ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2010, том 37, № 3, с. 274-291
ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ И РЕЖИМ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 556.545
КЛАССИФИКАЦИЯ ЭСТУАРИЕВ ПО ГИДРОДИНАМИЧЕСКИМ ПРОЦЕССАМ1
© 2010 г. Е. Н. Долгополова, М. В. Исупова
Институт водных проблем Российская академия наук 119333 Москва, ул. Губкина, 3 Поступила в редакцию 09.12.2008 г.
Рассмотрены различные признаки, определяющие эстуарий, и факторы, влияющие на формирование его гидрологического режима. Приведены результаты исследования процессов взаимодействия морских и речных вод в эстуариях и характерные черты переноса взвешенных наносов под конкурирующим воздействием речного стока и приливов. Проведено сравнение возможных подходов к классификации эстуариев, предложенных разными авторами.
Ключевые слова: эстуарий, классификация, прилив, циркуляция, смешение вод, стратификация, динамика наносов.
Понятие "эстуарий" в географической литературе применяется в различных значениях. Главным образом, оно относится к расширяющемуся к морю устью реки или к полузакрытому прибрежному водоему, в котором происходит смешение речных и морских вод [5]. Само понятие "эстуарий" происходит от латинского ае8Шагшт (ае81ш — кипение, волнение, прилив), что означает затопляемое устье реки, лагуна, лиман, залив.
Для эстуария как географического объекта, являющегося переходной зоной между рекой и приемным водоемом, характерна совокупность процессов, определяющих его строение и гидрологический режим. К ним относятся морфологические (динамика дна и берегов), гидрофизические (динамика и циркуляция вод, смешение речных и морских вод и водообмен, динамика ветровых и приливных течений, волнение), ледотермические (температура воды, ледовые явления), гидрохимические и биохимические (формирование и трансформация химического состава воды), биологические процессы (формирование сообществ гидробионтов). Анализ этих процессов позволяет определять и классифицировать эстуарии.
В данной статье авторы подробно рассматривают гидрофизические процессы в эстуариях и, соответственно, предлагают классификации данных водных объектов по различным видам физических процессов.
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 07-05- 00406).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ПРИЗНАКИ ЭСТУАРИЯ
Наибольшую известность получило определение эстуария, данное Д. Притчардом: "Эстуарий — это полузакрытый прибрежный водоем, который имеет свободный обмен с морем и в котором морская вода разбавляется пресной водой, стекающей с суши" [17]. При этом наиболее часто упоминаемыми в различной отечественной и зарубежной литературе признаками эстуария являются наличие полузакрытого водоема и реки (обязательно), смешение морских и речных вод, приливы.
В [41] предлагается определение: "Эстуарий — это узкий, полузакрытый водоем, который свободно сообщается с открытым морем (по крайней мере, периодически) и в котором соленость воды в известной степени отличается от солености воды в открытом океане". Такое определение четко отделяет эстуарий от внутреннего моря, но при этом имеет, на взгляд авторов, существенный недостаток — отсутствие в определении слов о присутствии стока пресной воды.
Примеры устьевых областей рек эстуарного и эс-туарно-дельтового типа представлены на рис. 1.
ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ЭСТУАРИЯ
Основные факторы, определяющие режим эстуария, — речные (расходы и уровни воды в реке, физические и химические свойства речной воды, ледо-термический режим, сток наносов и другие) и морские (уровень воды, течения, приливы, ветровое волнение, физические и химические свойства морской воды, вдольбереговой поток наносов и другие). Значительное влияние оказывают и другие
(б)
факторы: геологические, физико-географические (климат, рельеф, почвенно-растительный покров и другие) и антропогенные (регулирование стока, дноуглубительные и выправительные работы, сооружение судоходных каналов и другие). Эти факторы различны для разных эстуариев, кроме того, они могут существенно изменяться в пределах одного эстуария в разные периоды времени.
Приливы
Величина приливов зависит от географического положения эстуария и является независимым параметром. Диапазон изменения величины приливов очень широк. Так, эстуарии рек Мезени и Кулоя, впадающих в Белое море, находятся под влиянием приливов, величина которых изменяется в диапазоне 4.6—7.8 м. Это максимальная величина прилива на арктическом побережье России, и, как будет показано далее, она оказывает определяющее влияние на стратификацию течения и циркуляцию вод этих рек. Величина приливов уменьшается с запада на восток побережья Арктических морей с максимальной величины до ~0.3 м вблизи устьевых областей Яны, Индигирки, Колымы [7]. В табл. 1 представлены наиболее значительные эстуарии рек в мире и величины приливов.
Взаимодействие речных и морских вод
Соленость воды в эстуариях зависит от расхода речной воды и от объема морской воды, поступающей в эстуарий с приливной волной. Пресные и соленые воды, встречаясь в эстуарии, не сразу перемешиваются, а пресная вода расплывается по более тяжелой соленой. Положение границы проникновения морской воды в приливный эстуарий периодически изменяется в зависимости от цикла прилив—отлив, а средняя по сечению соленость воды в нем монотонно возрастает в сторону моря. Интрузия соленых вод в эстуарий зависит от величины приливов и типа формирующейся циркуляции вод. Например, реки Хатанга и Анабар, впадающие в море Лаптевых, образуют широкие и довольно мелкие эстуарии. В результате этого эстуарий Анабара, как правило, промерзает до дна с декабря по май. Эстуарий р. Хатанга промерзает до дна примерно 1 раз в 3 года [20]. Таким образом, зимой соленая морская вода не проникает в эти эстуарии.
