеш-тичесшй вертикальный турбулентный поток тепла), параметрическое представление зертшсальпнх профилеД темпоратурн вода в озере (Румянцев к др., 1ЭС6) и, так это изложено вше, в его донных отложшнях (Креймал, Голосов,' 1590), а такае уравнение для расчета тодцанн верхнего перемешанного слоя в зависимости от скорости ис-тра. и потока плавучести через свободную поверхность. При зтом, используя различные аппрокоишццогешо полиномы для безразмерной температуры в термоклше в случае заглубления ВКО а от-ступангя его июней границы, в модели учитывается, что смена типов температурных пройплеЦ в озерном терцоклше происходит не мгновенно, а за ног.сторш! промежуток про;,шли, длительность которого зависит от интенсивности турбулонтности. Для ее количественной оценки использованы результаты лабораторного моделирования, на основе котор»ьс предлоконг» формула и определены нообходи-шо константы для оценки коэффициента турбулентной температуропроводности в тормоклине (Зилптпккезуч, Крейнан, £ельззнбаум, 1938). С со учетом характерное яре;,к перестройки температурного профиля в торыокшшо в зависимости от гидродинамической ситуации оценивалась по уомгуле -р . ^ .,/

С/*'ГИ" £ ~

гдо С 210"^, С^ = о,Ю - безразмерные константы, оцо- • нелше по даннш лабораторных опытов. При достижении ншшеы границы ИКС дна температура.в водоеме полагалась неизменной по вертикали и (¡о величина рассчиталась на основе уравнения бэдютс тепла.

По предяог.ошюй модели выполнена серия расчетов прпмонпте-

льно к условиям оз.Красного (максимальные глубянц 10-12 м, толщина деятельного слоя дошшх отло.т.ечий около 3 и). До результатам расчетов проанализирована изменчивость гэрглической структуры системы вода-донше отложения в различила сезоки, тоэдкн БКО и потока тепла через границу раздела вода-дно. Фактическое и рассчитанное поведение тег.шерзтурню: профилей в воде и в донких -отложениях обнарукило носсмненнов сходство. Количественно оденоно влияние теплообмена швду водой и грунтом на тэрютаеэдю структуру озера. По результатам расчетов показано, что упо при- глубине 12 ы поток тепла через поверхность дна ашот достигать 5-7 * от шкеишльной в период прогрева величшш телгового потока через свободную поверхность. О уыенъшениэм глубины озера рель теплообмена через поверхность дна возрастает и, например, при глубине 2 ы величина может достигать» 12-14$ максималь-

ной б период прогрева величины потока тепла через подлуп ловзр::-ность. Это делает необходгагм учет теплообмена через поверхность -дна при расчетах термина и условий переменив аши в мелководных водоемах, глубина которих менее 12 м. •

С учетом особенностей турбулентного вовлечения при различных термогидродпнамдческих ситуациях рассмотрен вертикальный массообмен в стратифицированном водоеме. Развивая подход, использованный при анализе вертикального турбулентного массообмеиа через пикноклин в глубоководных морских подок.их (Крой.ин, 1265; Крейман, Прозоров, 1084), в работе предложен метод параметрического описания вертикальных профилей концентрация бисгек--них элементов в озерах. Поскольку процессы турбулентного вовлечения и формирования плотностной стратификации взаимосвязаны, а последняя р значительно;: мере определяется гмубиноД водоема при

анализе фактических данных (распределение фосфатов по ряду озер Карельского переделка) выделены два типа вертикальных профилей концентрации бногенов, Дня первого, отмечающегося в озерах с глу-бинаш более 15-20 м, в теплый период года характерна трехслойная структура. Под верхним перемешанным ело а; л с маломенявцойся по глубине ко;щентрацией бпогонои располагается переходный слой со значительными (до 30-40 шг РО^/'л ua I м) вертикальными градиентами концентраций биогенов, a пиле - придонная область, где концентрации , ао хфэйней мэре в теплый период года, меняются шло и происходи? это, в основном, за счет ыассообмена с дошшш отяоке-• 1шл7-и. Отмечается, что такоИ тип раолрсаделени-ч формируется при разбухании ВКС под воздействием вотрового першештанил, когда последнее еце ке достигло дна. второй тин вертикальных-профилей -концентраций биогенов включает ш два верхних иг аерэчисленних слоев в характерен для озер с глубинами до 15-20 м. Его формирование, как правило, связано с отступанием южней границы ВКС, обусловленным либо ослаблением ветра, либо усилением прогрова с поверхности. Такш образом, кагдаяй из типов отражает не только соотношение глубина водоеиа и толщины ШС, ни м особенности тур-булэнтшк процессов, играющих суцественау» роль в перераспределении вещества. Используя как п при ыылнзо термических прещео-cóz безразмерные перелешшс, для каадого из выделенных типов получен свой аплроглам'лсюкнцз поливом, восстаназлзвапцш! фактические даюше с некоторым среднеквадратичным отклонением (0,14 i; 0,07 для первого и второго типов соответственно). С учетом л того, а'такие полагая, что основная роль в перенесении биогенез через теркокяин в озере принадлежит турбулентному вовлечению, для расчета вертикального потока биогенов Q , из глубинного

в верхний переиеиашшй слой получено уравнение

где С. и - концентрации биогенного элемента в леремо-

м +> У

ванном слое и у ~1а соответственно, <£с-=.- безразмерный параметр, учитывающий тип вертикального профиля биогенов. Применимость продлокенного метода для оценка ьассообмена через озерный терыоклш была подтверждена по данным специального натурного эксперимента, проведенного летом 1986г. на сз.Краспом (Кройман и др., 198Е). Характерная величина вертикального турбулентного потока шссы, раосчитатшя --и основе предложешюго метода, составила 0,05 (шг РО^/л) -(сш/с), что близко к оценке

» полученной по контролируемому в ходе эксперимента изменении содержания фосфора в перемешанном слое.

В четвертой главе, основываясь на полученных в предыдущих главах результатах исследования сдвигового механизма персмекания, рассмотрен ветровой дроиф на поверхности стационарного пограничного слоя. Определение скорости и направления дрейфа на поверхности водоемов имеет как теоретическое так и практическое значо-ние. В теоретическом отношении изучение дрейфа вашю, т.к. он является одним из непосредственных проявлешй обмена импульсом мезду пограничными слоями воздуха и воды. В нракт,1ческом отношении, проблема изучения дрейфа возникает, прездз всего,в связи с задача;.« распространения всевозможных пленок. Наряду с прэдло-зеннш оце Зкг,ином теоретически:,! подходом, при котором используются скорость приводного ветра и представления о кооффициентэ турбулентного обмена импульсом, в последнее время дам расчетов дрейфовых течений все пире применяется теория взаи..юдспс£вия воздушного и водного пограничных слоев. Особое значение при этом

приобретает параметризация закона сопротивления на границе раздела воздух-вода. При этом в теоретических моделях наряду с параметром Еероховатости водноЛ поверхности до отношению к ветру 'используется "альтернативный" параметр внутренней или дрейфовой шероховатости нос^ т.е. шероховатости водной поверхности по отношению к дрей оово'.у -течении под ней (Вуе, 1365, Сяапаёу , 1504). Поскольку в литература удается'встретить лишь единичные оценки величнш гоя- , обсухдазшиеся вине лабораторные опыты с обдувом водной поверхности использованы для исследования параметра дрейфовой шероховатости. Путем срацивашм логарифмического подповерхностного провидя скорости точения и закона дефекта скорости получен закон сопротивления для условий экспериментов в лабораторном канале: (и^ - й)/и^а 1г ^/аос/) + ^0 »

