= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 556.54
ВОДО-, СОЛЕ- И ТЕПЛООБМЕН ЧЕРЕЗ КИНБУРНСКИЙ ПРОЛИВ ДНЕПРОВСКО-БУГСКОГО ЛИМАНА © 2014 г. Р. Я. Миньковская1, А. Н. Демидов2
1Морской гидрофизический институт НАНУкраины, Севастополь e-mail: rosamariya@mail.ru 2Морское отделение Украинского научно-исследовательского гидрометеорологического института, Севастополь e-mail: sev-oazis@mail.ru Поступила в редакцию 07.02.2013 г.
На основе многолетних наблюдений (с 1965 по 2011 гг.) изучена суточная, сезонная и годовая изменчивость расходов воды, солей и тепла в Кинбурнском проливе Днепровско-Бугского лимана. Предложен метод расчета и уточнены значения водо-, соле- и теплообмена через пролив для решения практических задач, связанных с рациональным использованием водных ресурсов этого устьевого региона.
DOI: 10.7868/S0030157414050116
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследования экологического состояния Черного моря имеют важное научное и практическое значение. Существенное влияние на состояние среды оказывает вынос рек бассейна Черного моря (336 км3), интегрирующих загрязняющие вещества с площади 1.9 млн. км2, в 50 раз превышающей площадь моря (422 тыс. км2). Второй (после р. Дунай) по размерам рекой бассейна моря является р. Днепр, которая протекает по территории России, Белоруссии и Украины и вместе с р. Южный Буг выносит в среднем за год в море: 45.3 км3 воды, 1 млн. т наносов, 1850 х 1015 Дж тепла, 16.5 млн. т минеральных, 186 тыс. т биогенных и 14.8 тыс. т загрязняющих веществ. Реки Днепр и Южный Буг впадают в Днепровско-Бугский лиман и образуют общее морское устье, со сложным устьевым взморьем, состоящим из двух взаимосвязанных частей: Днепровско-Бугского лимана и прилегающей северо-западной части Черного моря, на которую распространяется влияние стока рек. Обмен водой, веществами и энергией между этими частями осуществляется через Кин-бурнский пролив, расположенный между косами Кинбурнской и Очаковской (рис. 1), поэтому его оценка является важной практической и теоретической задачей, от правильного решения которой зависит достоверность балансовых оценок как морских устьев рек, так и Черного моря. Аналогичные проливы, через которые происходит обмен с морем, имеют устья рек Днестр (Цареград-ское гирло), Дон (Должанский пролив), Черная и др., поэтому представленная разработка может быть применима для расчета обмена между устье-
выми взморьями и прилегающими частями моря в других устьевых регионах [9].
Обменные процессы в Кинбурнском проливе, обусловливающие изменчивость гидрологических и гидрохимических характеристик устья, изучены недостаточно, поэтому расчет составляющих баланса воды, солей, тепла и веществ является проблематичным. Затрудняет решение сложность гидрологического режима в Кинбурнском проливе (разнонаправленность потоков), трудоемкость получения синхронных измерений скорости течения, солености, температуры и химического состава воды в его поперечном сечении, особенно в экстремальных погодных условиях, отсутствие надежных расчетных методов, позволяющих точно оценить водо-, соле- и теплообмен через пролив при различных, постоянно изменяющихся гидрометеорологических условиях (рис. 1).
Предшествующие исследования, посвященные обмену через Кинбурнский пролив, были ориентированы на оценку прямого (из лимана в море) и обратного (из моря в лиман) переноса воды и солей. Определение составляющих водообмена выполнено Копайгородским [5] и Журавлевой [3] на основе решения уравнений водного и солевого балансов. Слатинский [14, 15], Розен -гурт и Толмазин [12] для определения прямого и обратного потоков использовали данные эпизодических наблюдений за течениями в Кинбурн-ском проливе (с 1920 по 1970 гг.). При этом поток считался однонаправленным в течении 8 часов, скорость однонаправленного течения принималась как средняя арифметическая в сечении потока, водообмен рассчитывался по числу случаев с течениями прямого или обратного направления,
(а)
"ветер
10 %
315°
-10 -20
-10
20
Рис. 1. Многослойные течения в Кинбурнском проливе 14.10.2006 г. (а), преобладающие течения (б) и средние за период с 1976 по 2011 гг. изотахи (в).
W— скорость ветра; V — скорость течения; 315° — направление по нормали к сечению пролива; Qпp — площадь сечения пролива, занятая прямым потоком (изотахи положительные); Qобр — площадь сечения пролива, занятая обратным потоком (изотахи отрицательные).
с учетом ветровой составляющей водообмена [11]. В реальности, как показано в работах [4, 7, 8], в проливе преобладают разнонаправленные потоки, а смена преобладающего направления переноса обычно происходит дважды в сутки. По данным работы [10], течения в проливе и водообмен изменяют свое направление 3—5 раз в сутки, а в соответствии с работой [16] — 4 раза в сутки.
Для расчета годовых значений водообмена через пролив Костяницын [6] в уравнения баланса воды и солей предложил вводить величины изменения объема лимана и его средней солености от года к году. При этом пресная составляющая ба-
ланса, средняя соленость морской и лиманной воды, а также изменение солености лимана от года к году определялись по эмпирическим зависимостям. Несмотря на усложнение расчетов, Ко-стяницыным [6] получены результаты, близкие к результатам Слатинского [15].
