ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 551.482.6
УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ БОРА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ПЕРЕНОС ОСОЛОНЕННЫХ ВОД В УСТЬЯХ РЕК1
© 2013 г. Е. Н. Долгополова
Институт водных проблем РАН 119333 Москва, ул. Губкина, 3 E-mail: dolgopolova@gmail.com Поступила в редакцию 15.09.2011 г.
Представлен краткий обзор подходов к математическому описанию распространения бора вверх по течению устья реки. Приведены данные о некоторых устьях рек, где наблюдается бор, и рассматриваются условия его формирования. Существование бора определяется величиной прилива, стоком реки и профилем изменения глубин в эстуарии. Эти же факторы определяют дальность проникновения морских вод в устья рек, степень перемешивания морских и речных вод и особенности движения наносов в устьях рек. Рассмотрены типы циркуляции вод в устьях самых значительных рек, где наблюдается бор, исследовано его влияние на дальность интрузии морских вод в устья. Приведены результаты сравнения влияния выправления русла на условия существования бора и дальность проникновения осолоненных вод в эстуарии рек Сена (Франция) и Цяньтан (Китай).
Ключевые слова: устье, прилив, бор, смешение морских и речных вод, интрузия соленых вод.
Б01: 10.7868/80321059613010021
Приливный бор — это нагон воды, распространяющейся вверх по течению во время подъема приливного уровня воды, основной причиной которого является большая амплитуда прилива. Величина прилива может быть усилена местными факторами, в частности за счет резонанса, если период колебания уровня воды заливе или эстуарии близок к периоду прилива [20]. В этом случае возможно возникновение приливного бора спустя 2 дня после максимального прилива.
Бор, как правило, формируется во время сизигийного прилива при наибольшем изменении уровня воды. Малые глубины течений в устьях и воронкообразная форма эстуария увеличивают диапазон колебания уровня воды, особенно при низком речном стоке. Вода, поступающая в воронкообразное мелководное устье реки, быстро движется вверх по реке в виде крутой волны со скоростью до ~12 м/с. Фронт волны пересекает всю реку — иногда почти по прямой линии, иногда по кривой, вогнутость которой обращена к верховью реки. При быстром росте уровня воды нарушается непрерывность изменения глубин воды и возникает гидравлический прыжок. Волна
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 10-05-00061).
бора формируется после малой воды, причем при движении вверх по реке волны прилива в узких и мелких частях реки передняя часть волны становится очень крутой, часто возвышающейся над уровнем малой воды на 1—2 м. В расширенных и более глубоких частях русла бор может исчезнуть, а выше по течению в более узких и мелких местах — снова появиться. Над более мелкими участками реки над передней частью волны образуется пенистый гребень. За первой волной обычно следуют еще несколько волн меньшей высоты. После прохождения бора в одних реках уровень воды поднимается, но не достигает высоты гребня волны бора, в других реках повышение уровня идет непрерывно. При дальнейшем повышении уровня в данном месте бор прекращается незадолго до наступления полной воды. Расстояние, которое проходит волна бора вверх по реке, для разных рек изменяется от нескольких километров до ~70—80 км.
По оценкам разных авторов, во всем мире, исключая Антарктику, насчитывается более 400 эстуариев, подверженных влиянию бора [20, 22, 25]. Формирование бора зависит, в первую очередь, от амплитуды прилива, которая зависит от географического положения устья реки. Оно зависит также от формы устья реки. Боры наблюдаются в
19
2*
Таблица 1. Характеристики устьев рек, в которых наблюдаются приливные боры, расположенные в порядке убывания высоты волны бора кь: расход воды Q, соотношение объемов стока пресной Wи морской воды P, поступающей в эстуарий за время приливного цикла, величина прилива h, скорость изменения ширины эстуария dB/dl (верхнее и нижнее значения параметров — до и после русловыправительных работ, прочерк — отсутствие данных или явления)
Название реки или эстуария, страна Q, м3/с W/Pt h, м hb м dB/dl Frb
Цяньтан, Китай 1000 0.01 0. 022 8.9 4.0 0 .23 ~0. 1 2.5
Рукав Амазонки, Бразилия 1.72 х 105 - 6 3.5 - 1.03
Рукав Хугли, Индия 1.4-3.5 х 103 0.04 4.9 1-3 0.18 1.01
Северный рук. Янцзы, Китай 366.6 0.01 3.3 ~1.5 0.16 1.21
Северн, Великобритания 107 0.001 15.0 1.5 0.24 1.04
Жиронда: Гаронна и Дордонь, Франция 9 41 8 1 0 0.01 6.0 1.5 0.13 1 . 04 2.3
Мерси, Великобритания 56.0 0.001 8.4 <1 0.29 1.01
Сена*, Франция 430 0. 024 0.08 7.5 - 0 . 54 0 . 38 -
Мезень** 780 0.03 7.8 - 0.2 0.5
* На р. Сене бор перестал возникать после выправления русла. ** На р. Мезень бор не наблюдается, несмотря на большую величину прилива.