где и. - скорость течения на поверхности, а - средняя скс-р

рссть течения в ЕКС, С0 = 4,4 - безразмерная константа, рассчитанная по результатам лабораторных опытов, к - постоянная Кармана. Полагая, что прл слабых ветрах величина параметра дрейфовой шероховатости связана о масштабом толщины вязкого псдслоя ")/и^ (здесь < - молекулярная' вязкость воды), а при более сильных - определяется масштабом поверхностных воли » приведены конкретные формы закона сопротивления, соответствующие различному состоянию водной поверхности. .При отом для дзух продельных слу-42сб - отсутствия волн и полностью развитого волнения по лабораторным я озерным данщлл выполнены оценки необходимых безразмерных констант. По результатам сопоставления величин нормированко-го параметра дрейфовой перохоьатосачГ ¿„¿к^ и числа Рейнольдса водной поверхности , показано, что характер сеязе иезду ними качественно сходен с аналогичным для параметра шероховатое-

ти водной поверхности по отношению к ветру и соответствующего числа Ричардсона (Китаигорсдс1ай3 1970). По лабораторным данным установлено, что режим, при котором величина ( 1ли^/) ) <.

о

6,5*10 , мог.сно рассматривать как режим гидродинаизческой гладкости водкой Поверхности по отношению к дрейфовому течению. При больших значениях. /) и^/ Ъ происходит разрушение подповерхностного вязкого подслоя и определять взличику параметра дрейфовой шероховатости необходимо с учетом характеристик поверхностных волн. На основе озерных данных проведена проверка закона сопротивления для случая развитого волнения. Отмечено, что он удовлетворительно выполняется, когда■ ¿м ( ^ ¡1/и^) > 12,5.

, Если рассмотренные вша. процессы вертикального теплогассо- • переноса носила локальный характер и их природа допускала объяснения в рамках одномерных моделей, то пятая глава посвящена . существенно нелокальному термическому явлению, в развитии которого вовлечение играот вакнуй роль ,- термическому бару. Природа термического бара - сезонного гидрсфооыта пресноводных водоемов связана с развивающейся по мера прзблкизшш те:.шература воды к гешоратуро наибольшей плотности даузютеБковой валиковой кон' векцией и нисходящим струйным течением, сосредоточенным в относительно узкой полосе иещу ячо£ка;/л. Ооршруясь на поверхности, течение по мере продвижения ко дну водоема вовлекает в движение прогретые и холодные воды, располоаешше по разкпз стороны от него. Учитывая сложность явления и ограднчешоо количество цыктических данных, о целью изучения механмзш ¡сорь:ирования и развития термического бара вшолноиа серия лабораторных экспериментов с ирогрзвогл клина пресной воды (Кроймаи, 1КБС). Опыта проводились в бассейне длиной 1,46 к, ыпрпной 0,4 ы с наклоттм

го : ,

в продольном направлеши дном. Начальная температура воды Т^ в лабораторной установке была коньке температуры наибольшей плотности Т т .В ходе кагдого опыта на поверхность воды подавался контролируемый поток тепла.

Температурные съемки показали, что уке через 6-8 пин. поело начала прогрева в лабораторной установке отчетливо прослеживалась прогретая мелководная область с температурами выше Т . Граница раздела иезду теплой и холодной областями отчетливо цросле-киваласъ г.о ориентация изотерм. В теплой области они располагались почти горизонтально, в холодной - практически верти1сально. О течение..: времени прогретая область, ограниченная изотермой 4°С,захватывала нее большую часть клина. По результатам лабораторного моделирования установлено, что средняя температура теплей области в различных опытах менялась от 4,4 до 5,б°0. Осред-кенная яе в предела:: каздого, она оказалась линейно зависящем от Т0 . Наблюдения за трассерами показали, что в теплой и хо-лод.юй областях отдолыю развивались две замкнутые циркуляционные системы с горизонтальными осями, ориентированными вдоль ля-

о

нпи бара с Скорости циркуляции в них не превышали (0,5-1,0)-10 см/с. Манду циркуляционными системами располагался фронтальный раздел, горизонтальный перенос через который отсутствовал. Но этой фазе опыта рост протяженности в теплой области водяного клина соответствовал зависимости I "Ь .По мере увеличения протяженности тепло? области Фронтальный раздал, сдвигаясь з'глубокую часть бассейна, принимал наклонное положение и искривлялся. В етой фазе развития термического бара вертикальные о.гори теченлЗ приобретали г -образную форму, отчетливо прослеживалось наползание языгл теплой вода та пиас/;екацай холодный

