УДК 551.465; 551.463.8
ЛАБОРАТОРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТУРБИДИТНОГО ПОТОКА ПО НАКЛОННОМУ ДНУ
А. А. Петрига, младший научный сотрудник, Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН, apetriga@yandex.com,
А. Г. Зацепин, заведующий лабораторией, д. ф.-м. н., Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН, zatsepin@ocean.ru
В статье приведены результаты лабораторных экспериментов по исследованию закономерностей распространения пресноводных взвесенесущих (тур-бидитных) придонных плотностных течений (ППТ) по наклонному дну в пресной и соленой воде. Выявлены автомодельные зависимости скорости и дальности распространения ППТ от внешних параметров эксперимента. Сделана попытка использования полученных закономерностей для описания турбидитных ППТ в природных условиях.
The results of the laboratory experiments on the investigation of fresh water turbidity near-bottom gravity current advancing over a sloping bottom (NBGC) are represented in the paper. The self-similar dependences of the velocity and the advancing distance of NBGC on external parameters are revealed. The obtained regularities are tentatively applied for description of NBGC in natural conditions.
Ключевые слова: турбидитные потоки, придонные плотностные течения (ППТ), лабораторные эксперименты, автомодельность.
Keywords: turbidity currents, near-bottom gravity currents (NBGC), laboratory experiments, self-similarity.
Введение. Турбидитные потоки — разновидность придонных гравитационных, или плотностных течений (ППТ), избыточная плотность в которых в значительной степени определяется содержанием взвеси. Такие течения образуются в шельфово-склоновой зоне океанов и морей в результате взмучивания прибрежных вод в периоды штормов или при сходе подводных оползней [1]. Их движущей силой является составляющая силы тяжести, направленная вдоль наклонного дна, умноженная на избыточную плотность взвесенесущих вод.
К особой разновидности ППТ можно отнести опресненные турбидитные потоки в соленой воде. Они образуются в том случае, если пресные воды реки, впадающей в море, характеризуются достаточно высоким содержанием взвеси для обеспечения избыточной плотности по отношению к соленой воде. По данным исследований такое содержание взвеси может иметь место лишь в немногих реках в период высокого половодья или паводка [2].
Известно, что ППТ иногда достигают десятков метров толщины и распространяются на сотни и даже тысячи километров по континентальному склону, со скоростью до нескольких метров в секунду [2]. Такие ППТ играют важную роль в процессах водо-, тепло- и массообмена в океане, обладают большой эродирующей способностью, участвуют в рельефообразовании, а также способны повреждать или даже уничтожать подводные конструкции. Наряду с этим экологическое влияние ППТ на прибрежную зону является положительным, поскольку они осуществляют вынос содержащихся во взвеси загрязнений в глубоководную часть моря, способствуя самоочистке прибрежной зоны моря.
Несмотря на достаточно широкий диапазон изменчивости масштабов и других параметров ППТ в природных условиях, закономерности их динамики, можно с успехом изучать в лабораторных условиях [3]. В данной работе приводятся результаты лабораторных экспериментов по исследованию закономерностей распространения вниз по наклонному дну пресноводных турбидитных ППТ в пресной воде и пресноводных турбидитных ППТ в соленой воде. Делается попытка использовать эти закономерности для описания турбидитных ППТ в природных условиях.
!
Рис. 1. Схема экспериментальной установки:
1 — наклоненный бассейн из оргстекла (120 х 12 х 40 см3);
2 — резервуар для подачи взвесесодержащей дистиллированной воды; 3 — распространяющийся вниз по наклонному дну турбидитный поток с «головой» (4), т. е. утолщением во фронтальной части; 5 — траектория движения потока. Стрелка — направление подачи суспензии из резервуара в бассейн
Лабораторная установка и методика проведения эксперимента. Исследование турбидит-ных потоков проводилось на лабораторной установке, схематично изображенной на рис. 1.
Опыты проводились следующим образом. На стадии их подготовки бассейн (1) устанавливался под фиксированным углом к горизонтали и наполнялся пресной (дистиллированной) или соленой водой комнатной температуры. В резервуаре (2) в дистиллированную воду той же температуры добавлялось определенная масса твердых частиц, и замешивалась суспензия. В начале опыта производился импульсный впрыск заданного количества суспензии из резервуара в бассейн. После частичного затухания порожденной импульсом турбулентности происходило формирование турбидитно-го течения, опускавшегося вдоль наклонного дна бассейна. Каждый опыт фиксировался на видеокамеру. При обработке материалов видеосъемки определялись следующие параметры: начальная площадь турбулентного пятна, образующегося в верхней части бассейна в результате впрыска суспензии (раствора), дальность и скорость распространения течения, его толщина, высота и длина «головы».
