Моделирование процессов распространения взвешенного вещества в морских прибрежных акваториях: 1. Описание ВВ-модели

  • К. А. Подгорный Атлантический НИИ рыбного хозяйства и океанографии
  • А. В. Леонов Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
DOI: 10.29006/1564-2291.JOR-2017.45(1).10
Ключевые слова: уравнения теории мелкой воды, система уравнений адвекции и турбулентной диффузии, начальные и граничные условия

Аннотация

Рассмотрена методика разработки математической модели для изучения распределения концентраций взвешенного вещества в прибрежных морских акваториях. Эта модель оценивает последствия дноуглубительных работ (нарушений естественного состояния морской среды для биоресурсов), она воспроизводит образование взвешенного вещества и его последующий перенос в водной среде в мелководных морских заливах и морских прибрежных акваториях. Эта задача решается в два основных этапа: сначала проводится численное интегрирование системы уравнений гидродинамики (уравнений теории «мелкой воды») и определяются значения средних по глубине составляющих скорости течения; и на втором этапе – интегрируется система уравнений турбулентной диффузии, учитываются процессы седиментации взвешенного вещества, взмучивания донных отложений, поступления взвеси из распределенных точечных источников, их перераспределения в водной среде и накопления остаточных количеств на дне.

Биография автора

К. А. Подгорный, Атлантический НИИ рыбного хозяйства и океанографии

Литература


  1. Архипов Б.В., Котеров В.Н., Кочерова А.С., Солбаков В.В., Хубларян Г.М. Расчет распространения взвешенных веществ в прибрежной области моря // Водные ресурсы. 2004. Т. 31. № 1. С. 31– 39.

  2. Афанасьев С.В., Рянжин С.В. Численное моделирование горизонтальной турбулентной диффузии в мелком озере // Вод.ресурсы. 1986. Т. 13. № 1. С. 87–94.

  3. Баклановская В.Ф., Пальцев Б.В., Чечель И.И. О краевых задачах для системы уравнений Сен-Венана на плоскости // Журн. вычисл. матем. и матем. физ. 1979. Т. 19. № 3. С. 708–725.

  4. Клеванный К.А., Смирнова Е.В. Использование программного комплекса CARDINAL для решения задач гидравлики // Журн. Университета Водных коммуникаций. 2009. Вып. 1. С. 153–162.

  5. Леонов А.В. Моделирование природных процессов на основе имитационной гидроэкологической модели трансформации соединений C, N, P, Si. ЮжноСахалинск: СахГУ, 2008. 168 с.

  6. Лисицын А.П. Маргинальный фильтр океанов // Океанология. 1994. Т. 34. № 5. С. 735–747.

  7. Лисицын А.П., Баренблатт Г.И. Гидродинамика и осадкообразование. М.: Наука, 1983. 232 с.

  8. Марчук Г.И. Методы расщепления. М.: Наука, 1988. 264 с.

  9. Марчук Г.И., Дымников В.П., Залесный В.Б. Математические модели в геофизической гидродинамике и численные методы их реализации. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 296 с.

  10. Матишов Г.Г., Макаревич П.Р., Дженюк С.Л. и др. Морские нефтегазовые разработки и рациональное природопользование на шельфе. Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ, 2009. 500 с.

  11. Методические указания по расчету распространения зон мутности при дноуглублении и дампинге на акваториях ВМФ. М.: МО РФ, 2003. 80 с.

  12. Подгорный К.А. Математическое моделирование пресноводных экосистем нестратифицированных водоемов (алгоритмы и численные методы). Рыбинск: Изд-во ОАО “Рыбинский Дом печати”, 2003. 328 с.

  13. Подгорный К.А., Леонов А.В. Использование пространственно-неоднородной имитационной модели для изучения процессов биотрансформации соединений азота, фосфора и динамики растворенного в воде кислорода в экосистеме Невской губы Финского залива. 1. Описание модели // Водные ресурсы. 2013а. Т. 40. № 2. С. 179–191.