слой, рост протяженности теплой ой.астл ускорялся так, что / . 13/г •

На основе анализа результатов лабораторных опытов к опубликованных фактических данных предложена теоретичесгая модель для описания процесса смещения линия термического бара с мелководья • в глубоководную область водоема. Основой модели является уравнение, опискваюз.ее совместную эволюции сродней температуры теплой мелководной области водяного клипа и ее горизонтальную

I </Т*, _ О, .-г _ -т ,, 6±_ _ г ' 1 Л "у. сИ-. **

где ГI - горизонтальный динамический.поток тепла из геплоЗ об- ;

ласти в зону бара; * - тангенс-угла наклона даа; - кянз^ магический ноток тепла через свободную" поверхность. Для средней -.-тшора'А-урц воды в теплой области используется формула: -= = 2М() Т) , гдо- М - безразмерный

параметр, значение которого блико к единице. Горизонтальный динамический поток тепла рассчитывается по формуле Г^ - а иУ . Здесь а/ - характерная скорость конвективных деикениЭ в зоне бара, оцениваемая на основе формулы Голицына (1980), с)Т- I

- характерны!! перепад температуш, а - безразмерная коне тон- -

г

та. По результатам экспериментов а теоретических расчетов поделено три этапа в процессе смещения линии бара. Первый - начальный линейный период ( X < 6-1С2), па котором Л ■= Т (здесь ), - -I/ , Т - - безразмерные расстояние и

—4. —'е>

я. = 0,15 -10 К~" - коэффициент прошрцданалшосги в кмдаа-тячяоы уравнении состоянии воды. В ф<;зичэском отпииеюш .о'.'о означает пренефешшо малое глкянао горизонтального дашсьчсского

потока теша на отепление зонц бара. На втором зтапс (Т > 6 -10^) скорооть смещения линии бара увеличивается и выполняется неравенство ^ > Т . Учитывая результаты лабораторных опытов,этот второй этап мокно охарактеризовать как ламинарно-одвактивный. На нам происходит наползание языка теплой воды, на холодную и определенное отепление зоны бара, Третий этап - этап турбулентного ре-вима термического бара. Для сколько-нибудь точного определения временных границ его наступления необходимы дальнейто нагурше и лабораторные эксперименты. По имеющимся экспериментальным данным опраделенк необходимые для использования теории безразмерные константы и параметры.

Б заключении кратко сформулированы результаты и в:шода, ос-нозныэ из которых сводятся к следующему.

I. Разработана конструкция и создан лабораторный комплекс для изучения сдвигового механизма турбулентного возлечэния в потоках со свободной поверхностью. Основная часть комплекса аэро-гидроканал о длиной трека 31,55 м. Обзря закономерность, выявленная в результате моделирования з а ар огидрокана де сдвигового, зов-, лечения - Формирование в стратифицированной лвдкости под влиянием трения ветра термодинамической структуры, характерной дли природных водоемов: верхнего хорошо перемешанного и потому почти однородного по плотности слоя, в основании которого яакит ' тиимишн. -

'¿, 3 опыта;: с двухслойной жвдкоои.ю окечены два реаиш • увеличишя толщины ЖС, кавдоыу иь которых соопотствует своп характер озокзщш шскней поворхноста перемешанного слоя. Визуализация процесса вовлечения в тормою-цые позволила выявить наличие связи, по крайней море при средних числах Ричардсона

( -10 < К; <«Г ), мезду вазмбрэмп турбулентных вихрей вблизи нижней поверхности ЩС и величинам Я / . Но данным опытов эта связь носит степенной характер. В результате анализа экспериментальных данных при 10 < К'* < 2-103 получена зависимость безразмерной толщины елок турбулентного вовлечения от перепада плавучести по вертикали и напряжения трения в воде. Установлен универсальный характер и вид безразмерной функции для описания вертикальней структуры дрейфового потока з слое турбулентного вовлечения. Оцензнн скорости турбулентного вовлечения при 10 < А* < 270.