Было выполнено 20 опытов, которые подразделялись на две серии: в первой серии моделировалось распространение пресноводного турбидитного потока в пресной воде, во второй — в соленой. Перед проведением опытов первой серии бассейн заполнялся дистиллированной водой, перед проведением опытов второй серии — водным раствором КаС1 с соленостью 1 и 2%о. В каждом опыте фиксировались следующие начальные параметры: со-
держание взвешенного вещества в суспензии, гранулометрический состав и тип взвеси, угол наклона дна бассейна. Содержание взвеси в суспензии изменялось от 2 до 100 г/л, а угол наклона дна бассейна имел значения 5, 10, 15 и 18°. Температура воды в бассейне и суспензии выравнивалась с точностью до 0,1 °С для того, чтобы температурный вклад в плотность не влиял на распространение течения.
В качестве взвеси использовались разделенные на 3 фракции частицы спитого молотого кофе диаметром 0,1—0,25, 0,25—0,5 и 0,5—1 мм, при удельном весе частиц 1,25 ± ± 0,038 г/см3. Указанные выше фракции были получены в результате просеивания кофе через сита с различной ячеей. Выбор кофе как материала для приготовления суспензии объясняется тем, что он легко доступен и имеет относительно небольшой удельный вес, по сравнению с минеральными частицами, что обеспечивает необходимую гидравлическую крупность при достаточно большом размере его частиц. Крупность частиц важна также для предотвращения их коагуляции в потоке.
Объемы воды в бассейне и суспензии в резервуаре не изменялись существенно от опыта
33
к опыту и составляли 22 500 см3 и 1000 см3, соответственно.
Качественное описание результатов опытов. Образование и начальное развитие ППТ в опытах обеих серий происходило приблизительно одинаково, причем скорость формирования опускающегося вниз по наклонному дну турбидитного потока зависела от содержания взвеси и ее гранулометрического состава: чем выше концентрация и меньше гидравлическая крупность частиц, тем быстрее формировалось ППТ с «головой».
В подавляющем большинстве опытов ППТ имело явно выраженную вихревую структуру, и характеризовалось не ламинарным режимом распространения [4]. При этом число Рейноль-дса, рассчитанное по скорости и толщине ППТ, изменялось в диапазоне от 200 до 1000 в зависимости от концентрации и гидравлической крупности взвеси, а также угла наклона дна бассейна к горизонтали, и турбулентность в ППТ не была развитой.
На стадии сформировавшегося ППТ проявлялись различия между течениями с разными начальными параметрами (рис. 2). В пресной воде, в турбидитных потоках, содержащих частицы большой гидравлической крупности (й = 0,5—1,0 мм), взвесь осаждалась достаточно быстро, и, после короткой стадии разгона поток
Рис. 2. Распространение пресноводного турбидитного течения по наклонному дну бассейна. Угол наклона — 10°, концентрация взвешенного вещества в суспензии — 20 г/л, взвесь — спитый молотый кофе, диаметр частиц — 0,1—0,25 мм.
Слева: в пресной воде. Справа: в воде с соленостью 2%о
постепенно замедлялся. При меньшей гидравлической крупности частиц (1 = 0,1—0,25 мм и 1 = 0,25—0,5 мм) поток распространялся квазиравномерно почти до противоположной торцевой стенки бассейна (рис. 2, слева). В соленой воде, по мере выпадения частиц, поток замедлялся и останавливался. При этом опресненная вода всплывала к поверхности воды в бассейне в виде конвективных струй, производивших вертикальное перемешивание (рис. 2, справа).
Использование анализа размерностей для описания автомодельных режимов турбидит-ных течений. Используя теорию размерности и физические представления о влиянии различных факторов на двумерный турбидитный поток, скорость его распространения в пресной воде на наклонном дне в зависимости от внешних параметров можно представить в виде:
v = Сф(Ф + фо),
Л/2
где ф =
sin а
ю
(1)
a Сф и фо — константы,
редуцированное ускорение силы тяжести в турбулентном суспензионном пятне. Здесь £о = 75 см2 — отношение объема впрыскиваемой в бассейн суспензии к ширине бассейна; g — ускорение силы тяжести; р0 — плотность суспензии; Аро — разница плотностей суспензии и воды в бассейне; а — угол наклона дна (°); ю — гидравлическая крупность частиц, которая может быть рассчитана на основе знания диаметра и удельного веса частиц по формуле Караушева [4].
Применяя тот же подход к задаче распространения пресноводного двумерного турби-дитного потока по наклонному дну в соленой воде, зависимость дальности распространения потока Ь от заданных параметров может быть представлена в виде:
L = CJy + уо)-
(2)
о £ • g' • sin а ^
Здесь у = —2—--, где C^ и уо — конс-
ю
танты, которые предстоит определить экспериментально; g' = g(Cpp - PAS), где C — весовая концентрация частиц в турбулентном пятне в момент формирования ППТ; рр — удельный вес частиц; в — коэффициент соленостного сжатия; AS — разница соленостей между соленой водой в бассейне и опресненной водой в турбулентном пятне, а другие параметры такие же, как в предыдущем случае.
Следует отметить, что выражение (1) получено в предположении существования полной автомодельности зависимости скорости течения от функции ф по
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.