Основные проблемы Курортного района Санкт-Петербурга
Оглавление
Введение
. Объекты под защитой Юнеско
.1 Юнтоловский Заказник
.2 Сестрорецкий разлив
.3 Парк Дубки
.4 Комаровский берег
. Объекты, формирующие загрязнение Курортного района
.1 Сестрорецк
.2 Невская губа
.3 Комплекс защитных сооружений
. Наиболее актуальные проблемы Курортного района
.1 Мутность
.2 Эрозия берега
. Моделирование
.1 Описание модели
.2 Постановка задачи модели
.3 Блок расчета характеристик турбулентности
.4 Моделирование циркуляции вод
.5 Исходные данные
.6 Полученные результаты
Заключение
Список источников
Введение
Курортный район является пригородным районом Санкт-Петербурга. На
территории района находятся города Сестрорецк и Зеленогорск, а также поселки
Горская, Песочный, Солнечное, Репино, Комарово, Ушково.
Курортный район Санкт-Петербурга расположен в северо-западной части
Санкт-Петербурга, вдоль побережья Финского залива полосой средней ширины 6-8 км
и длиной 45 км. Площадь территории района составляет 28,2 тыс. га.
На территории Курорта находиться целый ряд объектов находящихся под
защитой Юнеско. Помимо этого здесь так же находятся дома отдыха, пансионаты и
лечебницы. Курортный район является основным рекреационным ресурсом
Ленинградской области.
Так как рассматриваемый район вытянут вдоль берега, логично предположить,
что основной вклад в его состояние будет вноситься Финским заливом, на берегу
которого он расположен. Зная уровень загрязненности воды в заливе, состояние и
динамику береговой линии можно делать выводы о положении дел в районе.
Следовательно, динамика течений является основным природным фактором,
формирующим состояние рассматриваемой области. Более тщательное изучение
процесса циркуляции вод и построение адекватной модели, для конкретного района,
будет крайне полезна при прогнозировании состояния и расчете инженерных
сооружений.
Цель данной работы обозначить основные проблемы Курортного района, а так
же адоптировать математическую модель, разработанную Пнюшковым Андреем
Васильевичем для пролива Бьеркезунд, оценить возможность применения данной
модели при математическом моделировании течений в исследуемом районе.
1. Объекты под защитой Юнеско
.1 Юнтоловский заказник
Территория Государственного природного комплексного заказника
регионального значения "Юнтоловский" расположена в пределах плоской
низины Финского залива с абсолютными отметками высот от 0 до 9 м н.у.м., и
отграничена на севере естественным рубежом-выступом литориновой террасы
(Коломяжный уступ). Заказник граничит с зонами интенсивных селитебных и
ресурсо-пользовательских нагрузок, по границам городской застройки Санкт-
Петербурга. Ландшафтная структура территории включает в себя
природно-территориальные комплексы полностью характеризующие прибрежные,
переувлажненные экосистемы.
Территория заказника охватывает сопряженный в пространстве ряд урочищ:
озерно-лагунный водоем (Лахтинский разлив), имеющий водообмен с Финским
заливом, пространственные ряды болотных комплексов --Лахтинское болото
(верховые, низинные, пойменные низинные болота), прирусловые и прибрежные
мелколиственные типы леса, переувлажненные сосняки, полуводные типы
растительности. Природные системы заказника в значительной степени изменены
антропогенной деятельностью, но обладают относительной устойчивостью и
потенциалом самовосстановления при соблюдении заказно-заповедного режима и
проведения восстановительных гидроэкологических мероприятий.
Озеро Лахтинский разлив- основной ландшафтообразующий комплекс заказника
и водно-болотной системы Лахтинской низины. Последний представляет собой
лагунообразный водоем, неправильной трапециевидной формы, глубоко вдающийся в
материковую территорию. Озеро имеет статус эфтрофного. Площадь водного зеркала-
176 га. Средняя глубина 4.3 м, максимальная 8,3 м. Котловина Лахтинского
разлива вытянута с северо-запада на юго-восток, естественные берега с малыми
высотами, повсеместно заболоченные. Дно озера чрезвычайно мозаично и нарушено
углублениями и поднятиями (колебаниям от 0.5 м до 5 м). Северная часть озера
более мелководна, центральная - приглубая (6 м - 8 м).
Гидрографическая сеть представлена реками Каменка, Черная и Глухарка,
которые впадают в Лахтинский разлив. Естественный гидрологический режим сильно
изменен системой дренажных каналов и канав. Русла большинства рек спрямлены
(Юнтоловка, Черная), р. Юнтоловки в настоящее время не имеет естественного
русла и представляет собой залив Лахтинского разлива. В западной части вблизи
границ заказника ранее существовала система осушения и поля добычи торфа. Вдоль
западных и восточных границ заказника распложены зоны искусственного
происхождения (террасы намывного грунта). На территории лесопокрытой площади
имеется многочисленные, заиленные мелиоративные каналы, которые в настоящее
время не дренируют территорию.