Л

3. Предложена параметризованная математическая модель, позволяющая рассчитывать условия перемешивания в водоеме и внутри- ' годовую изменчивость термического режима системы вода-донные от-лояения. На ее основе проанализировала роль теплообмена через поверхность даа в формировании особенностей термикк мелководного озера. 3 математическом отношении модель очень проста, что делает ее приемлемой для включения в кмитациошшв модем водных экосистем мелководных водоемов в качестве простейшего гидрофизического блока.

4. Предложена параметризация вертикальных профилей биогенез ь озерах различной глубины. Я учетом этого разработан и па примере оз.Красною опробован метод количественной оценки потоков биогенов через озерный термоклин в процессе турбулентного вовлечения.

5. На основе закона сопротивления для стационарного турбулентного пограничного слоя и анализа результатов лабораторию: опытов, а такке фактических даш!ых предложена зависимость .¡юр:.::-рсва:аюго параметра шутре:шзЗ или дрейфовой шероховатости,

,т.е. шероховатости водной поверхности по отношению к дрейфовому течении под ней. от числа Рейнольдса водной поверхности.

6. На основе лабораторных опытов рассмотрен процесс развития термического бара - сезонного гидрофрпнта пресноводных водоемов. Предложена теоретическая модель, учитывающая основные механизмы его формирования и описыващая ламинарный, лашнарно-адвективный и турбулентный рвлш.мы развития термического бара в процессе ого смещения из мелководной в глубоководную область водоема .

Основные результаты диссертационной рабстн изложены в следу идих публикациях.

-Экспериментальные иамерешм профиля скорости течения и турбулентности в слое трения. // Труды АЛ ИЛИ, 1974, T.3IG, c,.II6-119.

- О некоторых характеристиках слоя трения в море у шероховатых поверхностей. // Труды АА HIffl, К74, т.316, с.Г71-174.

( соавт. Дорокин Э.П.). ■

- Определение среднего коэффициента вертикального турбулентного обмена в мелком море. // Труды ЖНИ, 1975, выи.57, 0.6S-

70 (соавт. Доронин Ю.П., Карлин Л.Н.).

- Исследование вертикальней структуры верхнего слоя океана на моде;*ях. // I съезд советских океанологов. Тезисы докладов, вкп.1, физика океана, морская техника, изд. "Паука", М., 1977, с. 103 (соавт. Доронин Ю.Л., Карлик Л.Н., Рубцова Э.'Л.).

- Математическое и лабораторное моделирование термической структуры верхнего слоя океана. // Тезисы докладов на П Всесоюзной конференции "Технические сродства изучения и освоения океана", JI., 1978, згл.З, с.1Ь8-169 (соавт. Доронин Ю.П., Андреев

Р.Л., Кардин Д.П., ллацков Б.А).

- Лабораторное моделирование термической структуры верхнего слоя моря. П Океанология, 1979, т.XII, вып.1, с,49-52 (со-авт. Кар лин Л.Н.).

- labor at огу and rr.athenatical modeling of the deepening of mixed 1аусгз in a fluid// X1V Pacific science congress, USSR, Khabarovsk, enisust,1973. Additional vol., abstracts of рарегя, i.'osoow, pp 53-54 (co-authors Yu.P. Doronir:, I.II. .Karlir.)

- Моделирование весенних гидрологических процессов в море. // и&'яведолютвенныз! сборник "Нсоледовашю и освоение Мирового океана". Л., изд. ЛИИ, вчп.71, o.69-'.''j (соавт. Царев З.А.).

- Моделирование гидрологического режима Балтийского моря. // Труды Ш конференции Балтийских океанографов и УП совещания . экспертов по водному балансу Балтийского моря. 14-19 апреля 1980, Л., Гидрометеочздат, I3SI, с.21-26 (соавт. Доронин 13,П., Карлкн Л.Н., Мег.зин А.Б.).

- Лабораторное моделирование углубления перемешанного слоя гэдкости. // Океанология. 1301, т.XXI, blcuI, с.45-50.

