Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Объекты под защитой Юнеско

1.1 Юнтоловский Заказник

1.2 Сестрорецкий разлив

1.3 Парк Дубки

1.4 Комаровский берег

2. Объекты, формирующие загрязнение Курортного района

2.1 Сестрорецк

2.2 Невская губа

2.3 Комплекс защитных сооружений

3. Наиболее актуальные проблемы Курортного района

3.1 Мутность

3.2 Эрозия берега

4. Моделирование

4.1 Описание модели

4.2 Постановка задачи модели

4.3 Блок расчета характеристик турбулентности

4.4 Моделирование циркуляции вод

4.5 Исходные данные

4.6 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

1.1 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 на северном побережье Лахтинкого разлива, который представляет собой залив лиманного типа на северном побережье Финского залива. К северу от Лахтинского разлива между речками Юнтоловкой и Каменкой располагается Лахтинское болото, имеющее высоту около 2-3 м над уровнем моря и уклон с севера на юг. Болото сильно оводнено, особенно в северной и южной частях. Здесь произрастает своеобразная приморская растительность и значительные площади занимаеют заросли восковника обыкновенного (Myrica gale) - вида, находящегося здесь на северо-восточном пределе своего распространения и занесенного в Красную книгу РФ.

1.2 Сетрорецкий разлив

курортный район загрязнение вода

Комплексные обследования состояния Сестрорецкого разлива в последние годы проводились дважды: в 1980 - 1981 гг. в течение полного года (Сохранение природной экосистемы…, 1984). и в 2002 г. - только в летнее время (Водные объекты Санкт-Петербурга, 2002). Это позволяет сравнить полученные данные и сделать выводы о динамике обстановки.

По результатам исследований в 2002 г. вода озера характеризуется средними значениями общей минерализации (64-70 мг/л), принадлежит к сульфатному классу группы натрия и обогащена хлоридами. Высокое содержание хлоридов относится исследователями на счет антропогенных факторов. Величина рН воды варьирует в пределах от показателей, близких к нейтральным (6.6-7.5), в мае, до щелочных (9.5-9.8) в июле-августе 2002 г. Вода озера богата органическими веществами как аллохтонного, так и автохтонного происхождения. На это указывают высокие значения концентраций органического углерода, биогенных элементов и показатели БПК5. Содержание органического углерода изменяется в пределах 16-29 мг/л. Оно заметно выше, чем в 1980-е годы (6-22 мг/л) и характеризуется тенденцией роста от мая к июлю и августу от 16-21 до 23-29 мг/л, последнее свидетельствует о накоплении в озере автохтонного органического вещества.

Содержание биогенных элементов в озере, достаточно высокое еще в 1980-е гг., в настоящее время быстро растет, особенно вблизи устья р. Черной. Так, среднее по станциям измерений содержание общего фосфора в озере увеличилось с 0,12 до 0,16 мг/л, при этом в р. Сестре несколько уменьшилось, а в р. Черной выросло с 0,19 до 0,55 мг/л, т.е. примерно втрое. Содержание общего азота в озере незначительно снизилось (с 0,89 до 0,78 мг/л), за счет снижения этого показателя в р. Сестре, но в р. Черной выросло с 2,38 до 2,79 мг/л. Всего в озеро в 1980-х гг. привносилось за год 264 т азота и 24 т фосфора, из них примерно 80% удерживалось в водоеме. Биогенная нагрузка (годовое поступление биогенов, отнесенное к площади водоема) составила при этом по фосфору 2,2 г/м2 и по азоту - 24 г/м2. В 1997 г. фосфорная нагрузка возросла до 4,9, а азотная - до 54 г/м2. (Оценка существующей информации…, 2002). В то же время, допустимая фосфорная нагрузка, рассчитанная для озера Сестрорецкий Разлив, составляет 0,52 г/м2, т.е. фактически она превышена почти в 10 раз. В итоге, по общему содержанию биогенов и по соотношению концентраций азота и фосфора Сестрорецкий разлив в 2002 г. следует классифицировать как гиперевтрофный водоем, причем более ѕ биогенных элементов поступает из р. Черной.