  14. Подгорный К.А., Леонов А.В. Использование пространственно-неоднородной имитационной модели для изучения процессов биотрансформации соединений азота, фосфора и динамики растворенного в воде кислорода в экосистеме Невской губы Финского залива. 2. Входные данные для расчетов, результаты моделирования и их анализ // Водные ресурсы. 2013б. Т. 40. № 3. С. 240–258.

  15. Руховец Л.А. Математическое моделирование водообмена и распространения примесей в Невской губе // Метеорол. и гидрология. 1982. № 7. С. 78–87.

  16. Рябченко В.А., Румянцев В.А., Коноплев В.Н. и др. Оценка изменения качества воды Невской губы после введения в эксплуатацию юго-западных очистных сооружений Санкт-Петерурга (по данным математического моделирования) // Изв. Русского Географического Общества. 2006. Т. 138. Вып. 5. С. 48–57.

  17. Рянжин С.В., Тержевик А.Ю., Афанасьев С.В. и др. Гидродинамический режим и условия накопления донных осадков // Сохранение природной экосистемы водоема в
    урбанизированном ландшафте. Л.: Наука, 1984. С. 83–92.

  18. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Аддитивные схемы для задач математической физики. М.: Наука, 1999а. 320 с.

  19. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Численные методы решения задач конвекции–диффузии. М.: Эдиториал УРСС, 1999б. 248 с.

  20. Amoundry L. A review on coastal sediment transport modelling // Proudman Oceanographic Laboratory. Internal document No. 189. 2008. 44 p.

  21. Ayukai T., Wolanski E. Importance of biologically mediated removal of fine sediments from the Fly River plume, Papua New Guinea // Estuarine Coastal Shelf Sci. 1997. Vol. 44. P. 629–639.

  22. Cebeci T. Turbulence models and their application: Efficient numerical methods with computer programs. Long Beach, California: Horizons Publishing Inc., 2004. 118 p.

  23. Chao X., Jia Y., Shields Jr. F.D., et al. Three-dimensional modeling of cohesive sediment transport and wind wave impact in a shallow oxbow lake // Adv. Water Res. 2008. Vol. 31. P. 1004–1014.

  24. Chubarenko I., Tchepikova I. Modelling of man-made contribution to salinity increase into the Vistula Lagoon (Baltic Sea) // Ecol. Modelling. 2001. Vol. 138. P. 87–100.

  25. Davies A.M., Lawrence J. Examining the influence of wind and wind wave turbulence on tidal currents, using a three-dimensional hydrodynamic model including wave-current interaction // J. Phys. Oceanogr. 1994. Vol. 24. P. 2441–2460.

  26. Einstein H.A., Krone R.B. Experiments to determine modes of cohesive sediment transport in salt water // J. Geophys. Res. 1962.Vol. 67. P. 1451–1461.

  27. Eisma D. Flocculation and de-flocculation of suspended matter in estuaries // Neth. J. Sea Res. 1986. Vol. 20 (2/3). P. 183–199.

  28. Fahmy O., Fassieh K.M., Zaki M.A. A numerical model of the wave-induced currents in the turbulent coastal zone // ISRN Civil Engineering. 2013. Vol. 2013. P. 1–7.

  29. Fugate D., Friedrichs C.T. Controls on suspended aggregate size in partially mixed estuaries // Estuarine Coastal Shelf Sci. 2003. Vol. 58. P. 389–404.

  30. Glenn S.M., Grant W.D. A suspended sediment stratification correction for combined waves and current flows // J. Geophys. Res. 1987. Vol. 92 (C8). P. 8244–8264.

  31. Graf W.H. Hydraulics of sediment transport. New York: McGraw-Hill, 1971. 513 p.

  32. Grant W.D., Madsen O.S. Combined wave and current interaction with a rough bottom // J. Geophys. Res. 1979. Vol. 84 (C4). P. 1797–1808.

  33. Hamilton D.P., Mitchell S.F. An empirical model for sediment resuspension in shallow lakes // Hydrobiologia. 1996. Vol. 317. P. 209–220.

