ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2007, том 34, № 5, с. 544-553
_ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ _
ПРОЦЕССЫ
УДК 556.556:532.5
ПЕРЕНОС РАСТВОРЕННЫХ СОЛЕЙ ПРИДОННЫМИ ПЛОТНОСТНЫМИ ТЕЧЕНИЯМИ1
© 2007 г. Б. И. Самолюбов, Е. С. Афанасьев
Московский государственный университет 119991 Москва ГСП-1, Ленинские горы Поступила в редакцию 31.07.2006 г.
Рассматриваются механизмы эволюции полей концентраций растворенных солей, транспортируемых плотностными потоками, в пяти равнинных водохранилищах и в широтной части оз. Телецкого по материалам комплексных измерений распределений параметров течений и состава воды на продольных разрезах. Предлагается математическая модель переноса растворенных солей этими потоками. Анализируются результаты апробации модели по результатам натурных измерений.
Придонные потоки с термической, минерализа-ционной и суспензионной стратификацией играют значительную роль в формировании структур полей концентраций примесей в водохранилищах и озерах. Поэтому процессы распространения плот-ностных течений особенно активно изучаются именно с точки зрения их воздействия на формирование распределений параметров состава воды [4, 8, 11, 13-16]. Вместе с тем, существующие представления о механизмах этих процессов и математические модели переноса взвеси, растворенных солей и газов плотностными потоками недостаточно совершенны. Основные проблемы теоретического описания транспорта примесей связаны с многообразием структур придонных течений, эффектов их взаимодействия с другими потоками и видов энерго- и массообмена, которые могут зависеть от влияния взвешенных и растворенных субстанций [3, 6-8, 12]. В этой статье анализируются результаты экспериментальных и теоретических исследований переноса растворенных солей плотностными потоками в широком диапазоне изменений их устойчивости в водоемах с различной интенсивностью обмена и рельефом дна.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Процессы развития плотностных потоков и переноса примесей изучались в ходе экспедиций физического факультета МГУ в 1997-2004 гг. на разрезах равнинных Можайского, Озернинского, Рузского, Иваньковского, Истринского, Вазуз-ского водохранилищ (Московская, Тверская и Смоленская области) и оз. Телецкого (Горный Алтай). Характеристики полигонов и особенности формирования на них плотностных течений представлены в [1, 4, 5, 8 - 10, 11]. Развитию рабо-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ
(гранты 05-05-64870, 06-05-64911).
ты [8] применительно к транспорту растворенных солей посвящена данная статья. Это позволяет привести здесь только значения максимальной глубины Ик, длины Ьк и ширины водоема (наибольшей Вк или средней В^) при нормальном подпорном уровне, среднего уклона дна 4 и основные параметры течений.
В Можайском водохранилище (Ик = 17 м, Ьк = 26 и Вк = 2.6 км, ^ = 6 х 10-4) измерения велись по всем основным гидрологическим створам, определенным в [10]. В Озернинском (Ик = 20 м, Ьк = 19.2 и ВкА = 1.2 км, ^ = 7 х 10-4) и Рузском (Ик = 21 м, Ьк = = 33, ВКА = 1 км, 4 = 3 х 10-4) - длины разрезов равны расстояниям от приустьевых створов рек Озерны (с. Ватюхино) и Рузы (с. Новобатово) до границ приплотинных водоохранных зон - до створов с. Пеньково и с. Палашкино соответственно [8]. В Иваньковском (Ик = 20 м, Ьк = 120 км, Вк = 4 км, 4 ~ 10-4), разрез выполнен на участке п. Го-родня - г. Дубна [1, 5, 8]. В Истринском (Ик = 19 м, Ьк = 22.5, ВКА = 1.5 км, ^ = 4.5 х 10-4) - между створами с. Пятница и Плотина. В Вазузском (Ик = 27 м, Ьк = 105, Вк = 1 км, ^ = 2 х 10-4) - в верховьях его гжатской ветви, от створа на слиянии рек Гжать и Яузы до центра Кармановского плеса. В широтной части оз. Телецкого (Ик = 325 м, Ьк = 78, Вк = = 5 км) - на участке от м. Караташ до пос. Арты-баш).