Вода Сестрорецкого Разлива заметно загрязнена тяжелыми металлами, фенолами, нефтепродуктами. Так, при наблюдениях 2002 г. отмечалось превышение ПДК для рыбохозяйственных водоемов по алюминию в 3-4 раза, по железу до 40 раз, по марганцу в 2-8 раз, по фенолам в 1,2-11 раз и по нефтепродуктам в 1,1-4 раза. Если высокие концентрации железа, марганца и, в некоторой степени, фенолов можно отчасти объяснить естественными факторами, то повышенное содержание нефтепродуктов и алюминия следует отнести на счет антропогенного загрязнения. Загрязненность указанными веществами в реках Сестре и Черной примерно эквивалентна, а так как сток Сестры больше, то и ее вклад в загрязнение Разлива тоже больше.

Зарастание макрофитами составляло в 2002 г. около 15% зеркала водохранилища, преимущественно вдоль западного берега и у устьев рек; преобладали сообщества с преобладанием тростника, камыша озерного и хвоща речного. Велико было содержание фитопланктона: в июле 2002 г. оно достигало 57-100 мг/л, в то время как в 1980 г. не превышало 9 мг/л. Причем, если в 1980-х гг. в фитопланктоне преобладали диатомовые водоросли, то в 2002 г. абсолютно преобладали сине-зеленые водоросли, что также указывает на возросшее органическое загрязнение водоема. Практически весь вегетационный период наблюдается “цветение” воды. Количество и биомасса бактерий возросли примерно вдвое, достигнув, соответственно, 16,6 млн. кл./мл и 2,1 мг/л., в том числе E.coli - 1,72 тыс. кл./мл,

Из вышесказанного следует, что водохранилище Сестрорецкий Разлив находится в критической, прогрессивно ухудшающейся экологической ситуации и неблагополучно по санитарно-гигиеническим показателям. Ситуация усугубляется наступившим маловодным периодом и быстро уменьшающимся объемом воды в озере за счет накопления донных отложений. Основной причиной такого положения является обстановка в бассейнах рек Сестры и Черной, питающих озеро, т.к. сбросы очистных сооружений г. Сестрорецка выведены в море. Главным источником биогенной нагрузки на водохранилище является р. Черная, а в ее бассейне - очистные сооружения пос. Сертолово, которые практически не функционируют, а часть сточных вод подается в руч. Сертоловский вообще в обход очистных сооружений, особенно от близлежащих воинских частей. В результате, сток указанного ручья на 75% состоит из неочищенных и недостаточно очищенных сточных вод, а сток реки Черной состоит из таких вод на 15%. Сертоловские очистные сооружения в настоящее время не ремонтируются, так как с 1991 г. к Сертолово и Песочному строится канализационный коллектор от Северных очистных сооружений, но когда он будет достроен - неизвестно. Бассейн р. Сестры более благополучен по показателям загрязнений и биогенов, однако и в нем есть источники локальных и диффузных загрязнений. Это сбросы хозбытовых стоков от поселков Дюны, Белоостров и Ленинское, животноводческий комплекс в Ленинском, очистные сооружения Белоостровской промзоны, а также многочисленные садоводства и окружающие их свалки, зачастую расположенные в водоохраной зоне р. Сестры и ее притоков.

1.3 Парк Дубки

В 1714 году Петр Великий уже был известен миру как реформатор, победитель многих войн, основатель новой столицы, что покорила своим великолепием не только россиян, но и европейцев. После такого количества свершений государю хотелось немного отдыха - и не в окружении огромной свиты, не среди пышных дворцов и парадных лестниц, а в маленькой, приватной загородной резиденции. Именно для этой цели и был создан парк с таким милым, ласковым названием.

Выбрав место, которое было удивительно романтичным и уютным, Петр Алексеевич решил сделать здесь все по своему тогдашнему настроению. Пусть вековые дубы соседствуют с новыми, молодыми деревцами - и вот уже сажаются юные дубки. Пусть дворец будет совсем небольшим, стоит на самом берегу залива - и в песок вбиваются лиственные сваи, на которых будет стоять здание, предназначенное для приватного отдыха государя. Пусть вокруг него будет голландский сад - и возникают вокруг клумбы и газоны, окруженные каналами и маленькими прудами. А как хочется фонтанов! Значит надо сделать плотину на реке Сестре и подвести в парк воду…

Но плотину пришлось использовать на другие нужды - обострение военной обстановки привело к новой мысли: поставить на реке оружейный завод. А фонтаны? Ну, что же делать, не всему задуманному суждено свершиться.

Тем не менее, дворец и сад получились на редкость изящными и доставили много радости его хозяину.

После смерти императора Петра «Дубки», к сожалению, недолго сохраняли статус царской резиденции. Из дворца были вывезены ценные предметы убранства и отделки, волны залива с годами подмыли стены здания, в Голландском саду воцарилось запустение… Сегодня уже почти стерлись очертания Голландского сада, и лишь череда лиственничных пеньков выступает из воды, напоминая о том, как близко к морю был выложен фундамент дворца.

Однако парк остался таким же прекрасным, загадочным и романтичным. Подобно тому, как в веке 18-м его называли младшим братом Петергофского парка, в 20-м века он стал похож на младшего брата ЦПКиО им. Кирова: танцевальный павильон, качели, колесо обозрения, комната смеха и множество других аттракционов сделали его излюбленным местом отдыха сестрорецкой и ленинградской публики. Родители приезжали сюда с детьми, молодежь - целыми компаниями. Работала база однодневного отдыха, можно было взять напрокат лодку или велосипед, зимой - лыжи и финские санки.

К началу 21-го века из ассортимента удовольствий в парке сохранилось совсем немного - лодочная станция, танцевально-концертный зал, конно-спортивный комплекс и несколько спортивных объектов. Много споров о будущем парка, различных концепций его развития вихрем пронеслись над кронами старинных деревьев.

Историко-культурная ценность «Дубков» как памятника садово-паркового зодчества 18 века, находящегося под охраной ЮНЕСКО, дает основание полагать, что в новом столетии будут изысканы возможности для восстановления Голландского сада, но это пока лишь отдаленные перспективы. А вот вернуть парку славу популярнейшего места отдыха, где можно хорошо отдохнуть и повеселиться, позаниматься спортом и просто полюбоваться природой - этого вполне реально достичь уже сегодня. Именно так и происходит: парк вступил в фазу активного развития, ветер перемен с каждым днем преображает наши любимые «Дубки» к огромной радости всех его посетителей.

1.4 Комаровский берег

Этот памятник природы расположен на территории муниципального образования поселок Комарово. Здесь представлены природные комплексы северного побережья Финского залива, а именно песчаные морские косы, пляжи, невысокие дюны, черноольшаники на нижней морской террасе и береговом склоне, еловые и елово-сосновые леса на второй морской террасе, особенно хорошо сохранившиеся участки ельников-кисличников. Вся территория памятника природы несет явный отпечаток антропогенного воздействия, пронизана мнодеством дорожек и тропинок, через всю территорию проходит автомобильная дорога с интенсивным движением.

Наиболее пострадала приморская растительность: на песчаном пляже почти нет растений, лишь весной встречаются отдельные экземпляры чины приморской и гонкении портулаковидной - редких приморских видов, а в течение лета они исчезают в результате активного посещения пляжа отдыхающими.

Дюны и песчаный береговой вал сильно сглажены и тоже почти лишены растительности. Здесь можно найти лишь небольшие куртинки волоснеца песчаного, вейника Мейнсгаузена и овсяницы песчаной. Это также результат антропогенного воздействия.

Под склоном первой морской террасы сохранились черноольшаники. они образуют довольно сомкнутый древесный ярус 20-25 м высотой. Здесь довольно много березы, единично встречается осина, а в подросте преобладает ель. Возобновления черной ольхи практически нет, что связывают также с антропогенной нагрузкой. Кустарниковый ярус невыражен, здесь представлены черная смородина, малина и единично встречается рябина. В травяном ярусе господствует лабазник вязолистный, обычны гравилат речной, щучка дернистая, звездчатка дубравная, кочедыжник женский, крапива двудомная, на более сырых местах - калужница болотная, сабельник болотный, кизляк кистецветный, белокрыльник болотный. В черноольшаниках на более сухих участках в подросте присутствуют отдельные экзепляры клена платановидного. Здесь более богат видами кустарниковый ярус, в нем присутствуют черная смородина, крушина ломкая, ирга, черемуха, малина. В травяном ярусе лабазник теряет ведущее положение, здесь произрастают кочедыжник женский (до 40 %) и лесное мелкотравье: майник двулистный, звездчатка ланцетная и другие виды. У самого подножья первой морской террасы встречаются черноольшаники кисличные с господством в травяном покрове кислицы обыкновенной. В древесном ярусе здесь встречаются помимо черной ольхи ель, береза, сосна, рябина. Возобновление черной ольхи и здесь отсутствует. Помимо кислицы, в травяном покрове присутствуют зеленчук, майник, звездчатка ланцетная и звездчатка дубравная, щитовник игольчатый, седмичник, ветреница дубравная и другие виды. Напочвенный моховой покров в черноольшаниках образуют зеленые мхи.

