УДК 556.42.(282.247.36+262.54)
О влиянии стока р. Дон на уровень воды в Таганрогском залив
Ю. Г. Филиппов*
Рассматриваются вопросы влияния стока р. Дон на уровень воды в восточной части Таганрогского залива, а также вопросы определения реальной глубины в этой части моря. Исследуются случаи отсутствия ветра, ветра западного и восточного направлений. Полученные данные позволяют уточнять прогноз уровня моря в восточной части Таганрогского залива.
Ключевые слова: Азовское море, Таганрогский залив, Дон, уровень воды.
Введение
Вытянутая форма Таганрогского залива, его мелководность, связь с Азовским морем и стоком р. Дон определяют особенности изменения его уровня. Так, размах колебаний уровня в Таганроге достигает 5,5 м [1]. Это создает трудности для судоходства и жизнедеятельности в регионе. Морские суда с грузом зачастую не могут войти или покинуть Таганрог и порты в устье Дона из-за понижения уровня воды. Повышение уровня воды может принимать характер стихийных бедствий. Примером явился нагон 23 марта 2013 г., когда подъем воды в Таганроге составил более 2 м. В связи с этим прогноз уровня воды в Таганрогском заливе является важной проблемой.
В данной статье рассматривается один из аспектов этой проблемы — влияние на уровень воды в Таганрогском заливе величины стока р. Дон. Согласно данным работы [2], для р. Дон характерно значительное изменение расхода воды — от 200 до 2000 м1с. Образование Цимлянского водохранилища в 1952 г. несколько сгладило эти колебания, уменьшив сток в период половодья и увеличив его в период межени (таблица). Можно отметить две стороны влияния стока на уровень воды в заливе. Очевидно, подъем уровня воды, обусловленный стоком Дона, еще более увеличивается из-за ветрового нагона, а при сгоне уменьшает понижение уровня. Кроме того, стоковые течения уменьшают скорость дрейфовых нагонных потоков с запада и приводят к уменьшению нагона и, наоборот, увеличивают скорость потока при восточном и северо-восточном направлениях ветра. Составить общую картину этих процессов по результатам наблюдений достаточно сложно.
* Государственный океанографический институт им. Н. Н. Зубова; e-mail: ugfil@mail.ru.
Внутригодовое распределение расхода воды (2) р. Дон вблизи станицы Раздорская [2]
Месяц Расход воды, мЧс
1944—1951 гг. 1952—2006 гг.
I 250 606
II 380 629
III 1003 783
IV 2268 964
V 2839 923
VI 662 692
VII 332 605
VIII 261 589
IX 231 603
X 233 623
XI 273 629
XII 226 638
Среднее за год 750 690
Метод решения и исходные данные
Для оценки влияния стока р. Дон на уровень воды в Таганрогском заливе были выполнены расчеты, традиционно основанные на решении системы уравнений для длинных волн в однородной несжимаемой жидкости в поле силы Кориолиса:
дЛ - /у=-(Н + ^ + т; -тЬ,
дt дх х х
ду дС № ь
— + /и = -(Н + Ск-^ + Т , - Т ь, дt ду
дС ди д\ „ — + — + — = 0, дt дх ду
где С — отклонение уровня от невозмущенного состояния, обусловленного действием двух факторов: стоком реки и воздействием ветра; / — параметр Кориолиса; ть и т— параметры, описывающие трение о дно моря и
ветровое трение соответственно; Н— глубина места. На твердом контуре моря принималось условие
ип\ = 0,
я| г
где и, V — составляющие полного потока и = (и, V), полученные в результате интегрирования составляющих скорости течения от поверхности до дна; Г — граница области расчета; п — нормаль к этой границе. Параметры, описывающие трение о дно, определялись, как правило, пропорционально квадрату скорости полного потока с постоянным коэффициентом, равным 2,6 • 10-3. Известно, что сила трения ветра о свободную поверхность моря зависит от стратификации атмосферы. Последняя, как правило, принималась наиболее вероятной — равновесной или слабо неустойчивой [3].
Для конечно-разностной аппроксимации использовалась полуразнесенная расчетная сетка: в ее узлах задаются глубина моря и расчетные значения уровня воды, а в центрах ячеек — величины потоков (сетка "В" по классификации Аракавы). Такая сетка удобна для определения как переменной глубины моря, так и изменчивости вектора скорости течения. Нелинейная система дифференциальных уравнений мелкой воды решалась посредством явно-неявной аппроксимации и схемы расщепления, близкой к квазилинейной схеме [4] с одним дробным шагом по времени.
Поскольку гидрология Таганрогского залива напрямую связана с гид-роло ги ей Азовского моря, расчетная область охваты вала Азовское море, Керченский пролив и прилегающий шельфовый район Черного моря. Южная граница расчетной области находилась в Черном море в районе изобаты 100 м. На этой границе ставилось условие свободного протекания.
Первоначально глубина в Таганрогском заливе и Азовском море определялась по навигационной карте выпуска 1951 г. Промеры глубин при составлении этой карты проводились в теплое, наиболее спокойное время года. При этом пространственное распределение уровня воды, обусловленное величиной стока р. Дон и возможными ветровыми колебаниями, отдельно не выделялось и принималось за общую глубину моря. Поэтому для решения поставленной задачи необходимо было выделить реальную глубину моря и ее переменную часть, обусловленную стоком Дона, пренебрегая возможным ветровым влиянием.
