ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОЗЁРАХ И ВОДОХРАНИЛИЩАХ

ВИДЫ ДВИЖЕНИЯ ВОДЫ В ВОДОЁМАХ

Перемещения частиц воды или некоторых её объёмов вследствие воздействия на неё различных сил называют динамическими процессами. Динамические процессы - это различные виды течений и циркуляции вод, волнение, восходящие и нисходящие токи воды, медленный подъём некоторой массы воды (апвеллинг) и её погружение (<даунвеллинг). Все движения воды сопровождаются её перемешиванием и из-за ограниченности акватории берегами - искривлением (деиивеляцией) водной поверхности и её динамическим колебанием. Совокупность нескольких видов движения воды образует динамическое явление (ветровое волнение, сгон, нагон, сейша, конвекция и т. д.), а закономерное их развитие и взаимодействие, изменяющееся со временем и в пространстве, называют динамическим режимом водоема. Движение воды бывает вынужденное какой-либо силой - гравитацией, трения о водную поверхность воздушного потока. Бывает движение и инерционное, когда после прекращения действия вынуждающей силы, масса воды продолжает движение по инерции.

Кроме того, все динамические процессы делят на:

  • - колебательное движение всей массы воды, или только отдельных слоев, или элементарных объёмов («частиц») воды, которые спустя некоторое время возвращаются в исходное положение;
  • - поступательное движение;
  • -установившееся неизменной скоростью v);
  • - неустановившееся (dv/dt Ф const);
  • -равномерное вдоль направления движения и
  • - неравномерное (dvidx Ф const).

В каждом водоёме разнородные динамические процессы чаще всего протекают одновременно друг с другом, и при взаимодействии одни из них затухают, другие усиливаются и становятся доминирующими в том или ином динамическом явлении.

Совместное одновременное действие нескольких динамических процессов, скорости и направления движения воды в том или ином пункте водоёма формирует сложное явление разномасштабных циркуляционных систем. В современной гидрофизике и гидрологии озёр и водохранилищ сложилось теоретическое представление о многих таких динамических явлениях. Это позволило составить вербальные (словесные) и математические модели, в которых отдельные динамические процессы представлены в «чистом» виде и во взаимодействии с другими процессами. Уже созданы и используются в научных и водохозяйственных целях гидродинамические и гидрологические модели процессов и динамики вод в конкретных водоемах1,2,3, принципы которых рассматриваются в учебных пособиях (Эделыптейн, Даценко, 1998; Даценко, Эдельштейн, 2001).

Водоём можно представить как механическую систему, масса воды в которой стремится к минимуму потенциальной энергии. Это состояние минимального запаса потенциальной энергии наступает тогда, когда водная поверхность горизонтальна, совпадает с уровен- ной поверхностью водоёма. При его стратификации горизонтальны и разноплотностные слои воды. Любое внешнее воздействие на массу воды в водоёме приводит к переходу части энергии в ее кинетическую энергию. Она приводит к перекосу водной поверхности и увеличивает запас потенциальной энергии в водоеме. Этим воздействием масса воды выводится из состояния равновесия, и система снова стремится к минимизации запаса потенциальной энергии путем перехода её излишков в кинетическую энергию движения воды.

Изучение динамических явлений необходимо, чтобы понять распределение в водоёме солнечного тепла, растворенных и взвешенных веществ, понять механизм возникновения плотностной и химической стратификации водоёма. Динамические явления - очень важная составляющая функционирования экосистемы водоёма, биологической продуктивности водоема и качества воды. Поэтому динамика вод - основа гидрологического режима любого водоёма. Исследование динамики имеет важное прикладное значение для про- [1]

гнозирования экологического состояния и качества воды в водохранилищах. Динамические процессы во многих случаях создают опасные явления, которые воздействуют на берега и гидротехнические сооружения, что необходимо учитывать в инженерных расчётах любых гидротехнических сооружений, катеров и судов озёрного класса. Очень важны знания динамических явлений и их прогноз для обеспечения безопасности судоходства на озёрах и водохранилищах.

Для упрощения сложных динамических явлений отдельные динамические процессы формализуются простейшими вербальными моделями. Для них допустимо считать воду однородной по плотности, т. с. в водоёмах баротропных с равномерно нарастающим с глубиной давлением в воде. В динамике баротропных водоёмов принимается, что плотность воды постоянна и равна 1 г/см3, или 1000 кг/м3. В бароклинных водоёмах неравномерное распределение давления обусловлено плотностной неоднородностью воды.

  • [1] Астраханцев Г. П., Егорова Н. Б., Руховец Л. А. Численное моделирование круглогодичной циркуляции глубоких озер // Доклады АН СССР. Т. 296. 1987. - № 6. С. 1331-1334. 2 Руховец Л. А., Астраханцев Г. П., Меншуткин В. В., Минина Т. Р., Петрова Н. А.,Полосков В. Н. Моделирование экосистемы Ладожского озера : результаты и перспективы // Ладожское озеро. - Петрозаводск : Ин-т ВИС РАН, 2000. - С. 405^426. 3 Зиновьев А. Т., Кошелев К. Б., Ловецкая О. В., Марусин К. В. Некоторые вопросыкомпьютерного моделирования гидротермических процессов в озерах и водохранилищах: информационное обеспечение, математические модели, сопоставление сэкспериментом // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов. - Т. I. -Гидро- и геодинамические процессы. - Пермь : ИГУ, 2011. - С. 85-90.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >