научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ И ТРАНСФОРМАЦИИ РЕЧНЫХ ВОД В ПРИЛИВНОМ ЭСТУАРИИ Р. КЕРЕТЬ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ И ТРАНСФОРМАЦИИ РЕЧНЫХ ВОД В ПРИЛИВНОМ ЭСТУАРИИ Р. КЕРЕТЬ»

УДК 556.541(282.247.19)

Особенности распространения и трансформации речных вод в приливном эстуарии р. Кереть

С. С. Крылов*, Н. Ю. Бобров*, Г. В. Пряхина*, С. С. Бричева*, В. В. Ионов*

Приводятся результаты исследования процессов взаимодействия речных и морских вод в эстуарии р. Кереть, впадающей в Белое море. Исследования проводили с помощью георадиолокационного метода, позволяющего фиксировать границу пресной и соленой воды с высоким пространственным и временным разрешением. Применение этого метода позволило определить границы области распространения пресной воды в эстуарии на разных фазах приливно-отливного цикла и выявить характерные колебания границы пресной и соленой воды, проявляющиеся при разных значениях стока реки и условиях погоды.

1. Введение

Изучение динамических, термохалинных, биохимических процессов в устьевых областях рек, впадающих в приливное море, — одна из фундаментальных проблем современной гидрологии и прибрежной океанографии [3, 5, 6]. Важность изучения таких областей обусловливается сложным взаимодействием стока речных вод с приливной динамикой морской акватории. Именно в эстуариях наблюдаются такие малоизученные явления и процессы, как приливный бор, гидрофронт, естественный маргинальный фильтр. Исследование указанных феноменов требует комплексного подхода, сочетающего в себе постановку стандартных натурных гидрологических, океанографических и метеорологических наблюдений, неконтактных методов исследования особенностей явлений в толще вод почти в реальном времени, а также численное гидродинамическое моделирование соответствующих управляющих процессов. С этой точки зрения приливный эстуарий реки и губы Кереть — части губы Чупа Кандалакшского залива Белого моря — почти идеальный полигон для изучения взаимодействия речных и морских вод (рис. 1).

Для исследования взаимодействия соленых морских и пресных речных вод целесообразно использовать метод подповерхностной радиолокации (или георадиолокации) [2, 8]. Метод основан на изучении отражения коротких электромагнитных импульсов, посылаемых в нижнее полупространство, от границ внутри среды, разделяющих области с разными электрическими свойствами. Поскольку морская и речная вода имеют разную электропроводность, существуют хорошие предпосылки для отслеживания границы между ними с помощью георадиолокационного зондирования. В пределах эстуария пресные речные воды, хорошо пропускающие электромагнитное излучение, распростра-

* Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: sskrylov@rambler.ru.

Рис. 1. Картосхема устьевой области (а); спутниковый снимок (https://maps.google.ru) устьевой области (б), на котором отчетливо видно пресное "русло" в соленой воде; распределение пресных и соленых вод на фазе отлива по радарным данным (в).

Цифрами 1—3 на рисунке а обозначены профили; цифрами 1—5 на рисунке в — станции, на которых проводили измерения минерализации воды.

няются, как правило, в приповерхностном слое, взаимодействуя и частично смешиваясь с морской водой.

Во многих устьевых областях крупных рек существует относительно устойчивая поверхность раздела пресной и соленой воды, называемая галоклином, положение которой активно исследуется [4]. Однако мелкомасштабные процессы смешения вод в приливных эстуариях малых рек изучены гораздо меньше. Такие исследования требуют наблюдений с высоким пространственно-временным разрешением, обеспечить которое можно с помощью георадиолокации.

Применение метода георадиолокации позволяет получать большое количество детальной информации, которую, однако, сложно интерпретировать без стандартных гидрологических и океанографических методов наблюдений. В то

же время проведение полного комплекса измерений дает возможность изучать влияние динамики смешивания пресных и соленых вод на ход биотических процессов в устьевых областях рек. В настоящей статье приводятся результаты изучения эстуария р. Кереть с помощью георадара. Полевые работы проводили специалисты Санкт-Петербургского государственного университета в летний период 2007—2012 гг. на базе Морской биологической станции (МБС СПбГУ).

2. Методика экспериментов

Процессы взаимодействия пресных и соленых вод в устье р. Кереть исследовали методом георадиолокации, как правило, в меженный период в августе. Река Кереть берет начало из оз. Кереть, расположенного на севере Карелии, и при впадении в Белое море образует однорукавную устьевую область. Среднегодовой расход воды в реке составляет 22,6 м3/с. По морфологическим признакам устье р. Кереть является бездельтовым однорукавным, что характерно для малых рек с небольшим стоком наносов и мощным воздействием приливов. Схема устьевой области и спутниковый снимок эстуария приведены на рис. 1.