Заказник
располагается <#"664782.files/image001.jpg">
- взвешенные вещества, 2 - облака, 3 - относительно чистая вода.
Рисунок 3.1 Загрязнение акватории Невской губы и восточной части Финского
залива взвешенными веществами по данным ИСЗ 19 августа 2006 г.
Рисунок 3.2 Загрязнение акватории Невской губы и восточной части Финского
залива взвешенными веществами по данным ИСЗ 01 июля 2007 г.
3.2 Эрозия берега
Основные черты морфоструктуры береговой зоны Курортного района
предопределены сетью разрывных нарушений, разбивающих фундамент и чехол на
блоки, и характером вертикальных неотектонических движений этих блоков.
Почти вся береговая линия Курортного района, образующая большую вогнутую
дугу, приурочена к району восходящих неотектонических движений. Эти
дифференцированные движения блоков и создают резкие изгибы береговой линии
Курортного района, приуроченные к границам блоков и к ограничивающим их
разломам, которые выявлены здесь в процессе геолого-геофизических исследований.
Существующая сеть разломов была дополнена сетью линеаментов, отдешифрированных
нами по космическим снимкам.
Таким образом, движения крупных блоков земной коры, слагающих побережья
Финского залива разнонаправлены и на отдельных участках они могут совпадать с
повышающимся уровнем Мирового океана, на других быть прямо противоположными.
Поэтому единой картины изменения положения береговой линии не может быть даже
на отдельных участках одного и того же побережья, не говоря уж о северном и
южном побережьях, имеющих, в целом, противоположные направления изостатических
движений.
Мыс Песчаный является точкой резкого изменения направления берега. В
соответствии с этим, в районе мыса должен наблюдаться размыв, а после мыса -
резкое падение наносодвижущей силы ВПН и аккумуляция. Ретроспективный анализ
АФС 1959 и 1990гг. это подтверждает. Мыс Песчаный и прилегающие к нему участки
находятся в состоянии размыва, а в вершине вогнутого участка берега наблюдается
довольно значительная зона аккумуляции (выдвижение береговой линии на 20-40 м).
Необходимо учесть, что в этом месте находится устье р. Приветной, так что
вдольбереговой поток наносов (ВПН) за счет этого должен получать здесь
дополнительную подпитку. В результате сложения этих двух факторов (выносы реки
и аккумуляции в зоне ослабления движущей силы ВПН) на подводном склоне и берегу
образуется довольно обширная зона аккумуляции, которая прекрасно фиксируется на
АФС в виде расширенного пляжа и широкой подводной песчаной террасы с множеством
валов. Интересно, что картина строения этого участка практически идентична на
АФС 1959 г. и 1990 г. (рисунок 3.3). Компьютерное совмещение двух этих фотосхем
показало практически полное их совпадение. Это согласуется с известным фактом
стабильности положения подводных песчаных валов (ППВ). По схеме дешифрирования
прекрасно видно, что подводная песчаная терраса наиболее широка в вершине
вогнутого участка, берега далее она сужается и у мыса Лаутаранта становится
совсем узкой.
Рисунок 3.3 Подводные песчаные валы в районе устья реки Приветная по
данным АФС 1959 (вверху) и 1990 гг. (внизу)
Здесь сужение пляжа, песчано-валунная осушка, масса валунов, уменьшение
количества и размеров валов, т.е. все признаки размывающегося участка.
За мысом Лаутаранта, в вершине вогнутого участка берега в устье р. Черной
снова резкое увеличение ширины подводной песчаной террасы и большое количество
валов. Здесь новый участок аккумуляции, протягивающийся до п. Ушково.
В заключение отметим одну интересную деталь. Подводные песчаные валы
обычно протягиваются вдоль берега в виде более или менее протяженных линий. Во
многих местах под влиянием стоковых и разрывных противотечений эти линии
разрываются, образуются хаотичные короткие валы, часто изогнутые, иногда даже
округло-изометричные. Но везде это одна одновозрастная генерация валов.
На описанном участке по снимкам четко фиксируется вторая система валов,
ориентированная над острым углом (порядка 40°) к берегу, с которым они часто соприкасаются своими концами,
и наложенная на первую систему (см. рис. 3.3).
