Основные проблемы Курортного района Санкт-Петербурга

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.

4.4 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.

4.5 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

0,4-0,1 м/с; 0,1-0,02 м/с; 0,02-0 м/с.

Рисунок 4.9 Поле горизонтальной скорости течений на поверхности

0,4-0,1 м/с; 0,1-0,02 м/с; 0,02-0 м/с.

Рисунок 4.10 Поле горизонтальной скорости течений в придонном слое

0,4-0,1 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

1 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

2 Знание характера циркуляции в данном районе позволяет производить более эффективное проектирование и постройку берегозащитных сооружений.

3 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.

2 Востоков Е.Н. Прибрежно-морские зоны мира. / Геоэкология, проблемы освоения и управления. М., 2004, 371 с.

3 Растворова О. Г. Сестрорецкие “Дубки” от Петра I до наших дней. Историческое и природоведческое исследование. Санкт-Петербург. 2003. 128 с.

4 Рябчук Д.В., Григорьев В.В. Направление транспортировки песчаного материала в прибрежной зоне восточной части Финского залива // Отечественная геология, 2000, № 4, с. 46-49.

5 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. 8593.

6 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.

7 Гилл А. Динамика атмосферы и океана: М., Мир, 1986, т.1, 397 с., т.2, 415 с.

8 Ленинградская дамба: Романов, Рожков, Павлов... Кто следующий? // Знание-сила. № 11. 1991 г.

9 Доронин Ю.П. Физика океана: СПб, Гидрометеоиздат, 1978 г. - 296 с

10 Пнюшков А.В. Математическое моделирование циркуляции вод в прибрежной зоне моря: Дис... магистр гидромет.. наук /Российский государственный гидрометеорологический университет (РГГМУ) . - Защищена 2000г

11 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.

Размещено на Allbest.ru