научная статья по теме ПРОЦЕССЫ ПРОНИКНОВЕНИЯ МОРСКИХ ВОД В УСТЬЯ РЕК Геология

Текст научной статьи на тему «ПРОЦЕССЫ ПРОНИКНОВЕНИЯ МОРСКИХ ВОД В УСТЬЯ РЕК»

ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2013, том 40, № 5, с. 439-455

ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ^^^^^^^^^^^^ ПРОЦЕССЫ

УДК 556.54

ПРОЦЕССЫ ПРОНИКНОВЕНИЯ МОРСКИХ ВОД В УСТЬЯ РЕК1

© 2013 г. М. В. Михайлова

Институт водных проблем РАН

119333 Москва, ул. Губкина, 3 E-mail: mv.mikhailova@gmail.com Поступила в редакцию 27.08.2012 г.

Рассмотрены типы, факторы и экологические и экономические последствия опасного гидрологического явления — проникновения морских соленых или солоноватых вод в устья рек. Описаны основные теоретические и эмпирические подходы при изучении этого явления. Обобщен опыт его изучения в России и других странах. В качестве примеров рассмотрены процессы проникновения морских вод в устья рек разных типов по величине приливов.

Ключевые слова: устье реки, дельта, эстуарий, море, интрузия морских вод, прилив

DOI: 10.7868/S0321059613050052

Для устьев рек, где взаимодействуют две разнородные водные экосистемы — речная (пресноводная) и морская (с соленой или солоноватой водой), характерно особое гидрологическое явление — проникновение (интрузия) морских вод.

Известно, что такое явление оказывает крайне неблагоприятное влияние как на экологические условия устьевых объектов, так и на хозяйство этих районов. Проникновение в устья рек морских вод приводит к осолонению поверхностных и подземных вод, а также почв, воздействует на пресноводную биоту, нарушая условия существования растительного покрова и животных, не приспособленных к соленой или солоноватой воде. Проникновение морских вод в водотоки и водоемы в устьях рек нередко приводит к попаданию осолоненных вод в водозаборы, что может нарушить работу тепловых электростанций, промышленных предприятий, коммунальных служб (включая обеспечение населения питьевой водой). Клин осолоненных вод в придонном слое в устье реки может стать препятствием для перемещения наносов, что неизбежно приводит к заилению судоходных каналов, портовых бассейнов и доков, к накоплению в донных отложениях загрязняющих веществ.

Для предотвращения негативного воздействия проникновения морских вод в устья рек применяются различные технические меры, например

1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 10-05-00061).

полное перекрытие некоторых рукавов (как в дельте Нила), строительство специальных защитных сооружений (как в дельте Рейна и Мааса), создание водохранилищ с пресной водой, попуски которой используются для борьбы с осолонением (как в низовьях р. Сан-Хоакин в Калифорнии) и др.

Во второй половине ХХ в. негативное воздействие проникновения морских вод в устья рек на растущее население и экономику устьевых районов и находящихся здесь крупных промышленных и портовых центров заметно усилилось под влиянием как естественных, так и антропогенных факторов.

В современных условиях устья рек (дельты, эстуарии, лагуны, лиманы) становятся одними из самых уязвимых географических объектов на Земле: воздействие и наводнений, и морского волнения, и проникновения морских вод делается все сильнее и опаснее. Борьба с этими негативными явлениями становится одной из приоритетных гидротехнических, мелиоративных и природоохранных задач для устьевых районов. Их решение сдерживается недостаточной изученностью устьевых процессов вообще и процессов проникновения морских вод в устья рек в частности. К сожалению, посвященных этой проблеме работ в отечественной научной литературе мало. Ощущается и недостаток данных натурных наблюдений за этим явлением. В последние десятилетия в зарубежной научной литературе (в основном американской, английской и голландской)

было опубликовано большое количество работ, посвященных рассматриваемой проблеме. Поэтому обзор современного ее состояния становится очень актуальным.

В настоящей статье автор ставит задачу предоставить такой обзор и рассмотреть основные теоретические и эмпирические подходы при изучении опасного гидрологического явления — проникновения морских вод в устья рек, охарактеризовать естественные и антропогенные факторы, влияющие на эти процессы, дать типизацию процессов проникновения морских вод в устья рек. На примере конкретных устьев рек с разным типом проникновения морских вод будут проиллюстрированы теоретические и эмпирические подходы к исследованию этих процессов. В качестве примеров автором выбраны речные устья, по которым им лично обработаны данные наблюдений и проанализированы процессы проникновения морских вод [8—13]. В статье применен гидролого-географический подход к рассматриваемым процессам, позволяющий оценить особенности их проявления в разных условиях речного и морского гидрологического режима. Для рассмотрения некоторых аспектов строгих гидродинамических подходов к описанию рассматриваемого явления (в основном в условиях канала) можно обратиться к работам [1, 3, 22, 23, 36, 39].

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭМПИРИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ИССЛЕДОВАНИЮ ПРОНИКНОВЕНИЯ МОРСКИХ ВОД В УСТЬЯ РЕК

Первые исследования процессов проникновения морских вод в устья рек проводились в эстуариях рек США, Англии и Нидерландов в 1950— 1960-х гг. и преследовали цель изучить процессы смешения речных и морских вод в районах крупных городов и портов (Нью-Йорка, Балтимора, Вашингтона, Лондона, Амстердама, Роттердама и др.) в связи с разработкой мер борьбы с загрязнением водных объектов и заилением судоходных каналов. В России подобные исследования были начаты значительно позже.