Проведенное сравнение снимков 1959 и 1990 гг. показало, что за период в
31 год положение береговой линии на исследуемом участке от м. Песчаного до
устья р. Приветной и несколько восточнее было, в общем, стабильно. Наблюдается
чередование участков, на которых береговая линия отступила в результате размыва
на величину 5-20 метров (т. е. максимум около 0,7 м в год), участков на которых
положение береговой линии не изменилось и участков, на которых произошло
нарастание берега. Нарастание берега происходило примерно в тех же пределах.
Рисунок 3.4 Схема динамики береговой зоны на основе сравнения
крупномасштабных АФС 1990 г. и КС Quick Bird 2005 г.
(фрагмент)
Строение БЗ от м. Лаутаранта до п. Ушково за этот период
характеризируется чередованием участков размывающегося и стабильного берега
(см. рисунок 3.4). Размыв приурочен к самому мысу и к вершине расположенной за
мысом бухты. Остальная часть берега до мыса к востоку от устья реки Черной
стабильна. Лишь к устью небольшого ручья в вершине бухты приурочен конус выноса
с непостоянными очертаниями.
От устья р. Черной до п. Ушково берег в основном стабилен. Небольшие
участки размыва приурочены к выступам берега.
Рассмотренный участок находится целиком в области дифференцированных
движений с преобладанием поднятий, что должно снизить здесь влияние повышения
(относительную скорость поднятия) уровня моря и, соответственно, интенсивность
размыва берега.
Рисунок 3.5 Схема динамики береговой зоны на основе сравнения
крупномасштабных АФС 1990 г. и КС Quick Bird 2005 г.
Участок п. Ушково - п. Солнечное расположен далее к востоку. Береговая
линия здесь в общем прямолинейна и ориентирована почти в широтном направлении,
что делает ее уязвимой для ветро-волнового воздействия почти со всех
направлений, кроме северного. Схема дешифрирования БЗ этого участка по АФС 1990
г. представлена на рис. 3.5.
Пляж непостоянной ширины, большое количество валунов, местами
песчано-валунная отмостка. Строение зоны подводных валов крайне непостоянно.
Местами фиксируется до трех линий валов, местами лишь отдельные их фрагменты,
во многих местах они совершенно отсутствуют.
Причины абразионного характера этого участка побережья, помимо его
экспозиции, очевидно, заключаются в том, что ВПН очень сильно разгружается на
подводной террасе между мысом Песчаным и п. Ушково и на описываемом участке побережья
становится резко ненасыщенным, что и вызывает размыв рассматриваемого участка.
Предотвратить размыв естественнее всего было бы путем искусственной подпитки
ВПН в районе п. Ушково, что вызвало бы нарастание пляжей. Это важно еще и
потому, что на участке от п. Ушково до п. Солнечное находится самая освоенная
рекреационная зона Санкт-Петербурга. Искусственное же наращивание пляжей, как
известно, не только является лучшей защитой берега от размыва, но и увеличивает
рекреационную ценность побережья.
Более или менее насыщенным ВПН становится только в р-не п. Комарово.
Здесь наблюдается заметное расширение пляжа. У п. Репино пляж снова сужается,
валы исчезают. Зона размывающегося берега (см. рисунок 3.6). Самый сильный
размыв, как и должно быть, на мысу. За мысом в вогнутой части побережья резкое
расширение пляжа, увеличение числа валов, аккумуляция. Однако через 2 км пляж
снова сужается, видны буны. Валы неправильной формы, короткие, разнообразно
ориентированные, что свидетельствует о сложной системе течений и
противотечений. Здесь зона размыва, продолжающегося до п. Солнечное.
Из этих рисунков видно, что БЗ здесь представляет собой чередование
участков стабильного и размывающегося берега. При этом, из анализа снимков
следует, что многие стабильные участки являются таковыми лишь потому, что они
защищены различными берегоукрепительными сооружениями. При этом во многих
местах даже по снимкам видно, что сооружения эти разрушаются абразией. Корневые
части бун подмыты, а межбунные карманы, вместо того, чтобы накапливать наносы,
размываются.
По заполнению входящих углов везде четко видно, что в 2005 г., как и
ранее, ВПН направлен на восток.
Участок п. Солнечное - г. Сестрорецк, ориентирован под резким углом к
предыдущему, в направлении почти меридиональном. В соответствии с этим участок
открыт ветро-волновому воздействию западных румбов.
Здесь широкий пляж с ровной линией уреза воды. Подводная песчаная терраса
сравнительно узкая. Относительно большие глубины (4-6 м) подходят довольно
близко к берегу. Валы неправильной формы, приближающиеся к изометричной. И лишь
в самой вершине дуги наблюдается две линии узких прямолинейных валов,
отгораживающих расположенную ближе к берегу мелководную песчаную террасу на
поверхности которой наблюдается сложное переплетение песчаных волн. Ширина этой
террасы в вершине дуги 170 м. Как известно, песчаные волны, являющиеся
образованиями схожими с песчаными валами, но значительно менее крупными,
образуются на очень пологих участках прибрежного мелководья, сложенных мелким
песком.
Характер пляжа и линии уреза воды на всем участке характерны для таковых
на аккумулятивных участках берегов. Однако рисунок валов в северной половине
участка характерен скорее для участков размыва. Данные ретроспективных замеров
положения линии берега свидетельствуют, о том, что северная половина участка
находится в зоне размыва. И лишь южная половина, находящаяся в центре береговой
дуги, находится в зоне аккумуляции. Здесь об этом говорят все признаки.
Относительно этой части все ясно. Здесь так и должно было бы быть, поскольку
это вершина береговой дуги, где всегда бывает аккумуляция.
4. Моделирование
В настоящее время проблема прогностического расчета динамики течений в
шельфовой акватории моря приобретает особое значение в рамках комплексного
управления прибрежной зоной. Однако, несмотря на интенсивное теоретическое
изучение данной проблемы, вопрос о расчете динамики течений в подобных
акваториях все еще весьма далек от разрешения, что связано с трудностями выбора
эффективных параметризаций определяющих процессов. Выявление режима циркуляции
вод необходимо для оценки динамического воздействия на элементы
гидротехнических сооружений, что, безусловно, важно при проектировании
шельфовых буровых платформ, эрозии берегов, переноса примеси и т.д.
В случае хорошей адаптации математической модели к конкретному
физико-географическому объекту, моделирование позволяет получить качественную
прогностическую информацию при минимальных временных затратах, появляется
возможность исследовать отклик системы на внешние факторы, существующие не
только в реальности, но и гипотетически, что необходимо при оценке воздействия
на среду от проектируемых сооружений.
Исходя из общей цели работы, сформулированной во введении, для
моделирования была выбрана трехмерная математическая циркуляционная модель,
разработанная для пролива Бьеркезунд. Основные уравнения и описание модели,
которое приводится ниже, предоставлено разработчиком.
.2 Постановка задачи модели
Необходимо отметить, что при исследовании шельфовой циркуляции, наиболее
перспективными являются трехмерные математические модели, используемые для
воспроизведения основных океанографических полей с учетом специфических
процессов, обусловленных особенностями шельфовых зон морей.
Так была сформулирована задача о расчете поля течений в мелководной
шельфовой области моря. При этом модель должна позволять исследовать
синоптическую и сезонную изменчивость гидрологических полей, учитывать
возможность неодносвязности зоны моделирования, особенности конфигурации
береговой черты и донной топографии.
Исходя из поставленной задачи, с учетом анализа предшествующих наработок
в этой области, выбор наиболее соответствующего типа математической модели
представляется очевидным.
Процессы образования, трансформации и динамики водных масс в районах
материкового шельфа играют важную роль, как в системе крупномасштабной
океанической циркуляции, так и при формировании гидрологического режима
отдельных морей или их составных частей. Учитывая нетрадиционно малые
пространственные масштабы шельфовых областей, физические процессы формирования
гидродинамических полей и их отдельных элементов с достаточной степенью
точности могут быть описаны системой полных уравнений движения Рейнольдса для
горизонтальных компонент скорости в сферической системе координат {λ,φ,z}, дополненной трехмерными уравнениями турбулентной диффузии
тепла и соли. Математическая формулировка модели может быть представлена в виде
системы уравнений (4.2.1-4.2.5) в приближении гидростатики:
(4.2.1)
(4.2.2)
(4.2.3)
(4.2.4)
. (4.2.5)
где
u, v, w - компоненты скорости; R -радиус Земли; ωz -
угловая скорость вращения Земли, РZ - гидростатическое давление на
уровне z; Рa - атмосферное давление; KZ и KL - соответственно коэффициенты
вертикальной и горизонтальной турбулентной вязкости; Ñ2 - плоский оператор Лапласа; ρ - плотность морской воды; z - превышение
уровня над невозмущенной поверхностью; T-температура
воды; S- соленость воды. Оператор
В
качестве граничных условий на твердом контуре ставится условие непротекания
(4.2.6) :
n=0, (4.2.6)
где
vn - нормальная к берегу составляющая вектора скорости.
На
жидком контуре ставится условие свободного протекания:
, (4.2.7)
где
n - нормаль к жидкой границе.
На
свободной поверхности задается касательное напряжение трения:
(4.2.8)
, (4.2.9)
где
Wλ и Wφ -
компоненты скорости ветра; ρa -
плотность воздуха.
Величина
коэффициента сопротивления са бралась постоянной и равной 0.0012.
В
качестве условий на дне (при z=H) принимается квадратичная относительно
придонной скорости течения аппроксимация напряжения трения Рейнольдса:
(4.2.10)
(4.2.11)
Коэффициент
придонного сопротивления сv считался постоянным и равнялся 0.0025.
Для
вертикальной скорости на поверхности используется свободное кинематическое
условие (4.2.12),
,
(4.2.12)
Условие
для вертикальной скорости на дне сформулируем в виде:
(4.2.13)
В дополнение к разработанной модели расчета горизонтальных компонент
вектора скорости течения в систему также включено уравнение для расчета
вертикальной составляющей движения (w), базирующееся на уравнении сохранения
массы в полном, непреобразованном виде.
После ряда алгебраических преобразований уравнение (4.2.4)
трансформируется в выражение, позволяющее производить расчет вертикальной
скорости с учетом эффектов плотностной стратификации.
(4.2.14)
Уравнение
(4.2.14), дополненное соответствующими необходимыми граничными условиями на
поверхности и на дне дает возможность рассчитать поле вертикальной скорости,
используя данные распределения горизонтальных компонент течения и поля
плотности. Такой подход является вполне оправданным в случае его использования
для региональных моделей, с пространственными масштабами, превышающими
горизонтальные размеры конвективных вихрей. Использование для расчета
дифференциального уравнения второго порядка позволяет одновременно учитывать
два граничных условия для величины вертикальной компоненты вектора скорости на
поверхности и на дне.
Прежде чем приступить к дальнейшему рассмотрению математической
формулировки задачи, необходимо сделать предварительный анализ приведенных
уравнений с целью определения характерных масштабов отдельных слагаемых и
возможности проведения ряда упрощений. Подобные оценки можно произвести с одним
из уравнений движения, принимая фактическую аналогию для остальных уравнений
системы (4.2.1) - (4.2.5).
Оценим характерные масштабы задачи:
-
горизонтальный масштаб ~ 104 м
f - параметр
Кориолиса ~ 7*10-5 c-1- вертикальный масштаб ~ 102 м- масштаб
горизонтальной скорости ~ 10-1 м/c- масштаб вертикальной скорости ~ 10-2 - 10-4
м/c- масштаб времени ~ 105 -106 сz - масштаб коэффициента вертикальной
турбулентной вязкости ~ 10-3 м2/cL -масштаб коэффициента горизонтальной
турбулентной
вязкости
~ 102 м2/c- масштаб неоднородностей гидростатического давления ~ 102 Па
где
индекс “б” означает безразмерную величину порядка 1, т.е o(Xб)~1
Величины масштабов безразмерных комплексов перед слагаемыми показывают
соотношения между основными физическими механизмами генерации движения среды.
Оценим их порядки:
Таким
образом, можно предположить, что при моделировании циркуляции в исследуемых
акваториях необходимо учитывать все факторы, включая компоненты, содержащие
вертикальную составляющую скорости.
4.3 Блок расчета характеристик турбулентности
Особое внимание при численном моделирование гидрологических процессов на
шельфе как области суперпозиции пограничных слоев следует уделить
параметризации процессов турбулентного обмена, поскольку именно здесь эти
параметры могут изменяться в широких пределах. Общий анализ поставленной задачи
показал ограниченность возможности определения коэффициентов турбулентного
обмена, т.к. наиболее известные полуэмпирические методы определения
характеристик турбулентности (методы Прандтля, Кармана) предполагают способ
расчета коэффициента турбулентности пропорционально вертикальному сдвигу
скоростей, не учитывая при этом эффектов, обусловленных влиянием стратификации.
Вместе с тем, поскольку поле течений в шельфовых районах обладает существенной
вертикальной изменчивостью, с хорошо выраженными зонами разнонаправленных
потоков, применение подобных методик определения этого параметра в большинстве
случаев невозможно. Кроме этого, подобные методики не учитывают влияние
стратификации среды на характеристики турбулентного обмена, что особенно важно
в прибрежных участках с заметным влиянием пресноводного стока. Исходя из этого,
за основу была принята нестационарная система уравнений баланса энергии
турбулентности, которая устраняет указанные недостатки, связанные с учетом
стратификации и позволяет получить интересующие нас турбулентные характеристики
среды фактически при любом вертикальном распределении скоростей течений.
(4.3.1)
(4.3.2)
где
b - энергия турбулентности; ε - скорость
диссипации турбулентной энергии; с1=0.44, с2=1.92, с3=0.8, δ =
1.3- эмпирические константы.