устьевых областях эстуарного и эстуарно-дельто-вого типов по классификации устьев рек, предложенной в [9]. Большинство авторов упоминают боры, формирующиеся в устьях крупных рек мира, основные из них — эстуарии рек Сена и Жиронда (Франция), Северн и Мерси (Великобритания), Цяньтан (зал. Гуанджоу, Китай), Стикс и Дейли (Австралия), Батанг Лупар (Малайзия), рук. Хугли р. Ганг (Индия), отдельные рукава с эс-туарными расширениями р. Амазонки (Бразилия), заливы Кук Инлет (Аляска) и Фанди (США) [37]. В табл. 1 приведены некоторые характеристики перечисленных устьев рек и боров, которые расположены в порядке убывания высоты волны бора.
Исследователи расходятся в оценке величины прилива, при которой начинает формироваться бор; так, в работе [13] указывается минимальная величина 6 м, а в [20] отмечается, что волна бора существует и в устьях с меньшими величинами прилива — 4 м.
В данном исследовании приводятся основные подходы к математическому описанию распространения волны бора в устье реки и рассматриваются условия его формирования. Исследуется роль соотношения расхода воды реки, величины прилива и формы устья в возникновении волны бора, а также влияние этой волны на интрузию морских вод в устье. Приводятся результаты современных исследований распространения вол-
ны бора в устья ряда крупных рек, и рассматривается влияние русловыправительных работ на условия возникновения бора.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЯВЛЕНИЯ
Приливно-отливные колебания поверхности океана, вызывающие изменения отметки уровня в устьевом створе, приводят к неустановившимся течениям в устьях рек. Когда уровень воды в море поднимается во время прилива, приливная волна становится все круче до тех пор, пока не образует резкий фронт — приливный бор. После его формирования в месте фронта возникает резкое увеличение глубины, и поток воды можно описывать с помощью перемещающегося гидравлического прыжка [38].
В гидравлике развит метод описания волнового движения воды (часто возникающего в результате маневрирования гидротехническими затворами плотин, работы гидростанций по разным графикам регулирования, аварийных сбросов воды, колебания стока воды за счет паводков и т.д.), основанный на решении системы двух уравнений: одномерного дифференциального уравнения движения (уравнение динамического равновесия Сен-Венана) и уравнения неразрывности неустановившегося течения в открытом русле [14, 15]. При волновом движении расход воды О и площадь поперечного сечения потока А являются функциями времени ? и расстояния х (ось х на-
правлена вдоль эстуария). При достаточной величине прилива створ возмущения является источником волны или ряда волн, переносящих значительные массы воды (так называемых волн перемещения), в отличие от ветровых волн, характерными особенностями которых являются колебательное движение частиц воды в вертикальной плоскости относительно первоначального положения и небольшая способность переносить массу воды. При резком увеличении уровня воды в створе возмущения во время прилива возникает обратная положительная волна, которая распространяется вверх по течению реки, вызывая увеличение А выше створа возмущения и уменьшение скорости движения волны и как во времени, так и по длине потока. Резкое снижение отметки уровня воды во время отлива приводит к образованию обратной отрицательной волны, переносящей уменьшение уровня в открытом русле вверх по течению реки. Обратная положительная волна характеризуется крутым передним фронтом, а отрицательная — пологим, все более распластывающимся по мере ее движения. Волновое движение воды в приливных устьях рек, в том числе приливный бор, как правило, является суммой положительной и отрицательной обратных волн [14]. Одна из первых попыток математически описать движение волны бора в р. Сене была сделана Сен-Венаном [20].
Движение волны бора можно представить как квазистационарный гидравлический прыжок, движущийся вверх по течению со скоростью V (рис. 1). Интегральная форма уравнений сохранения массы и момента количества движения дает ряд соотношений для изменения характеристик потока в момент прохождения фронта бора:
V
Река
(и1 + V) йх = (и 2 + V) йъ
(1)
2Р^22 - = р(и1 + Г)^ ( + V) - р2(и2 + V)) )2)
где и — средняя по сечению скорость потока, направленная положительно вниз по течению к устью реки, d — глубина воды, g — ускорение свободного падения, в — коэффициент количества движения Буссинеска. Индексы 1 и 2 относятся к начальным и новым, изменяющимся за счет прохождения бора, условиям потока (рис. 1). При записи уравнений (1) и (2) использовано предположение о справедливости гидростатического распределения давления перед фронтом бора и за ним, потери на трение считаются пренебрежимо малыми, дно реки на коротком участке формирования бора предполагается горизонтальным. Решение уравнений (1) и (2) приводит к зависимости отношения сопряженных глубин от числа Фруда ^гь) для приливного бора [15, 20]:
Рис. 1. Схема взаимодействия волны бора с речным течением.
й1
Л
+ ш; -1
где Рг _ и1 + V где _ , .
(3)
(4)
Для бора всегда Frb > 1, а выражение ^гь — 1) — мера величины бора. При Frb < 1 приливная волна не может стать бором.
Результаты измерений характеристик потока при прохождении бора в природном эстуарии и в лабораторных лотках подтверждают внезапные изменения полей скорости и давления, характерные для гидравлического пр
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.