На первой морской террасе развиты ельники-кисличники. Наиболее сохранившиеся ельники-кисличники встречаются в северо-восточной части памятника природы. Это участки довольно сомкнутого ельника с проективным покрытием древесного полога 70 % и высотой елей 25-28 м при диаметре 30-40 см. Здесь единично встречается сосна, береза, черная ольха, а в подросте только ель. Кустарниковый ярус невыражен, единично встречаются черемуха, бузина красная и одичавшая жимолость черная. В трявяно-кустарничковом ярусе преобладает кислица, встречаются черника, седмичник, брусника, черника, характерно присутствие лерхенфельдии извилистой, которая поселяется в зеленомошных лесах только в результате отмирания напочвенного покрова из зеленых мхов в результате интенсивного вытаптывания.

2. Объекты формирующие загрязнение Курортного района

2.1 Сестрорецк

Петр I в 1714 г. 20 сентября посетил реку Сестру. С данного периода можно говорить об истории г. Сестрорецка. Прошло несколько лет, и решили сделать плотину на р. Сестре для действия фонтанов в парке. Правда, плотина в итоге стала использоваться по другому назначению, так как долгая Северная война вызывала потребность в усилении производства оружия. Нужно было построить завод, с помощью которого можно было бы получить много оружия, причем около Санкт-Петербурга. Эту роль и выполнил завод на реке Сестре. Этот завод начали сооружать в июне 1721 г. под руководством командира Олонецких заводов полковника Виллима (Вилма) Геннина, который прекрасно разбирался в военной инженерии. Прошло несколько лет, и он превратился в главнейший завод в России, и по технических характеристикам являлся одним из лидирующих заводов в Европе. Этот завод обеспечил нашу армию прекрасными пистолетами, мушкетами и пушками.

В период с 40-х по 90-ые годы в XVIII в. на Сестрорецком заводе, помимо производства оружия и его ремонта, производились гражданские вещи (петли, ручки для дверей, медные пуговицы, необходимые для мундира). Также силами сестрорецких рабочих получены решетки для реки Фонтанки, Екатерининского канала, актуальные и на современном этапе, вошедшие в число украшений Санкт-Петербурга. В первые годы ХХ века завод существенно изменили, в производственном процессе активно применялись достоинства электроэнергии. В 1914 г. началась Первая Мировая война, в течение которой завод функционировал на полную мощь.

Начиная с 1922 г., у завода изменилась сфера деятельности. Он превратился в инструментальный завод. Правда, в силу Второй Мировой войны он снова использовался для получения большого числа оружия.

Сестрорец и сейчас является большим промышленным центром, который оказывает огромное влияние на акваторию финского залива. К основным источникам антропогенного воздействия можно отнести следующее:

1. Сестрорецкий инструментальный завод им. Воскова.

2. Эвтрофирование озера Сестрорецкий Разлив (высокая антропогенная нагрузка на водосборный бассейн:

строительство коттеджей, несанкционированные свалки, устаревшие очистные сооружения и т.п.).

3. Загрязнение атмосферного воздуха выхлопными газами (Приморское шоссе) и котельными.

4. Ермоловский и Дубковский городские пляжи. (Нагрузка территории со стороны отдыхающих, проблема мусора.)

5. Целая сеть рек которые выносят сточные бытовые и технические воды.

2.2 Невская губа

Антропогенное воздействие на акваторию Невской губы всегда было интенсивным, а она в свою очередь оказывала влияние на прилегающую часть финского залива. Но начало реализации в 2006 году проекта «Морской фасад» на Васильевском острове значительно обострило экологическую обстановку в этом районе. Весной 2006-го по всей Невской губе было зафиксировано максимальное количество взвеси и различного мусора, то есть повышенное содержание в воде бактериальных, хлорорганических и др. загрязнений. Уже в начале лета на акватории проводили работы до 5 мощных земснарядов одновременно. В августе пятно мутных вод распространилось уже практически на всю Невскую губу и за ее пределы, резко увеличилось присутствие тяжелых металлов, нефтепродуктов и фенолов, причем основная часть загрязнений фиксировалась вблизи города. Усилился вынос загрязненных вод в восточную часть Финского залива. Из-за проведения дноуглубительных работ в транзитной зоне Невской губы, где достаточно высоки скорости течений, шлейф мутных вод распространился на большие расстояния - до 150 км.