- Лабораторное моделирование турбулентного вовлечения в термэклинс. // Мелхедомстзе;5шй сборник "Исследование и освоение Мирового океша", изд. ЛИИ, 1982, зып,77, о.144-147.

- Гидрологическая структура как характеристика биотопа. .// Сборник научных трудоЕ (ые;£ведсыственный). Л., изд. ШП1, 1933, зып.оО, 'j.67-7C.

- 0 еозмояных гидрологических последствиях некоторых антропогенных воздействий на Белое море. // Экологический исследования перспективна объектов ыдртсулътурц в Белом поре. Л., Изд. S',K АН СССР, 1Ь85, с.9-12 (соавт. Доронин ¡0.11.). . •

- Особенности взаимодейстзий в системах "атмосфера-океан" и "атмосфера-озеро". // Большое озеро как имитационная модель океана. Л., "Наука".Ленинградское отделение, 1906, с.43-48.'

- Лабораторное моделирование турбулентного вовлечения в кольцезом басоейие о обдувом водной поверхности. // ДАН СССР, 1988, т.303, И 2, с.315-519.

- Моделирование сдвигового механизма перемешивания в кольцевом канале с обдувом водной поверхности. J/ Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана. // ISB8, т.2'4, И 5, C.4B3-4BS.

- Закон сопротивления для ветрового дрейфа по данным лабораторных опытов. // Докл. АН СССР, 1988, т.301, JS 4, с.977-

ъ

981 (соавт. Зилитинкевич С.С.).

- Турбулентность, теплообмен и автомодельность температур-' ного профиля, в термоклике. // Докл. АК СССР, IS83, т.ЗОО, & 5, C.I22G-I230 (соавт. Билитшжввич С.С., 4ельзенбаум А.И.).

- Термический бар по результатам лабораторных опытов. // Океанология, 1989, т.29, вшх.6, 0.935-533.

- Аэрогпдроканал. Ц Авторское свидетельство Ji 1575075 л Государственном реестре изобретений СССР, I,03.1990а, бал. 30.06.90, И 24, (соавт. Богданов В.2). '

- Лабораторное моделирование сдвигового механизма перемешивания в стратифицированной яидкости. // Изв. АН СССР, Оиэика атмосферы л океана, IS906, т.26, J5 10,.с.1111-1119 (соаьт. • Богданов B.EJ.

- Закон сопротивления для ветрового дрейфа при наличии волн. // ДаН СССР, IS90, т.310, й 2, с.316-319.

- Турбулентное вовлечение в потекам со сдвигом скорости, // Тезисы докладов ill Всесоюзной конференции "Вихри и турбулент-

ность в океане". Светлогорск, I9SG, о.-33.

- О .параметризация теплообмена через поверхность раздела вода-дао. // Воднне ресуроы, 1990, Jä.5, с.36-41 (соавт. Голосов С.Д.). ,Л

- 'Теоретическое "и лабораторное исследование термического бара. // Океанология, 1990, т.ЗО, внп.5, 0.750-755 (соавт. Зн-литинкевич С.С.).

- Параметризованная модель сезонной оволвдии теплового режима и рецикла перемегшвания в водоеме. // Гидротермодинамическое взаимодействие.озера о атмосферой. Л., "Наука", Ленинградское отделение, IS90, о.£7-э8 (соавт. Зилитинкевич O.G., Миронов Д.В., Голосов 0.Д., Тержевик А.Ю.).

- Wind-induced drift of surface films//. Modeling air-lnka Interaction. Physical background. Springer Verlag, 1931, pp 6371 ( co-author S.S. Zilitinkevich)

. . - Theoretical and laboratory•investigation of tha thermal bar// Modeling air-lake interaction.. Physical background. Springer Verlag, 1991, pp. 91-99 ( co-authora S.S. Zilitinksvioh, A.Yu. Terzevik)

- The thermal bar // J. Fluid Hech.,1992, ( co-authors S.3. Zilitinkevich, A.Yu. Terzevick)

- Pom. ААНИИ.З*«. iO-lOO Э13. УЧ.езд.ЛЛ.1 25.03.03