Полученные результаты упомянутых исследований можно разделить на две части: типизация процессов перемешивания и стратификации вод в устьях рек; расчет дальности проникновения морских вод в устья рек.

Типизация процессов вертикального перемешивания речных и морских вод. В работах Д. Прит-чарда [31—33], Б. Кетчама [27], Ч. Оффисера [29, 30], К. Дайера [18, 19], Д. Хансена и М. Раттри [23], М. Тэтчера и Д. Харлемана [1, 39] рассмотре-

ны типы вертикального перемешивания и стратификации вод в устьях рек в зоне проникновения (интрузии) в них морских вод и способы их определения.

Начиная с работ Д. Притчарда [31—33], выполненных в 1950-1960-х гг. в США, в зоне смешения речных и морских вод (в русле реки, рукаве дельты, эстуарии, лагуне, на устьевом взморье) выделяют три типа вертикального перемешивания и стратификации вод: I — полное (хорошее) перемешивание и слабая стратификация; II — частичное (умеренное) перемешивание и умеренная стратификация; III — слабое перемешивание и сильная стратификация, клин осолоненных вод. Соответственно этим типам вертикального перемешивания и стратификации вод изменяются и условия проникновения морских вод в устья рек.

Для формального выделения этих типов используют два параметра: параметр стратификации n и приливный параметр а.

Параметр стратификации n стал широко использоваться после публикации работ [23, 29]. Этот параметр представляют в виде

n =

AS

S — S

дно п

(^дно + ^Лов)

(1)

где А^ — вертикальный градиент солености воды, ^ср — средняя по глубине соленость воды, ^дно и ^пов — соленость воды у дна и на поверхности соответственно. При п < 0.1 отмечается сильное перемешивание и слабая стратификация, при п от 0.1 до 1.0 — частичное перемешивание и умеренная стратификация, при п от 1.0 до 2.0 (величина п не может быть больше 2) — клин осолоненных вод и сильная стратификация (табл. 1).

Приливный параметр а характеризует соотношение между речным и морским воздействиями на режим устья реки. Этот параметр в литературе именуют либо числом Кантера-Кремерса [19, 22, 34], либо параметром Симмонса [22, 29, 37]. Приливный параметр равен

а =

W

0срТ

(2)

где Ж — объем стока воды реки за приливный цикл, равный произведению среднего расхода воды на период прилива т; Р, — объем приливной призмы. Величину Р, обычно определяют по простой формуле: Р, = АНпр/у, где АНпр — средняя величина прилива в пределах устьевого объекта, площадь которого равна Шу. Устьевым объектом может быть эстуарий, лагуна, эстуарное расширение рукава дельты.

ср

Таблица 1. Количественные критерии различных типов вертикального перемешивания, стратификации и проникновения осолоненных вод в устья рек, по [22] с сокращениями и добавлениями

Тип проникновения осолоненных вод Характер вертикального перемешивания Характер стратификации n а Fr 1 V E E Р Riz

I Полное (хорошее) Слабая 0-0.1 0-0.1 >0.71 >0.2 >8.0 <2

II Частичное (умеренное) Умеренная 0.1-1.0 0.1-1.0 0.71-0.22 0.2-5 х 10-3 8.0-0.2 2-20

III Слабое Сильная (клин осолоненных вод) 1.0-2.0 >1.0 <0.22 <5 х 10-3 <0.2 >20

Установлено [22, 29], что при а < 0.1 в режиме устьевого объекта преобладает морское воздействие и происходит полное перемешивание вод по глубине, при а от 0.1 до 1.0 для объекта характерно умеренное перемешивание вод, при а > 1.0 в устье формируется клин осолоненных вод (табл. 1).

Кроме того, для определения типа вертикального перемешивания и характера стратификации вод в устье водотока применяют так называемые стратификационно-циркуляционные диаграммы Хансена—Раттри [23, 29] и многочисленные гидрофизические критерии, обзор которых приведен в [4, 22].

К таким критериям относится прежде всего плотностное число Фруда (densimetric Froude number), широко применяемое в гидромеханике стратифицированных потоков:

Frp = V/^gh,

(3)

ycp

где V — средняя скорость течения речного потока, Ар — разность плотностей морской рм и речной рр воды, рср = 0.5 (рм + рр), h — глубина потока. Плотностное число Фруда при анализе процессов проникновения соленых вод в водные потоки Кейле-ган, Шийф и Шонфельд, Тэтчер, Харлеман, Дай-ер [1, 18, 22, 36, 39] и др. стали применять еще в 1950-1970-е гг.

Другими критериями служат: эстуарное число (estuary number), предложенное Д. Харлеманом и Дж. Абрахамом в 1966 г.: Е = Fr2/a, где Fr — обычное

число Фруда, Fr = V0/\Tgh (здесь V0 — осреднен-ная по сечению в устьевом створе максимальная скорость течения в приливную фазу), а — уже упомянутый приливный параметр; внутреннее эстуарное число (internal estuary number), предложенное М. Тэтчером и Д. Харлеманом

Fr2 E

[39]: Ep =—р=-; эстуарное число Ричардсо-

а Ap/pcp

на (Richardson's estuary number) Ri E, предложенное Х. Фишером в 1972 г.; слоевое число Ричардсона (layer Richa

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