В
качестве граничных условий на свободной поверхности для уравнений баланса
энергии турбулентности задается поток энергии турбулентных пульсаций (Pb),
параметризуемый через касательное напряжение ветра (τ), и отсутствие потока для скорости диссипации:
, (4.3.3)
, (4.3.4)
, (4.3.5)
где
a0 =1 и ab =0.001 - эмпирические константы;
ρa - плотность
атмосферного воздуха
В
некоторых работах, посвященных данному вопросу на поверхности поток энергии
отсутствует, что оправданно в случае определения характеристик турбулентности в
глубоководных акваториях, где основным механизмом генерации является сдвиг
скоростей течений. В нашем же случае, когда глубины могут составлять менее 20 м
использование подобного допущения малооправдано.
В
качестве граничных условий на дне (z=H) принимается
отсутствие потоков энергии турбулентности и скорости ее диссипации.
(4.3.6)
Выбор
нестационарных уравнений баланса энергии турбулентности является важным,
поскольку при исследовании синоптической циркуляции характеристики
турбулентности нельзя считать стационарными. Несмотря на существующее мнение о
существенно меньшем времени установления характеристик турбулентности по
сравнению с основными гидрологическими элементами (температурой, соленостью,
скоростью течений), проведенные численные эксперименты с уравнениями баланса энергии
показали, что время установления энергии турбулентных пульсаций при
стационарном профиле скорости составляет несколько суток, что не позволяет
пренебречь временной изменчивостью этих характеристик, в особенности при
задании несогласованных профилей гидрологических элементов в качестве начальных
условий. Известно, что соотношение между характерным масштабом времени
установления характеристик турбулентности, скорости течений и температуры
составляет величины порядка 1 ч : 1 сут. : неск. сут. (0.02:0.1:1.0).
Непосредственные
выражения для расчета коэффициента турбулентной вязкости можно получить из
соображений анализа размерности:
, (4.3.8)
где
Кф=10-5 м2/с - фоновый коэффициент турбулентной вязкости; cμ=0.08.
Введение
понятия фоновой турбулентности, прежде всего, связано с необходимостью
определения коэффициентов вязкости в случае малых градиентов скоростей, когда
сдвиговый механизм генерации недостаточен для формирования развитой
турбулентности и значения коэффициентов становятся меньше молекулярной
вязкости, что противоречит физической постановке. Введение нижнего предела для
характеристик турбулентности позволяет избежать подобного противоречия, не
изменяя общую постановку задачи, т.к. при установившемся режиме турбулентности
величины второго слагаемого на 2-3 порядка больше, чем фоновое значение. Кроме
того, введение фоновой турбулентности позволяет параметризовать подсеточные
эффекты перемешивания, не воспроизводимые моделью из-за грубого пространственного
разрешения.
Однако,
применение подобной системы уравнений для расчета коэффициента турбулентности
приводит к тому, что в общую систему уравнений гидротермодинамики вводятся
дополнительные компоненты существенно меньшего временного масштаба. Это приводит
к необходимости существенного уменьшения шага численного интегрирования по
времени, несмотря на применения неявных разностных схем. Кроме этого, в
уравнении эволюции скорости диссипации энергии турбулентности входит ряд
эмпирических коэффициентов, значения которых могут варьировать в существенном
диапазоне, что вносит дополнительную неопределенность в методику определения
характеристик турбулентности.
Для моделирования термохалинной структуры был использован подход,
основанный на гипотезе Озмидова-Лозовацкого, позволяющей по значениям
коэффициента вертикальной турбулентной вязкости и вертикальному распределению
градиентных чисел Ричардсона (Ri) определить коэффициенты турбулентной диффузии
тепла и соли с использованием предположения о равенстве турбулентных чисел
Шмидта (Sc) и Прандтля (Pr).
(4.3.9)
где KТ - коэффициент вертикальной турбулентной диффузии тепла; Kz -
коэффициент вертикальной турбулентной вязкости; Ri - градиентное число Ричардсона, ст=0.05 и m=0.8 -
эмпирические постоянные.
Введение в уравнение (2.23) модуля градиентного числа Ричардсона
обусловлено необходимостью определения характеристик турбулентности при любых
распределениях гидрологических элементов, в том числе и при плотностной неустойчивости.
Оценка коэффициент горизонтальной турбулентной вязкости
Выбор коэффициента горизонтальной вязкости для модели должен
удовлетворять нескольким условиям. Во-первых, коэффициент должен обеспечивать
приемлемую степень сглаживания функции, а во-вторых, обеспечивать устойчивость
численной схемы. Кроме того, процедура сглаживания не должна нивелировать
влияние адвективных слагаемых. В противном случае нелинейная задача в исходной
постановке фактически трансформируется в линейную. Эффекты нелинейности особенно
важны при моделировании динамики фронтальных зон, часто встречающихся на
материковом шельфе. Вопрос выбора оптимального коэффициента горизонтальной
вязкости, таким образом, представляет достаточно сложную и важную задачу в
приложении к шельфовым регионам.
