Определение адвективных составляющих обмена массой, теплом и веществами по натурным данным в устье реки Черной (Севастопольский регион)

Для измерения электрической проводимости, температуры и гидростатического давления воды использовался гидрозонд портативный «ГАП-АК-12Р» в автономном режиме работы. Точность измерения температуры воды ± 0.015°С, гидростатического давления ± 0,0008 Мпа, электропроводности ± 7.5 * 10^-4 мСм/см.

Исследование динамики водного потока в придонном слое выполнялось с помощью разработанного макета прибора «Визуализатор потока» (Antonenkov, 2020; Антоненков, 2020), позволяющего получать распределение скорости течения в потоке, а также визуализировать турбулентные процессы в придонном слое и в толще воды.

Измерения температуры воды, гидростатического давления, электропроводности, мутности, скорости и направления течения на фиксированных горизонтах проводились биофизическим комплексом «Кондор» (Chepyzhenko and Chepyzhenko, 2017). Дискретность измерений составляла 0.2-0.3 м, выдержка прибора в точке - 30-40 с. Точность измерения температуры воды ± 0.05 °С, гидростатического давления ± 0.01 Мпа, электропроводности ± 0.001 мСм/см, мутности ± 0.1 ЕМФ, скорости течения ± 0.05 м/с.

Так как анализ квазисинхронных измерений исследуемых характеристик показал, что результаты, полученные различными измерительными средствами, могут значительно отличаться (до 17%), для апробации разработанной методики оценки составляющих обменных процессов использовались наиболее детальные данные измерений комплексом «Кондор».

Все работы производились в меженный период стока р. Черной при штиле или маловетрии, в качестве репрезентативной была выбрана экспедиция за 19.06.2019, и расчет выполнялся для створа 4 (рис. 1), в котором взаимодействие разнородных вод имеет наиболее динамичный характер. Исследования, выполненные в 20172021 гг. с моста и в перпендикулярном створе, равном ширине потока, свидетельствуют об однородности течений на расстоянии 200 м ниже моста.

Рис. 1. Схема станций (а) и поперечный профиль створа 4 (б) в устье р. Черной

Для аналитического решения задачи определения обменных составляющих в устье р. Черной, гидрометрический створ 4 (рис. 1, а) разбивался по ширине на 21 вертикаль (с учетом изменчивости измеряемых характеристик) с расстояниями между ними 5 м (рис. 1, б). Промежуточные значения между измеренными величинами находились путем линейной интерполяции. Для получения более точной эпюры скорости течения глубина каждой ячейки принималась равной 0.1 м, т.е. поперечный профиль имел от 11 до 30 горизонтов (рис. 1, б). Векторы скорости проектировались на ось 150-330°, а также учитывалось неперпендикулярное ширине потока расположение створа 4, для чего площадь каждой ячейки (или ее части) умножалась на cos 45°, равный 0.7071. Средние значения скорости течения, солености и температуры относились к центрам ячеек. Количественная оценка переноса массы выполнялась методом «скорость - площадь», дающим приближенное значение объема «модели расхода воды».

Элементарные расходы воды (q_B) любого направления в каждой ячейке рассчитывались по формуле

(1)

(2)

(3)

где q_B, q_t, q_c - перенос массы (м³/с), тепла (МВт) и солей (кг/с) любого направления (±) через элементарную ячейку поперечного сечения потока в единицу времени;

v - средняя скорость течения в ячейке (м/с), имеющая положительный знак при прямом потоке (из реки в бухту) и отрицательный - при обратном потоке (из бухты в реку); ш - площадь сечения (м²) элементарной ячейки (или ее частей, занятых разнонаправленными потоками);

t - средняя температура воды (°С) в ячейке;

р - плотность воды, равная 1000 кг/м³;

с(Т) - удельная теплоемкость воды, равная 4.18-10³ Дж/кг-град.; с - средняя соленость воды (г/кг) в ячейке; к - коэффициент размерности.