  34. Hipsey M.R., Romero J.R., Antenucci J.P., Hamilton D. Computational aquatic ecosystem dynamics model: CAEDYM, v.2.3, Science manual. University of Western Australia: Centre for water research, 2006. 102 p.

  35. Jönsson A. Model studies of surface waves and sediment resuspension in the Baltic sea. Linköping, Sweden: Linköping University, 2005. 55 p.

  36. Jonsson I.G. Wave boundary layers and friction factors // Proceedings of the 10nd International conference on coastal engineering. Tokyo, Japan, ASCE, 1966. P. 127–148.

  37. Kester, D. R. Comparison of recent seawater freezing point data // J. Geophys. Res. 1974. Vol. 79. P. 4555–4556.

  38. Klevanny K.A., Gubareva V.P., Mostamandy M.S.W., Ozerova L.B. Water level forecasts for the Eastern Gulf of Finland // Bull. of the Maritime Institute, Gdansk. 2001. Vol. 28. No. 2. P. 71–87.

  39. Kranenburg C. The fractal structure of cohesive sediment aggregates // Estuarine Coastal Shelf Sci. 1994. Vol. 39. P. 451–460.

  40. Lai Y.G. Two-dimensional depth-averaged flow modelling with an unstructured hybrid mesh // J. Hydraul. Eng. 2010. Vol. 136. P. 12–23.

  41. Levich V.G. Physicochemical hydrodynamics. Englewood Cliffs: Prentice Hall, 1962. 700 p.

  42. Lou J., Schwab D.J., Beletsky D., Hawley N. A model of sediment resuspension and transport dynamics in southern Lake Michigan // J. Geophys. Res. 2000. Vol. 105. P. 6591–6610.

  43. Luettich R.A., Harleman D.R.F., Somlyody L. Dynamic behavior of suspended sediment concentrations in a shallow lake perturbed by episodic wind events // Limnol. Oceanogr. 1990. Vol. 35. P. 1050–1067.

  44. Manning A.J.The development of new algorithms to parameterize the mass settling flux of flocculated estuarine sediments. // Defra Project FD1905. Report TR 145. Rev. 2.0. HR Wallingford, 2004. 48 p.

  45. Maciejewska A., Pempkowiak J. DOC and POC in the water column of the southern Baltic. Part I. Evaluation of factors influencing sources, distribution and concentration dynamics of organic matter // Oceanologia. 2014. Vol. 56. P. 523–548.

  46. Maciejewska A., Pempkowiak J. DOC and POC in the water column of the southern Baltic. Part II – Evaluation of factors affecting organic matter concentrations using multivariate statistical methods // Oceanologia. 2015. Vol. 57. P. 168–176.

  47. Mehta A.J., Partheniades E. An investigation of the depositional properties of flocculated fine sediment // J. Hydraul. Res. 1975. Vol. 13. P. 361–381.

  48. MIKE 21 & MIKE 3 Flow Model FM. Hydrodynamic and Transport Module. Scientific Documentation. Hørsholm, Denmark: DHI, 2012. 50 p.

  49. Mikkelsen O.A., Pejrup M. In situ particle size spectra and density of particle aggregates in a dredging plume // Mar. Geol. 2000. Vol. 170. P. 443–459.

  50. Milligan T.G., Hill P.S.A laboratory assessment of the relative importance of turbulence, particle composition, and concentration in limiting maximal floc size and settling behavior // J. Sea Res. 1998. Vol. 39. P. 227–241.

  51. Molchanov M., Eremina T.R., Neelov I.A. Modeling of suspended matter transport in the Neva Bay and the Eastern part of the Gulf of Finland // Proceedings of the 2ndInternational Conference (school) on Dynamics of Coastal Zone of Non-Tidal Seas. Baltiysk (Kaliningrad Oblast), 26–30 June 2010 / Ed. by B. Chubarenko. Kaliningrad: Terra Baltica, 2010. P. 207–211.