В 2007 году, несмотря на сокращение объема дноуглубительных работ, по целому ряду показателей ситуация не улучшилась. Подъем грунтов привел к катастрофическому загрязнению Невской губы, в огромной степени увеличилась концентрация нефтепродуктов. Глубинная зона из-за взвеси осталась практически без кислорода. Существенно изменилась структура донных осадков: заиление привело к деградации подводных ландшафтов. Космические снимки показывают, что в январе 2008 года подо льдом все еще видны шлейфы мутных вод достаточно большой концентрации. Александр Рыбалко, главный научный сотрудник Центра мониторинга геологической среды Балтийского и арктических морей ФГУНПП «Севморгео», полагает, что при проектировании подводных работ не были учтены последствия от функционирования нескольких мощных землесосов.

Геологическая среда дна Невской губы и береговой зоны Петербурга обладает исключительной геологической молодостью и находится в стадии активного преобразования, поэтому любые техногенные вмешательства могут иметь необратимые последствия. Решение о возведении «Морского фасада» было принято администрацией города без проведения глубоких научных изысканий, убеждены участники пресс-конференции. Между тем, воздействия на природную среду такого рода должны предварять всесторонние исследования.

Как известно, Невская губа находится на востоке Беломоро-Балтийского миграционного пути, который используют до 80% перелетных птиц, и играет колоссальную роль в качестве транзитной зоны миграции рыб. Длительное время она являлась зоной биологической (животными и растительными организмами) очистки вод. Первый удар по этой системе был нанесен в 1960-70-х при намыве грунта в районах Автово, Урицка и Стрельны. Были уничтожены многочисленные стоянки водоплавающих птиц и места миграционных скоплений рыб (в том числе атлантического лосося - охраняемого по всей Европе вида). Второй удар - строительство защитных сооружений, изменивших всю гидрологию губы. Оседание взвеси при намыве территорий привело к гибели планктона, проходящего стадию покоя на дне. Появились огромные мертвые зоны без живых организмов, а численность водоплавающих птиц, пересекающих Невскую губу, сейчас сократилась почти в 200 раз.

2.3 Комплекс защитных сооружений

В начале 80-х годов началось строительство комплекса защитных сооружений (КЗС) Санкт-Петербурга от наводнений (в просторечии дамбы), а с середины 80-х до начала 90-х не затихали споры о степени влияния дамбы на природные условия Невской губы и восточной части Финского залива. Для разрешения споров назначались авторитетные комиссии, проводились натурные исследования, в том числе с применением методов дистанционного зондирования /7,20,24/. Отчеты трех комиссий отечественных экспертов проводивших анализ экологической обстановки в Невской губе и возможного влияния на нее КЗС содержали противоречивые результаты. Как следствие, в 1990 г. для разрешения этого вопроса была создана Международная экспертная комиссия, которая пришла к выводу, что завершенный КЗС будет оказывать минимальное воздействие на окружающую среду.

Осадочный материал, выносимый в Невскую губу Невой, в основном оседает в глубоководных участках. Непосредственно вблизи Санкт-Петербурга в результате подводной добычи грунтов образовались подводные карьеры с глубиной до 10-12 метров. В настоящее время они превратились в седиментационные ловушки. Еще одним участком интенсивной седиментации и аккумуляции является Морской канал с глубиной около 12 м. Канал заносится со средней скоростью 6,5 см/год, что обусловливает необходимость систематического проведения дноуглубительных работ. В западной части канала осадки не аккумулируются. Строительство КЗС внесло изменения в процессы седиментации, что обусловило появление новых зон аккумуляции тонкодисперсных осадков. Помимо этого, значительное влияние на седиментационные процессы в районе КЗС оказали Кронштадский порт и интенсивное судоходство.

3. Наиболее актуальные проблемы

3.1 Мутность

На основе анализа многолетних аэрокосмических наблюдений Невской губы и восточной части Финского залива исследована разномасштабная пространственно-временная изменчивость полей взвешенных осадков в Невской губе и в восточной части Финского залива под воздействием различных природных и антропогенных факторов. Рассмотрены особенности динамики поверхностных вод и переноса взвешенных веществ в различных гидрометеорологических ситуациях и в разные периоды строительства комплекса защитных сооружений (КЗС) Санкт-Петербурга от наводнений (до начала и в процессе строительства, включая период перекрытия Северных ворот в 1985-1986 гг. и современные условия).