Использование центральных разностей при аппроксимации уравнений движения,
накладывает ограничение на выбор этого параметра. Для обеспечения устойчивости
численного решения сеточное число Рейнольдса (Reсет), введенного по аналогии с обычным числом должно быть
выше критического.
, (4.3.10)
В
работах по крупномасштабной океанической динамике это критическое соотношение
равно 4. Учитывая характерные пространственные масштабы морей арктического
шельфа и шаг по пространству в модели можно получить, что коэффициент
горизонтальной вязкости должен быть порядка 1000 м2/с. В моделях циркуляции,
адаптированных для Северной Атлантики этот коэффициент, из-за большего шага по
пространству превышает 5*103 м2/с. Для больших океанических моделей он может
достигать величин 104 м2/с.
.4
Моделирование циркуляции вод
В
качестве модельной акватории была выбрана зона Сестрорецкой бухты, циркуляция
вод в которой носит характер циркуляции в эстуарии. Особенности динамики вод в
заливах можно отнести к весьма слабо освещенным вопросам физической
океанографии. Важно отметить схожесть режима циркуляции устьевых шельфовых
областей и трехмерных проливов, где движение вод будет определяться не только
гидродинамическим режимом сопредельных бассейнов, но и спецификой
гидрологической структуры полей в самой акватории, а также особенностями их
конфигурации и донной топографии. В связи с этим, исследование циркуляции вод в
трехмерных проливах представляет достаточно сложную задачу, попадающую в рамки
представленного исследования.
.5
Исходные данные
Расчеты по модели осуществляются на прямоугольной сеточной области (80
точек по широте и долготе) на срок 15 дней с шагом по времени 10 секунд, что
обеспечивает счетную устойчивость по условию Куранта-Леви. Горизонтальные шаги
интегрирования при этом составляют 0.0042 градуса по долготе и 0.00235 градуса
по широте (~ 250 м). Вертикальное разрешение модели составило 0.5 м.
Рассматриваемая область показана на рисунке 4.1 используемая при моделировании и
представленная на карте, соответственно. Для корректного моделирования, по
данным ВСЕГЕИ по схема сонарной съемки была построена карта глубин для данного
района, которая представлена на рисунке 4.2. В качестве начальных условий для
термохалинного блока модели используются данные прямого CTD-зондировнаия, по
данным которого были построены карты исходных распределений на горизонтах.
Модельные расчеты производятся для определения полей скоростей течений в заливе
в условиях умеренного атмосферного воздействия. Скорость ветра для модельных
экспериментов составила величину 5,2 м/с направлена на северо-запад. Дамба
закрыта.
Рисунок 4.1 рассматриваемая область, использованная при моделировании
Рисунок 4.2 карта глубин
Рисунок 4.3 Начальная температура воды на поверхности
Рисунок 4.4 Начальная соленость воды на поверхности
Рисунок 4.5 Начальная температура воды на горизонте 5 м.
Рисунок 4.6 Начальная соленость воды на горизонте 5 м.
Рисунок 4.7 Начальная температура воды на горизонте 8 м.
Рисунок 4.8 Начальная соленость воды на горизонте 8 м.
4.6 Полученные результаты
,4-0,1 м/с; 0,1-0,02 м/с; 
0,02-0 м/с.
Рисунок 4.9 Поле горизонтальной скорости течений на поверхности
,4-0,1 м/с; 0,1-0,02 м/с; 0,02-0 м/с.
Рисунок 4.10 Поле горизонтальной скорости течений в придонном слое
,4-0,1 м/с; 0,1-0,02 м/с; 0,02-0 м/с.
Рисунок 4.11 Соответствие поля течения экспедиционным данным поля
мутности (поверхность)
По результатам расчета модели, в соответствие с задачами моделирования,
были получены величины компонент течения на сеточной области с вертикальной
дискретностью 0,5 м. По результатам моделирования было получено, что в данной
постановке задачи для выхода системы на стационарный уровень достаточно 1-1,5
суток. Сама проблема определения стационарности решения связана с
погрешностями, вносимым влиянием на ход решения начальных условий и видом
условий на границе. Фактически время адаптации модели к внешним условиям будет
зависеть не только от физических свойств моделируемого объекта, но также и от
качества описания процессов в нем. Отмечу, что при моделировании, на начальных
этапах, все процессы имели значительные изменения, то есть наблюдались большие
колебания между экстремальными значениями характеристик, но к шестому
модельному дню процессы установились.