  52. Neumann G., Pierson W.J. Principles of Physical Oceanography. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1966. 545 p.

  53. Neumeier U., Ferrarin C., Amos C.L., Umgiesser G., Li M.Z. SEDTRANS05: An improved sediment-transport model for continental shelves and coastal waters with a new algorithm for cohesive sediments // Computers and Geosciences. 2008. Vol. 34. P. 1223–1242.

  54. Nielsen P. Coastal bottom boundary layers and sediment transport. Advanced series on ocean engineering, 4. Singapore: World Scientific, 1992. 324 p.

  55. Partheniades E. Erosion and deposition of cohesive soils // J. Hydraul. Div. ASCE. 1965. Vol. 91 (HY1). P. 105–139.

  56. Raudkivi A.J. Loose boundary hydraulics. Taylor & Francis, London, 1998. 538 p.

  57. Reid R.C., Prausnitz J.M., Poling B.E. The Properties of Gases and Liquids. 4thed. New York: McGraw-Hill Book Company, 1987. 741 p.

  58. Rodi W. Turbulence models and their application in hydraulics: a state of the art review. Delft, the Netherland: IAHR Publication, 1980. 116 p.

  59. Schlichting H., Gersten K. Boundary-layer theory. Springer, Berlin, 2000. 811 p.

  60. Shore protection manual. U.S. Army engineer waterways experimental station. Coastal engineering research centre. V. I, 4th edition. PO Box 631, Vicksburg, Mississippi 39180, 1984. 652 p.

  61. Signell R.P., Beardsley R.C., Graber H.C., Capotondi A. Effect of wave-current interaction on wind-driven circulation in narrow, shallow embayments // J. Geophys. Res. 1990. Vol. 95. P. 9671–9678.

  62. Smagorinsky J. General circulation experiments with the primitive equations. I. Basic experiment // Monthly Weather Review. 1963. Vol. 91. P. 99–164.

  63. Smith S.J., Friedrichs C.T. Size and settling velocities of cohesive flocs and suspended sediment aggregates in a trailing suction hopper dredge plume // Cont. Shelf Res. 2011. Vol. 31. P. 550–563.

  64. Soulsby R.L. Dynamics of marine sands: a manual for practical applications. HR Wallingford, Thomas Telford Publications, 1997. 253 p.

  65. Stanev E.V., Dobrynin M., Pleskachevsky A., et al. Bed shear stress in the southern North Sea as an important driver for suspended sediment dynamics // Ocean Dynamics. 2009. Vol. 59. P. 183–194.

  66. Teeter A.M., Johnson B.H., Berger C. et al. Hydrodynamic and sediment transport modeling with emphasis on shallow-water, vegetated area (lakes, reservoirs, estuaries and lagoons) // Hydrobiologia. 2001. Vol. 444. P. 1–23.

  67. Ten Brinke W.B.M Settling velocities of mud aggregates in the Oosterschelde tidal basin (The Netherlands), determined by a submersible video system // Estuarine Coastal Shelf Sci. 1994. Vol. 39. P. 549–564.

  68. Van der Lee W.T.B. Temporal variation of floc size and settling velocity in the Dollard estuary // Cont. Shelf Res. 2000. Vol. 20. P. 1495–1511.

  69. Van Leussen W. Estuarine macroflocs and their role in fine-grained sediment transport. PhD Thesis, University of Utrecht. 1994. 488 p.

  70. Winterwerp J.C. A simple model for turbulence induced flocculation of cohesive sediment // J. Hydraul. Res. 1998. Vol. 36. P. 309–326.

  71. Winterwerp J.C. On the flocculation and settling velocity of estuarine mud // Cont. Shelf Res. 2002. Vol. 22. P. 1339–1360.

  72. Ziegler C.K., Nisbet B.S. Long-term simulation of fine-grained sediment transport in large reservoir // J. Hydraul. Eng. 1995. Vol. 121. P. 773–781.

Опубликован
2017-12-28
Раздел
Морская геология, геофизика и геохимия