Для расчета водообмена Большаков использовал соотношения Праудмэна [1], а Тимченко учитывал приливо-отливную и сгонно-нагонную составляющие уровня, по которым определялось расчетное положение уровня моря в районе пролива и в зависимости от него - расход воды через пролив [16].
Таблица 1. Годовой водообмен (км3) через Кинбурский пролив
Авторы Источник Период Прямой поток Обратный поток
Копайгородский Е.М. [5] 1892—1927 69.4 14.5
Слатинский Ю.Г. [14] 1920—1960 97.4 46.5
Слатинский Ю.Г. [15] 1956—1970 98.0 43.0
Костяницын М.Н. [6] 1945—1960 102.4 43.8
Розенгурт М.Ш. [11] 1958—1970 72.0 22.0
Большакова В.С. [1] 1948—1960 79.0 26.0
Журавлева Л.А. [3] 1955—1980 54.3 10.1
Тимченко В.М. [16] 1956—1986 86.3 40.7
Результаты, полученные разными авторами, существенно (в 1.5-3 раза) расходятся между собой (табл. 1), что, очевидно, обусловлено недостаточной точностью определения солености прямого и обратного потоков (при использовании совместного решения уравнений водного и солевого балансов) и недостаточностью данных о режиме течений в Кинбурнском проливе (при непосредственном расчете водообмена по расходам воды или повторяемости течений в проливе).
Накопленные данные многолетних наблюдений в Кинбурнском проливе за течениями, температурой и соленостью воды позволили получить новые значения составляющих водо-, солеи теплообмена через Кинбурнский пролив Дне-провско-Бугского лимана.
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ
В настоящей работе для исследования обменных процессов использовались данные специальных наблюдений, полученные Николаевским центром по гидрометеорологии, Морской гидрометеорологической станцией Очаков и Лабораторией устьев рек Севастопольского отделения Государственного океанографического института [8]. Измерения расходов в Кинбурнском проливе выполнялись, начиная с 1965 г., а в начале 90-х годов прошлого века они были активизированы под руководством Симова [10, 13]. Тогда же материалы были систематизированы: расходы воды, солей и тепла рассчитывались вручную, аналитическим и графическим методами, с помощью планиметрирования.
На основе многолетних наблюдений (с 1965 по 2011 гг.) подразделений Гидрометеослужбы Украины в Кинбурнском проливе (рис. 1) с помощью программ, разработанных Демидовым [8, 9], рассчитано 818 измеренных расходов воды и по 666 расходов солей и тепла через пролив. Для вычисления расходов поперечное сечение пролива (рис. 1) разбивалось по ширине (около 4 км) вертикалями через 45 м (93 вертикали) и горизонталями с шагом 1 м (от 0 на урезах до 22 горизонтов
на глубоководной станции 11г). Измерения направления и скорости течений, температуры и солености выполнялись на 6 вертикалях, на стандартных горизонтах (поверхность, 3, 5, 10, 15, 20 м и у дна). Направления течения проектировались на ось 315° - 135° (по нормали к сечению пролива). Течения, направленные из лимана в море, имели знак плюс, обратные течения — минус. Эпюры скорости, температуры и солености строились с помощью сплайн-интерполяции, значения снимались через 1 м. Интерполяция между вертикалями, на которых производились измерения параметров, выполнялась в узлы сетки, а в краевых точках - с учетом значений в трех ближайших узлах. Вычислялись элементарные расходы воды (как произведение скорости течения на площадь ячейки), а также солей и тепла (как произведение скорости течения на соленость или температуру воды соответственно, и площадь ячейки). Расходы прямого (с плюсом, 0пр) и обратного (с минусом, бобр) направлений получались путем суммирования элементарных расходов воды, солей и тепла в пределах соответствующих частей площади поперечного сечения пролива, разграниченных нулевой изотахой (рис. 1в). Результирующий перенос (брез) определялся как алгебраическая сумма прямого и обратного потоков.
Для исследования короткопериодной изменчивости обменных процессов получены статистические зависимости расхода воды прямого и обратного потоков через Кинбурнский пролив от интенсивности изменения уровня воды в вершине лимана (с. Касперовка) за период с 1975 по 2011 гг. (выбор расчетного периода обусловлен наличием ежечасных наблюдений уровня воды на водомерном посту в с. Касперовка только с 1975 г.). Они представлены на рис. 2 и выражаются уравнениями (1), (2), корреляционные отношения которых составляют 0.95 и 0.96 соответственно:
дпр = —9.3/ + 147/ — 736/ + 1246, (1) 0обр = 5.1/ + 120/2 + 531/ + 727. (2)
(а)
-8 -6 -/, см/ч
-8 -6 -/, см/ч
Qпр, м3/с 12000
4 < I I I
Qобр, м3/с 16000 Г
6 8 +/, см/ч
6 8 +/, см/ч
Рис. 2. Зависимость прямого (а) и обратного (б) расходов воды через Кинбурнский пролив ^пр, Qобр, м3/с) от средней за период измерения интенсивности изменения уровня воды в с. Касперовка (±/, см/ч) по данным наблюдений с 1975 по 2011 гг.
Здесь Qпр, Qобр — измеренные в Кинбурнском проливе расходы воды прямого и обратного направлений, м3/с; ±/ — средняя инт
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.