Таким образом, разнонаправленные расходы воды (тепла и солей) имеют разные знаки: прямой - с плюсом, обратный - с минусом.

Расходы воды (Q_H), тепла (Q_t) и солей (Q_G) прямого и обратного направлений (±) рассчитывались суммированием элементарных расходов воды (qp), тепла (qt) и солей (q_G) в ячейках сечения створа 4:

Результирующий перенос воды (± Q^^e3), тепла (± Qf^e3) и солей (± Q_с^рез) в рассматриваемом створе определялся как алгебраическая сумма разнонаправленных потоков и имел направление и знак большего по значению расхода:

(4)

(5)

(6)

Для расчетов использовался пакет прикладных программ Matlab R2016a. Линейная интерполяция данных по горизонтали выполнялась через 5 м, а по вертикали через 0.1 м, затем в каждой ячейке рассчитывалась средняя скорость, температура и соленость воды соответствующего потока. Прямой, обратный и результирующий перенос рассчитывались по формулам (1)-(9). Схемы распределения температуры, солености, скорости потока, расходов воды, тепла и солей строились с помощью пакета программ Golden Software Surfer 13. Использовалась интерполяция Triangulation and Linear Interpolation, а также Grid Filter Moving Average.

Для оценки достоверности определения расходов воды, тепла и солей аналитическим методом применялся более точный графический способ решения этой задачи (Слепчук и др., 2021). Он заключался в графической (нелинейной) интерполяции между значениями характеристик для построения эпюр скорости, солености и температуры воды, в построении полей распределения скорости и элементарных расходов тепла и солей, определении площадей между смежными изолиниями планиметрированием и расчете переноса воды, тепла и солей через эти площади. Прямой и обратный расходы воды (тепла и солей) находились как сумма соответствующих частных расходов между изолиниями.

Результаты и обсуждение

адвективный масса тепло вещество речной севастопольский бухта

Зачастую корректность отображения реальной картины пространственной изменчивости изучаемых характеристик на схемах распределения измеренных и рассчитанных характеристик природной среды, полученных с помощью вычислительных средств и приведенных в литературных источниках (Морозов и др., 2012; Dovhyi et al., 2020; Ломакин и др., 2020), вызывает сомнение. На этих схемах изолинии пересекаются, сливаются, проходят под прямым или острым углами, поля распределения характеристик изобилуют микроскопическими замкнутыми областями, не обоснованными реальными измерениями и физическими свойствами водной среды. Например, рис. 3-7 в работе (Морозов и др., 2012), рис. 3 в работе (Dovhyi et al., 2020) и рис. 3-5 в работе (Ломакин и др., 2020). Эти иллюстрации существенно отличаются от схем распределения, построенных по тем же натурным данным, графическим методом. Такие недостатки обусловлены особенностями интерполяции, осреднения и сглаживания изолиний при использовании различных программных комплексов, а также субъективными факторами.

Поэтому в данной работе поля распределения скорости, температуры и солености воды, а также соответствующих разнонаправленных расходов в поперечном сечении створа 4 (рис. 1) получены двумя способами: с использованием стандартных программ и графическим методом.

Рис. 2. Уровень воды Севастопольской бухты (Н, см) 19.06.2019 (по данным водпоста «Севастополь»)

Расход воды в период экспедиции 19.06.2019 в вершине устья составлял 0.24 м³/с и был близок к среднему суточному расходу воды в межень на водпосту с. Хмельницкое, 0.27 м³/с. В этот период изменчивость уровня воды в Севастопольской бухте (рис. 2) была характерна для межени и маловетреной погоды теплого времени года. За 8 ч уровень воды на водпосту «Севастополь» поднялся на 3 см, а в последующие 8 ч он понизился на такую же величину. Поскольку измерения в створе 4 выполнялись в период подъема уровня воды, отмечалась активизация обратного потока.