Анализируя результаты моделирования, следует отметить, что циркуляция вод
в заливе имеет сложную динамическую структуру с малым радиусом пространственной
корреляции и наличием локальных вихревых образований в топографически сложных
районах. Поверхностные течения, представленные на рисунке 4.9, большей своей
частью направлены на северо-запад, совпадая по направлению с вектором
касательного напряжения ветра. В целом по всей рассматриваемой акватории
скорости течений примерно равны 50-40 см/с. формируются отдельные локальные
круговороты разных знаков завихренности и пространственных масштабов. С
увеличением глубины происходит смена направлений и уменьшение скоростей.
Необходимо сказать, что минимальные скорости движения на всех горизонтах
наблюдаются у побережья.
В качестве индикатора правильности модели могут служить данные мутность,
полученные для данного района экспедиционно. При их сравнение с рассчитанным
полем течения видно характер распределения мутности полностью объясняется
рассчитанным полем течений.
Как видно из предшествующего анализа полученных результатов и данных
предоставленных сторонними источниками адаптация модели прошла удачно.
Полученные результаты можно использовать как фоновые значения при более
детальном изучении структуры течений Также данную модель можно использовать при
изучении изменения береговой линии. Эволюцию поля мутности.
Заключение
В настоящее время в данной акватории наблюдается чередование участков
размывающегося и стабильного берега. Участки нарастающего берега практически
отсутствуют и приурочены, главным образом к устьевым частям водотоков. Из
других исследований видно, что расположение участков размывающегося и
стабильного берега здесь, в общем, постоянно. Постоянно также расположение
участков и конфигурация подводных песчаных валов. Все эти факты свидетельствуют
о постоянстве в течение которое и позволяет рассчитать данная модель
Знание характера циркуляции в данном районе позволяет производить более
эффективное проектирование и постройку берегозащитных сооружений.
Проведение с 2006 г. интенсивных гидротехнических работ (дноуглубительных,
выемки грунта и использования его для засыпки "старых" подводных
карьеров, образовавшихся ранее при осуществлении намыва городских территорий)
приводит к существенному загрязнению береговой зоны Курортного района взвесями.
Подводя общий итог изложенному выше материалу, можно сделать заключение о
довольно приемлемом в рамках общей постановки вопроса и принятых допущений
описании структуры циркуляции вод в прибрежной шельфовой зоне. Важно отметить
существующее практическое применение подобной модели для оценки воздействия на
общую гидрологическую структуру исследуемой акватории.
Все выше изложенное свидетельствует о необходимости более глубокого
исследований данного вопроса.
Список источников
1 Баранова
Е.В., Баранов М.П., Бибикова Т.В. и др. Комаровский берег - комплексный
памятник природы. СПб., 2004, 92 с.
Востоков Е.Н.
Прибрежно-морские зоны мира. / Геоэкология, проблемы освоения и управления. М.,
2004, 371 с.
Растворова О.
Г. Сестрорецкие “Дубки” от Петра I до
наших дней. Историческое и природоведческое исследование. Санкт-Петербург.
2003. 128 с.
Рябчук Д.В.,
Григорьев В.В. Направление транспортировки песчаного материала в прибрежной
зоне восточной части Финского залива // Отечественная геология, 2000, № 4, с.
46-49.
Сухачева Л.
Л. Исследование разномасштабной пространственно-временной изменчивости полей
взвеси в восточной части Финского залива по данным многолетних аэрокосмических
наблюдений // Исследование Земли из космоса, № 5, 1996. С. 85–93.
Экосистемные
модели. Оценка современного состояния Финского залива. Часть II. Гидродинамические, гидрохимические,
гидробиологические, гидрологические условия и динамика вод Финского залива.
Международный проект «Балтика». Вып. 5. СПб, Гидрометеоиздат, 1997. 445 с.
Гилл А.
Динамика атмосферы и океана: М., Мир, 1986, т.1, 397 с., т.2, 415 с.
Ленинградская
дамба: Романов, Рожков, Павлов... Кто следующий? // Знание-сила. № 11. 1991 г.
Доронин Ю.П.
Физика океана: СПб, Гидрометеоиздат, 1978 г. - 296 с
Пнюшков А.В.
Математическое моделирование циркуляции вод в прибрежной зоне моря: Дис...
магистр гидромет.. наук /Российский государственный гидрометеорологический
университет (РГГМУ) . - Защищена 2000г
Лукьянов С.В,
Пнюшков А.В., Поротов А.В., Сухачева Л. Л., Кильдюшевский Е.И. Отчет о научно
исследовательской работе. Развитие проекта «ТЭО Берегоукрепления восточной
части финского залива». Исследование гидрологического режима в прибрежной зоне
курортного района: СПб, 2006.