Для этой цели в описанной выше гидродинамической модели в районе впадения р. Дон в Таганрогский залив задавался сток воды, равный средней величине расхода реки в теплое время (май — сентябрь) в конце 1940-х годов. Согласно данным таблицы, средний расход Дона в это время составлял около 800 м1с. Расчет поля глубин был выполнен путем решения приведенной системы уравнений с применением итераций. Исходная глубина моря задавалась по данным измерений, указанным в навигационной карте, и на каждом расчетном шаге корректировалась на величину изменения уровня воды в зависимости от стока реки. Расчет был завершен, когда разность глубин между итерациями во всех точках не превышала 0,01 см.
Результаты расчетов
Превышение уровня воды в восточной части Таганрогского залива, полу чен ное в результате расче тов с при ня той ве ли чи ной сто ка р. Дон, по ка-зано на рис. 1. Максимальная величина повышения уровня воды в заливе составила 37 см.
Расчетные значения глубины отличаются от представленных на навигационной карте в основном только в устьевой области Дона. Сумма величины повышения уровня воды в Таганрогском заливе (рис. 1) и расчетные значения глубины совпадают с указанными на навигационной карте. Дальнейшая оценка влияния стока Дона на уровень воды в Таганрогском заливе в зависимости от величины расхода воды и силы ветра выполнялась по уточненной карте глубин. Графики изменения уровня воды в Таганрогском заливе во времени от начала действия стока Дона при различных расходах воды и в отсутствие ветра показаны на рис. 2 и 3. Видно, что изменение уровня воды в устье Дона в зависимости от изменения стока реки может достигать 80 см,
Рис. 1. Повышение уровня воды в Таганрогском заливе (см), обусловленное стоком р. Дон при расходе воды 800 м3/с.
Рис. 2. Изменение уровня воды в Таганроге (а) и в устье р. Дон (б). Расход воды, м3/с: 1 — 400; 2 — 800; 3 — 1200; 4 — 1600; 5 — 2000.
Рис. 3. Зависимость уровня воды в Таганроге (а) и в устье р. Дон (б) от расхода воды в течение суток.
1 — при западном ветре скоростью 10 м/с; 2 — в отсутствие ветра; 3 — при восточном ветре скоростью 10 м/с. Рисунок а: 1)у = х + 76;2) у= 1,18х + 0,4;3)у = 2,6727х-64,2;рисунок б: 1)у =4,3879х + 97,667; 2) у = 6,3697х + 2,6667; 3) у = 8,297х - 62,533.
в то время как в Таганроге ограничивается 16—17 см. Время установления уровня при постоянном стоке реки изменяется от 1 сут при малом расходе воды (200 м3/с) до 3—5 сут при больших расходах воды. На рис. 3 показана величина подъема уровня воды в заливе при разных значениях стока р. Дон как в отсутствие ветра, так и при ветре основных направлений — западном и восточном. Изменение уровня воды в отсутствие ветра и при ветре скоростью 10 м/с при разных расходах реки для удобства сравнения рассчитывали при заданном времени — сутки, что обусловлено средним временем действия ветра скоростью 10 м/с и изменчивостью стока Дона. Для возможности использования расчетов в практических целях начальное положение уровня моря принято соответствующим современному среднегодовому стоку реки, равному 690 м/с (таблица). На приведенных в подписи к рис. 3 уравнениях у обозначает превышение уровня моря. Коэффициент при координате х в правой части уравнений указывает на величину изменения уровня воды в море в сантиметрах при изменении расхода реки в течение суток на каждые 200 м3/с.
Как следует из рис. 2, 3, изменение уровня воды на взморье Дона при изменении стока в реке происходит практически линейно как при нагонном, так и при сгонном ветре. При этом повышение уровня воды с увели-че ни ем ее расхода на 200 м3/с за сут ки со став ляет в Та ган ро ге при мер но
1 см ив безветренную погоду, и при нагонном ветре скоростью 10 м/с (1,2 см). В устье Дона такое повышение уровня воды в отсутствие ветра составляет 6,4 см. При нагонном ветре, несмотря на большую абсолютную величину подъема уровня воды, его приращение в зависимости от уве ли че ния расхода реки на 200 м3/с за сут ки со став ляет 4,4 см, т. е. с увеличением уровня воды в результате нагона влияние изменения стока реки уменьшается. При сгонном восточном ветре изменение расхода воды на 200 м/с за сутки приводит к соответствующему изменению уровня воды в Таганроге на 2,7 см, а в устье Дона — на 8,3 см, т. е., наоборот, с уменьшением глубины моря при сгоне влияние изменения стока р. Дон увеличи-ва ет ся.
Полученные данные позволяют уточнять прогноз уровня воды в устьевой области Дона на сутки, если известен расход воды у станицы Раздор-ская в текущий день. Это объясняется тем, что волна уровня, измеренная у станицы Раздорская, проходит расстояние до устья (около 150 км) в среднем за сутки.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 13-05-00935-а).
Литература
1. Гидрометеорологический справочник Азовского моря. — Л., Гидрометеоиздат, 1962, 855 с.
2. Полонский В. Ф., Остроумова Л. П. Закономерност
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.