Коэффициенты турбулентной диффузии в эстуариях. Исследование диффузии в эстуарных и прибрежных водах имеет много приложений, включая предсказание смешения сточных вод от перерабатывающих заводов, термальных сточных вод с гидростанций и случайных разливов нефти. Часто для описания перемешивания в эстуарии используются результаты, полученные при рассмотрении распространения примесей в реках с использованием теории турбулентной диффузии [36].
Рис. 1. Карты-схемы устьевых областей эстуарного (Жиронда) (а) и эстуарно-дельтового (р. Енисей) (б) типов. 1 — эстуарий Жиронда, 2 — дельта Енисея, 3 — Енисейский зал. В Жиронде: 4 — Навигационный канал, 5 — Южное русло, 6 — Северное русло, 7 — Западный проход, 8 — Южный проход.
Таблица 1. Максимальная величина приливов в устьях некоторых рек эстуарного (Э) и эстуарно-дельтового (ЭД) типов
Материк Река Приемный водоем Тип устьевой области Максимальная величина прилива, м
Евразия Мезень, Кулой Мезенский зал., Белое море Э 7.6
Обь Обская губа, Карское море ЭД 0.4
Енисей Енисейский зал., Карское море ЭД 0.5
Хатанга Хатангский зал., море Лаптевых Э 0.8
Анадырь Анадырский зал., Берингово море Э 2.5
Эльба Гельголандская бух., Северное море ЭД 3.6
Везер Э 4.2
Темза Северное море Э 4.0
Мерси Ливерпульский зал., Ирландское море Э 8.4
Северн Бристольский зал. Атлантического океан Э 15
Сена зал. Сены, пролив Ла-Манш Э 7.5
Луара Бискайский зал. Атлантического океана ЭД 6.7
Гаронна, Дордонь Жиронда, Бискайский зал. Атлантического океана Э 6.0
Дуэро Атлантический океан Э 3.6
Тахо (Тежу) То же Э 3.4
Африка Сенегал » ЭД 1.4
Гамбия » Э 1.4
Казаманс » Э 1.7
Кросс зал. Бонни, Гвинейский зал. Атлантического океана ЭД 1.7
Конго Атлантический океан ЭД 1.8
Северная Нельсон Гудзонов зал. Атлантического океана Э 4.2
Америка Черчилл То же Э 4.2
Сент Джон зал. Фанди Атлантического океана Э 18
Раритан бух. Раритан Атлантического океана Э 2.1
Святого Лаврентия зал. Св. Лаврентия Атлантического океана Э 5.9
Делавер зал. Делавер Атлантического океана Э 2.0
Гудзон Атлантический океан Э 1.6
Колумбия Тихий океан Э 3.5
Южная Парана, Уругвай Ла-Плата, Атлантический океан ЭД 1.0
Америка Атрато зал. Ураба, Карибское море Э 0.6
Корантейн Атлантический океан Э 3.3
Токантинс, Пара бух. Маражо Атлантического океана Э 4.3
Австра- Муррей Большой Австралийский зал. Индийского океана Э 1.6
лия Фицрой зал. Кинг Индийского океана Э ~8.0
Виктория зал. Жозеф-Бонапарт, Тиморское море Э ~8.0
В эстуариях, в отличие от рек, коэффициенты турбулентной диффузии импульса, соли и тепла не равны между собой [4], поэтому уравнения диффузии решаются при Рг Ф 1. Для мелкой воды часто предполагается справедливым уравнение поперечной диффузии &у для открытых потоков
гу/ёы = 0.6 ± 50%.
(1)
Это разумно в тех случаях, когда турбулентность генерируется, в основном, за счет трения на дне. Для более глубокой воды обычно используются другие формулировки. Для малого источника на начальной стадии роста в [18] предлагается пользоваться постоянным коэффициентом диффузии б = 0.1 м2/с.
Для больших времен и размеров источника коэффициенты диффузии могут быть много больше,
Таблица 2. Ослабление концентрации примеси на дальних расстояниях Sf в зависимости от длины диффузора
Время ч Длина диффузора
Ь — 35 м Ь — 700 м
1 2.4 1..
3 7.4
10 35.5 3.2
20 95.6 6.9
и размер источника будет определять скорость распространения примеси. Используем уравнение распространения примеси в реке, полученное при следующих условиях. Рассматривается протяженный линейный источник примеси конечной длины w0, сточные воды которого поступают в практически неограниченный резервуар с водой — эстуарий [36]. Для этого случая уравнение переноса можно записать в виде
дс
I—
дх
д ду
дс
и - = - 18у дУу) + кс
(2)
где k — коэффициент распада. Для консервативной примеси k — 0.
Это уравнение решалось многими исследователями в разных предположениях. В частности, если считать, что бу — переменный коэффициент диффузии, являющийся функцией размеров струи в степени "4/3", то для максимальной концентрации примеси на центральной линии (у = 0) получим решение
ст(х) = с°е к'еГ
3/2
1 + 2вХ) - 1 3
(3)
В данном случае рассматривается двумерный поток и диффузия в горизонтальной плоскости в продольном и поперечном направлениях. Такое предположение разумно, так как плотностная стратифи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.