Рис. 3. Распределение скорости течения, полученное аналитическим (а) и графическим (б) методами, м/с. Красными линиями на рисунках 3-6 обозначен прямой поток, синими - обратный

На рис. 3-6 представлены схемы распределения скорости течения, расходов воды и солей, полученные аналитическим методом и построенные с помощью стандартных программ и графическим методом.

Рис. 4. Расход воды. м³/с

Рис. 5. Расход солей, кг/с

Измеренная скорость течения в поперечном сечении потока в створе 4 изменялась от -0.34 до 0.36 м/с (рис. 3, а). Разнонаправленные потоки воды перемещались примерно с одинаковыми скоростями. Однако площадь поперечного сечения в створе, занятого обратным потоком, была больше, чем площадь сечения, в которой преобладал прямой поток. При производстве работ в этом створе существенных изменений гидрометеорологических характеристик не отмечалось, что подтверждается повторными измерениями параметров среды на тех же станциях «обратным ходом».

Наибольший вклад в изменчивость расхода воды вносила скорость течения, о чем свидетельствует хорошее совпадение схем распределения этих характеристик обменных процессов (рис. 3 и 4). Расход воды являлся основной составляющей расхода тепла и солей (рис. 5), поэтому схемы распределения расхода воды, тепла и солей идентичны (рис. 4 и 5).

Как следует из анализа рис. 3-6, схемы, полученные по результатам аналитического расчета, выполненного с помощью уравнений (1)-(9), практически идентичны схемам распределения рассматриваемых характеристик, построенных графическим методом. Также хорошо совпадают поля распределения солености, мутности, температуры воды, расходов тепла и взвешенных веществ, полученные разными способами. Следовательно, аналогичность распределений исследуемых характеристик свидетельствует о возможности использования автоматической обработки исходной информации без снижения качества и достоверности результатов.

Рис. 6. Расход солей, % * м/с, полученный графическим методом

Результаты апробации методики по натурным данным экспедиционных исследований 19.06.2019 представлены в табл. 1. Для определения точности расчетов за основу принимался графический метод. Ошибка в оценке разнонаправленных расходов воды аналитическим методом составила 5-7%, расходов тепла и солей - 2-7% при допустимой ошибке расчета расхода воды 5% (таблица). Величины, полученные графическим способом, были несколько больше рассчитанных аналитически из-за того, что в первом случае применялась более точная нелинейная интерполяция при построении эпюр рассматриваемых характеристик.

Таблица

Результаты оценки водо-, соле- и теплообмена в устье р. Черной аналитическим (числитель) и графическим (знаменатель) методами

Результирующий перенос воды, солей и тепла в меженный период стока, направленный в сторону реки, оказывает существенное влияние на состояние ее устьевого участка. Так, в период экспедиции расход осолоненной воды, поступавшей из бухты в реку, был в 3 раза больше ее среднего годового расхода у с. Хмельницкое и в 25 раз больше расхода воды, поступавшего в вершину устья во время производства работ. Переместившаяся на устьевой участок реки распресненная вода Севастопольской бухты 19.06.2019 (с 6 до 14 ч) вызвала подъем уровня воды в центре устьевого участка на 15 см, в то время как на водпосту «Севастополь» уровень воды повышался в этот период на 3 см (см. рис. 2). Соответственно, на такие же величины уменьшался уровень воды на устьевом участке реки и в Севастопольской бухте с 14 до 22 ч 19.06.2019. Реверсии потока на устьевом участке р. Черной, по-видимому, способствуют его «промывке» и самоочищению. Однако при изменении дальности распространения этого процесса вглубь суши, например из-за дноуглубительных работ, возможно осолонение пресноводной части устьевого участка реки.

Выводы

Предлагаемый способ оценки составляющих обменных процессов по натурным данным инвариантен, что позволяет использовать его в любом створе морского устья реки, независимо от его типа.

При наличии натурных данных в сечении потока, охватывающих не менее 75% размаха измеряемых характеристик водной среды, можно приближенно оценить баланс воды, тепла, солей, взвешенных, биогенных и загрязняющих веществ как в устьях рек разного типа, так и в море.