Параметры зарегистрированных на этих разрезах восьми течений, развитие которых анализируются в следующем разделе, приведены в таблице, где Ыу - число вертикалей, Хс - длина разреза; и - скорость течения, средняя по его длине и толщине; Ар - разность плотностей жидкостей в потоке и над ним, СсЫ - концентрация растворенных солей, Бе - число Шмидта, zu - толщина потока,
К/н, №И - интегральные числа Ричардсона, Ти -температура воды, средняя по всей глубине водо-
Характеристики течений по данным измерений на восьми разрезах
Исследуемый объект Дата Nv Xc, км (и )ха, см/с (Ap ^ 10-3 г/см3 (zu)xa, м (Riu)xa ( Cdil )ха, мг/л ( Sc )ха (RiH)xa ( TH )ха, °C
Водохранилища
Можайское 9-10 июля 1997 г. 16 24 3 1 6 70 162 9 290 15
Иваньковское 13-14 июля 1999 г. 15 64.3 8 0.4 11 10 210 4 18 22.3
Озернинское 2 июля 2000 г. 6 18 4 0.15 3 5 334 4 644 17.2
Рузское 28 июня 2000 г. 8 29 4 0.14 4 5 322 5 62 17
Истринское 11 июля 2001 г. 10 11.7 3 0.12 5 8 280 1.5 183 16.6
То же 18 июля 2002 г. 10 16.3 5 0.33 4 11 297 2.5 227 21.7
Вазузское 27 июля 2002 г. 7 15.8 3 0.3 5 19 180 15 35 18.4
Оз. Телецкое 27 июля 2004 г. 10 10 8 0.07 11 2 46 2.5 9 8.5
ема и длине разреза. Черта сверху и индексы xa и H - символы осреднения по толщине zu, длине XC
и глубине H соответственно; Riu = gApzu/pU -число Ричардсона для плотностного потока, RiH =
= g5pHH/p| U\ Ha - полное число Ричардсона, характеризующее устойчивость течений по всей глубине водоема. В этих выражениях 5pH - разность значений p на высотах z = 0.5 и z = H - 0.1 м над уровнем дна, | U|Ha - среднее по глубине H значение модуля скорости течения, g - ускорение свободного падения.
Для регистрации течений применялся многопараметрический комплекс аппаратуры, включавший градиентную установку для синхронной регистрации скорости течения U роторными датчиками на шести горизонтах в слое толщиной 3 м; фотоэлектрический прозрачномер с датчиком температуры T; зонды фирмы "Эксперт" для измерений электропроводности воды CK и концентрации растворенного кислорода 02; CTD-зонд "Neil Brown"; измеритель скорости ветра Uw на высоте 2 м над водой; система позиционирования GPS; эхолот и батометры.
Время комплексной съемки профилей U, T, Cs -12 мин в слоях толщиной до 20 м с шагом по глубине 0.5 м. Погрешность профильных измерений составляла 3% для скорости с временем осреднения 4 мин при U = 10-70 см/с (при снижении U от 10 до 3 см/с погрешность возрастала до 20%); 0.02°C для температуры; 1-5 мг/л (при Cs = 5-3000 мг/л) для концентрации взвеси. Минимальная разрешаемая скорость составляла 2 см/с; погрешность измерений концентраций 02 - 0.1, солей Cdil (по CK) -1 мг/л. Анализы проб воды, отбиравшихся одновременно с измерениями T, Cs, U, CK, давали распределения концентраций отдельных солей и общей минерализации вод. Гидрохимические анализы выполнялись в лабораториях географического факультета МГУ при работах на москво-
рецких водохранилищах, ИБП РАН - на Иваньковском водохранилище и ИБЭП СО РАН - на оз. Телецком. По этим данным и результатам весового анализа проб проводились калибровки кондуктометра по общей минерализации и про-зрачномера по концентрации взвеси.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРЕННЫХ СОЛЕЙ В ПЛОТНОСТНЫХ ТЕЧЕНИЯХ
Типичные распределения концентрации солей рассматриваются по результатам измерений на разрезах в водоемах с плотностными потоками при их умеренной, высокой и низкой гидродинамической устойчивости (рис. 1, 2, 3).