На основе спутникового мониторинга Невской губы в 90-е годы выявлено относительное улучшение экологического состояния акватории. Установлены факторы, влияющие на загрязнение Невской губы взвешенными веществами. Показано, что основным источником загрязнения Невской губы взвешенными веществами являлись гидротехнические работы по выемке грунта и намыву городских территорий под жилищное строительство на северном и южном побережьях восточной части Невской губы, проводившиеся в квазипостоянном режиме с конца 60-х годов ХХ века. В результате сокращения с 1990 г. и почти полного прекращения в 1993 г., этого вида гидротехнических работ, загрязнение акватории Невской губы и восточной части Финского залива взвешенными осадками существенно уменьшилось по сравнению с 1980-ми годами. Кроме того, в 1988 году был запрещен отвал загрязненных донных грунтов, извлекаемых из водотоков города при их очитке, в акваторию Невской губы.

Снижение уровня антропогенного загрязнения Невской губы взвешенными веществами можно считать одним из факторов повлиявших на относительное улучшение экологического состояния акватории по другим показателям (содержанию соединений тяжелых металлов, бактериальным загрязнениям и др.). Вследствие чего, в целом, с 1990 г. наблюдается относительная стабилизация антропогенного воздействия на акваторию Невской губы и восточной части Финского залива.

Однако в настоящее время, в связи с началом осуществления проекта «Морской Фасад Санкт-Петербурга», этот вид антропогенной нагрузки на акваторию Невской губы и восточной части Финского залива возобновился - высокие значения концентраций взвешенных осадков наблюдались в 2006 г. по данным ИСЗ на значительных расстояниях от источников их поступления.

Предварительный анализ ряда космических снимков восточной части Финского залива, полученных с ИСЗ в летний период 2006-07г., позволяет заключить, что масштабы загрязнения акватории взвесью (соответственно, и другими видами сопутствующих им загрязнений) очень велики. Объемы работ и интенсивность загрязнения превосходят отмечавшиеся ранее вследствие проведения работ по намыву городских территорий (в 70-е - 80-е гг.).

В восточной части Финского залива, и в прибрежной зоне Курортного района, в том числе, вследствие начала проведения с 2006 г. интенсивных гидротехнических работ (дноуглубительных работ, выемки грунта и использования его для засыпки «старых» подводных карьеров, образовавшихся ранее при осуществлении намыва городских территорий) ожидается повышение уровня антропогенного влияния на процессы седиментогенеза.

При этом, следует отметить, что в исследуемой нами, прибрежной зоне Курортного района на повышение интенсивности осадкообразования в рассматриваемой ситуации, наряду с техногенными, влияют и природные факторы. В восточной части Финского залива в весенне-летний период, при наличии стратификации водных масс и возникновении апвеллинговых ситуаций, седиментационные процессы усиливаются за счет взаимодействия вод с различными характеристиками (различной солености, температуры, плотности).

1 - 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

4.1 Описание модели

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.

4.2 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 {л,ц,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; щz - угловая скорость вращения Земли, РZ - гидростатическое давление на уровне z; Рa - атмосферное давление; KZ и KL - соответственно коэффициенты вертикальной и горизонтальной турбулентной вязкости; 2 - плоский оператор Лапласа; с - плотность морской воды; - 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) :

vn=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 Wл и Wц - компоненты скорости ветра; сa - 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

H - вертикальный масштаб ~ 102 м

U - масштаб горизонтальной скорости ~ 10-1 м/c

W - масштаб вертикальной скорости ~ 10-2 - 10-4 м/c

T0 - масштаб времени ~ 105 -106 с

K0z - масштаб коэффициента вертикальной турбулентной вязкости ~ 10-3 м2/c

K0L -масштаб коэффициента горизонтальной турбулентной

вязкости ~ 102 м2/c

P0 - 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; е - скорость диссипации турбулентной энергии; с1=0.44, с2=1.92, с3=0.8, д = 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 (ф), и отсутствие потока для скорости диссипации:

, (4.3.3)

, (4.3.4)

, (4.3.5)

где 0 =1 и b =0.001 - эмпирические константы;

сa - 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)

(4.3.7)

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; cм=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.