Для выполнения работ была разработана специальная методика съемки с борта маломерного плавсредства, включающая также одновременное измерение глубины эхолотом и привязку радиолокационных профилей при помощи GPS [1, 7]. В некоторых экспериментах синхронно с радиолокационной съемкой на нескольких станциях проводили измерения общей минерализации воды по глубине, определяли электропроводность, скорость и направление течения на разной глубине. Это позволило получить достаточно детальную картину распределения пресных и соленых вод устьевой области и их взаимодействия в течение приливно-отливного цикла. Установлено, что отражение радарного сигнала от границы пресной и соленой воды достаточно четко фиксируется на радарограммах и свидетельствует о ее сложной структуре. В процессе исследований была выполнена георадиолокационная съемка устьевой области на разных фазах приливно-отливного цикла для определения динамики структуры галоклина, а также проводились непрерывные наблюдения за глубиной границы в отдельных точках (на станциях) в течение приливно-отливного цикла с помощью двух одновременно работающих радаров.

Границу пресной и соленой воды в зоне смешения устанавливали с помощью георадара "Око-2" (ООО "Логис", Россия), обладающего высокой чувствительностью при выделении подповерхностных объектов и границ слоев, различающихся по электрическим свойствам. Глубина проникновения радиолокационных импульсов в среду и разрешающая способность зондирований зависят от центральной частоты антенного блока и электропроводности среды. Чем ниже частота, тем больше глубина зондирований, но меньше разрешающая способность. В пресной воде радарный сигнал распространяется почти без затухания, а соленая вода, обладая повышенной электропроводностью, отражает электромагнитное поле. В толщу соленой воды радиолокационный сигнал практически не проходит. Скорость распространения электромагнитного импульса в пресной воде почти постоянна и известна. По времени прихода отраженных от границы соленой воды сигналов рассчитывается ее глубина.

В современных георадарах синхронно с излучением импульса включается регистратор, который фиксирует все приходящие на приемную антенну сигналы. График зависимости принятого сигнала от времени обычно называется

радарной трассой. Совокупность последовательных радарных трасс образует радарограмму, на которой по горизонтальной оси откладывается расстояние, если радар перемещается, или время, если он работает непрерывно в одной точке. По вертикальной оси откладывается время от момента излучения импульса в наносекундах и глубина, которая рассчитывается при заданной скорости распространения электромагнитного сигнала в среде. При отражении радарного сигнала от объектов, обладающих меньшей, чем пресная вода, диэлектрической проницаемостью или электропроводностью, фаза отраженного сигнала сохраняется, при отражении от хорошего проводника фаза меняется на 180°. Это позволяет различать на радарограммах отражения сигналов от дна и от слоя соленой воды.

В работе использовали антенные блоки, работающие на частотах 150, 250, 400 и 700 МГц. При непрерывном режиме измерений антенные блоки георадаров размещали на дне маленьких надувных лодок, закрепленных у борта стоящих на якоре моторных или гребных лодок, снабженных блоками управления, питания и компьютерами, на которые велась запись, а также океанологическим оборудованием. Радарные данные регистрировали в течение заданного отрезка времени (весь приливно-отливный цикл или одна из его фаз). Радары работали в непрерывном режиме, разрешение по времени в зависимости от используемой антенны и режима записи составляло 0,2—1 с. Синхронизацию измерений осуществляли по внутренним часам радаров с точностью до 1 с. Для контроля каждые полчаса по хронометрам на радарограммах ставили метки.

Другой рабочий режим предусматривал буксировку радарной антенны лодкой с подвесным мотором малым ходом по продольным и поперечным профилям в пределах зоны смешения пресных и соленых вод. В этом случае лодку с антенным блоком вплотную пришвартовывали к борту моторной лодки. Выбранный способ крепления позволил наблюдать невозмущенную винтом мотора границу пресной и соленой воды. Направление профиля при буксировке контролировали визуально по створу буйков. При прохождении профиля на радарограмму наносили метки, которые привязывались по GPS. Это позволило при визуализации радарограмм учесть непостоянство скорости перемещения по профилям, связанное с влиянием течения реки и ветрового сноса. Георадар, буксируемый у борта мотолодки, позволяет фиксировать границу пресной и соленой воды с высоким пространственным разрешением, но с низкой точностью топографической привязки измерительного комплекса. Кроме того, измерения занимают определенное время (5—10 мин) на проход по профилю. Таким образом, полученные результаты следует рассматривать как усредненные, дающие качественное представление о распределении соленых вод.

3. Результаты работ 3.1. Радарное профилирование

Применение метода радарного профилирования позволило установить некоторые закономерности пространственного распределения соленых вод в устьевой области р. Кереть на разных фазах приливно-отливного цикла. Как показали результаты измерений, на фазах спада и подъема границы вод наблюдается сложная динамическая картина их смешивания, возникают характерные структу

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.

Показать целиком