Профили скорости плотностных течений на разрезах (рис. 1а, 2а, 3 а) характеризуются одноядерными и двухъядерными структурами, схематично представленными на рис. 1в,г. Кривые U(z) на рис. 1а, 2а, 3 а - теоретические по [6, 7]. На схемах zu - толщина потока, zm - ордината максимума его скорости Цт, z0 - высота шероховатости, ^ = U(Zu), А^ = Ц, - ЦР, Apm = Ар^), Ара = Ар^о) -- Арт, z1 - нижняя граница струйной части потока [6], Ц = и^), Ит - ордината максимума скорости Цтк внутреннего придонного течения (затененная область). При определении толщины потока zu = = zm + Azm, величина Azm (толщина слоя смешения) находилась как удвоенная высота точки перегиба на профиле Ц(£) над уровнем zm максимума скорости Цт (рис. 1в,г). Более точно Azm оценивается по аппроксимации измеренного распределения и теоретическим по выражениям (3).
Приведенные на рис. 1а,б распределения и, С,, Т и СЛ1 на разрезе в озерной части Истринского водохранилища (18.07.2002, таблица) сформированы под влиянием плотностного потока с умеренной для равнинного водохранилища устойчивостью (№и)ха = 11. Профили и, С,, Т и СсШ (рис. 1а) измерены на расстоянии х = 8 км от начала разре-
(а)
2, М
4
2
0 2 и, см/с 7 9 С„ (в)
12
с5, мг/л
0 АРт Арт + Ар,
Н, м 0
(б)
сль мг/л
14 Т°С 260 270 мг/л
0
12 х, км
280
250
220
(г)
UF ишк и1
и„
Рис. 1. Распределения скорости плотностного течения и, концентраций взвеси Су, растворенных солей С^ц и температуры Т по высоте 2 над уровнем дна (а); концентрации С^ц по глубине и длине озерной части Истринского водохранилища на линии максимальных глубин (б); разности плотностей Ар 1 и скорости течения и 2, схематизированные для одноядерного потока (в), и скорости течения для двухъядерного потока (г).
5
0
за. Минерализация максимальна в придонном ядре потока при 2 < 1.7 м. Стратификация - доминирующая термическая. Расслоение по концентрации растворенных солей сглаживается по мере приближения течения к плотине. Влияние плот-ностного потока на распределение минерализации сводится к замедлению самоочищения вод, так как процессы перемешивания и снижения концентрации солей подавляются воздействием стратификации на обмен.
Высокой устойчивостью (К1и)ха = 19 отличается плотностное течение в Вазузском водохранилище (рис. 2) на разрезе от створа слияния рек Гжати и Яузы (27.07.2002). Доля минерализации в
величине разности плотностей Ар (параметр Тернера [18]) Кр < 0.25. Профили и, 5р (рис. 2а) получены на продольно-осевом разрезе при х = 14 км. До этого створа структура течения была двухъ-ядерной (рис. 1г) с параметрами = 4-6 м, ит = = и(2т) = 4-11 см/с, = 2.5-4 м при х < 11 км. С ростом х уровень 2т смещается вниз (из-за исчезновения придонного ядра и усиления ветра) до 1.5 м при х = 14 км. Придонное ядро высотой = 1-2 м образовано внутренним, так называемым "ползущим", потоком с максимальной скоростью итЬ до
3 см/с. Передний фронт при
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.