Для прогнозирования возможных изменений состояния устьев малых рек под влиянием природных и антропогенных факторов водообмен является предиктивным компонентом среды, требующим точного количественного определения.

Повысить качество визуализации распределения измеряемых характеристик состояния водной среды, а также подтвердить достоверность оценки составляющих обменных процессов можно путем сопоставления схем распределения, построенных с использованием стандартных программных комплексов, с графическим построением тех же схем.

В дальнейшем планируется использовать предлагаемую разработку для расчета обменных составляющих аналитическим методом по всем имеющимся материалам наблюдений.

Оценка водо-, соле- и теплообмена в устьях рек по натурным данным также предназначена для калибровки и верификации моделей, позволяющих не только вскрыть механизм обменных процессов, но и получить значения обменных составляющих для экстремальных ситуаций, наиболее существенно влияющих на состояние устьевых водных объектов.

Литература

1. Антоненков, Д.А. (2020). Измерительный комплекс для исследования динамических характеристик и структуры течения водного потока в прибрежной морской зоне. Известия вузов. Приборостроение, 63 (12), 1112-1118.

2. Ломакин, П.Д., Чепыженко, А.И., Гребнева Е.А. (2020). Поля океанологических характеристик в Абрамовой бухте (Севастополь) в ноябре 2019 года. Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря, 2, 68-79

3. Миньковская, Р.Я. (2020). Комплексные исследования разнотипных морских устьев рек (на примере морских устьев рек северо-западной части Черного моря). [online] Севастополь, ФГБУН ФИЦ МГИ.

4. Мискевич, И.В. (2019). Специфика природных процессов в приливных устьях малых рек Белого моря. Проблемы региональной экологии, 4, 37-41.

5. Михайлов, В.Н. (1998). Гидрология устьев рек. М.: Изд-во МГУ

6. Морозов, А.Н., Лемешко, Е.М., Шутов, С.А., Зима, В.В. (2012). Течения в Севастопольской бухте по данным ADCP-наблюдений (июнь 2008 года). Морской гидрофизический журнал, 3, 25-30.

7. Панченко, Е.Д., Льюменс, М., Лебедева, С.В. (2020). Моделирование гидродинамических процессов в приливном устье реки Онеги. В: Четвертые Виноградовские чтения. Гидрология от познания к мировоззрению: сборник докладов международной конференции памяти Ю.Б. Виноградова. СПб.: BBM, 135-140.

8. Симов, В.Г., Морозов, В.И., Фомина, И.Н. (2016). Обменные процессы в проливах между эстуариями и морями. Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика».

9. Слепчук, К.А., Миньковская, Р.Я., Антоненков, Д.А., Чепыженко, А.И. (2021). Оценка обменных процессов в морских устьях рек по натурным данным (на примере устья р. Черной). В: Моря России: Год науки и технологий в РФ - Десятилетие наук об океане ООН: тезисы докладов всероссийской научной конференции. Севастополь, 457.

10. Antonenkov, D.А. (2020). Water flow speed determining using visualization methods. Scientific Visualization, 12 (5), 102-111. https://doi.org/10.26583/sv. 12.5.09

11. Chepyzhenko, A.A. and Chepyzhenko, A.I. (2017). Methods and device for in situ total suspended matter (TSM) monitoring in natural waters' environment. In: 23^rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics: Proc. SPIE 10466, 104663G.

12. Dovhyi, I.I., Kremenchutskii, D.A., Bezhin, N.A., Kozlovskaia, O.N., Milyutin, V.V., Kozlitin, E.A. (2020). Distribution of 137Cs in the Surface Layer of the Black Sea in Summer 2017. Рhysical oceanography, 27 (2), 152-160.

13. Eremina, Е.S. and Evstigneev, V.P. (2020). Inter-Annual Variability of Water Exchange between the Azov Sea and the Sivash Bay through the Tonky Strait. Physical Oceanography, 27 (5), 489-500.

14. Medvedev, I.P. and Kulikov, E.A. (2016). Spectrum of mesoscale sea level oscillations in the Northern Black Sea: tides, seiches, and inertial oscillations. Oceanology, 56, 6-13.

15. Minkovskaya, R.Y. and Demidov, A.N. (2014). Water, salt, and heat exchange through the Kinburn Strait of the Dnieper-Bug estuary. Oceanology, 54 (5), 567-575.

References

1. Antonenkov, D.A. (2020). Measuring complex for studying the dynamic characteristics and structure of the water flow in the coastal marine zone. Izvestiia vuzov. Priborostroenie, 63 (12), 1112-1118.

2. Antonenkov, D.A. (2020). Water flow speed determining using visualization methods. Scientific Visualization, 12 (5), 102-111.

3. Chepyzhenko, A.A. and Chepyzhenko, A.I. (2017). Methods and device for in situ total suspended matter (TSM) monitoring in natural waters' environment. In: 23^rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics: Proc. SPIE10466,104663G.

4. Dovhyi, I.I., Kremenchutskii, D.A., Bezhin, N.A., Kozlovskaia, O.N., Milyutin, V.V., Kozlitin, E.A. (2020). Distribution of 137Cs in the Surface Layer of the Black Sea in Summer 2017. Рhysical oceanography, 27 (2), 152-160.

5. Eremina, Е.S. and Evstigneev, V.P. (2020). Inter-Annual Variability of Water Exchange between the Azov Sea and the Sivash Bay through the Tonky Strait. Physical Oceanography, 27 (5), 489-500.

6. Lomakin, P.D., Chepyzhenko, A.I., Grebneva, E.A. (2020). Fields of oceanographic characteristics in Abramova Bay (Sevastopol) in November 2019. Ecological safety of the coastal and shelf zones of the sea, 2, 68-79.

7. Medvedev, I.P. and Kulikov, E.A. (2016). Spectrum of mesoscale sea level oscillations in the Northern Black Sea: tides, seiches, and inertial oscillations. Oceanology, 56, 6-13.

8. Mikhailov, V.N. (1998). Hydrology of river mouths. Moscow: Lomonosov Moscow University Press.

9. Minkovskaya, R.Y. and Demidov, A.N. (2014). Water, salt, and heat exchange through the Kinburn Strait of the Dnieper-Bug estuary. Oceanology, 54 (5), 567-575.

10. Minkovskaya, R.Ya. (2020). Comprehensive studies of different types of marine estuaries (on the example of marine estuaries of the north-western part of the Black Sea). [online] Sevastopol: FGBUN FRC MGI Publ.

11. Miskevich, I.V. (2019). Specificity of natural processes in tidal mouths of small rivers of the White Sea. Problems of regional ecology, 4, 37-41.

12. Morozov, A.N., Lemeshko, E.M., Shutov, S.A., Zima, V.V. (2012). Currents in the Sevastopol Bay according to ADCP observations (June 2008). Marine Hydro-Physical Journal, 3, 25-30.

13. Panchenko, E.D., Leumens, M., Lebedeva, S.V. (2020). Modeling of hydrodynamic processes in the tidal mouth of the Onega River. Fourth Vinogradov Readings. In: Hydrology from cognition to worldview: collection of reports of the international conference in memory of Yu.B. Vinogradov. St. Petersburg: VVM Publ., 135-140.

14. Simov, V.G., Morozov, V.I., Fomina, I.N. (2016). Exchange processes in the straits between estuaries and seas. Sevastopol: SPC EKOSI-Gidrofizika Publ.

15. Slepchuk, K.A., Minkovskaya, R.Ya., Antonenkov, D.A., Chepyzhenko, A.I. (2021). Evaluation of metabolic processes in sea estuaries from field data (on the example of the mouth of the Chyornaya River). In: Seas of Russia: Year of Science and Technology in the Russian Federation - UN Decade of Ocean Sciences: Abstracts of the All-Russian Scientific Conference. Sevastopol, 457. (In Russian)

Размещено на Allbest.Ru