Моделирование сезонной и синоптической изменчивости гидрологических полей Енисейского эстуария

Изучение гидрологического режима арктических эстуариев, как правило, направлено на решение конкретных научных, экологических, природоохранных и других хозяйственных задач. Постоянное расширение хозяйственной деятельности в бассейнах арктических рек приводит к изменениям в гидрологическом режиме их эстуариев. Подверженными сильному антропогенному влиянию оказываются элементы водного режима Енисейского эстуария и прибрежной части моря. Это обусловливается усилением водопотребления на промышленные и коммунальные нужды, сбросом сточных вод, безвозвратным изъятием части стока на заполнение водохранилищ и внутригодовым перераспределением стока действующими ГЭС. Изучение гидрологического режима в условиях его постоянного изменения требует большого количества все время обновляющейся натурной информации. Ее получение, как правило, сопряжено с большими трудностями, особенно в условиях сокращения сетевых наблюдений и свертывания экспедиционных исследований. Данных для их статистического обобщения очень мало. Провести же натурные измерения для режима, неподверженному антропогенной нагрузке, уже просто невозможно. Поэтому все более и более актуальным становится привлечение к исследованиям гидрологического режима Енисейского эстуария имитационных математических моделей, способных по немногочисленной натурной информации выдать сведения о гидрологических полях в течении года, как при современном уровне антропогенной нагрузки, так и в отсутствии таковой, а так же на будущее при наличии прогноза развития хозяйственной деятельности в бассейне реки.

Цель работы состоит в том, чтобы посредством математического моделирования выявить основные закономерности изменчивости гидрологических полей Енисейского эстуария, обусловленной воздействием как гидрологических процессов на его границах, так и метеорологических процессов над его акваторией сезонного и синоптического масштабов.

Существующий объем наблюдений не позволяет детально выявить влияние затока морской воды в эстуарий на характер стока из него в море, на распределение стока по проливам, на распределение скоростей течения, на поле уровня и многие другие характеристики гидрологических полей. Не вполне ясен вклад различных факторов в изменчивость этих полей, что чрезвычайно важно для разработки или совершенствования методов гидрологического прогноза по этому региону. Все эти проблемы удобно решать, используя метод математического моделирования. Особенно полезен этот метод при оценке возможных последствий антропогенных воздействий на гидрологические процессы.

Поскольку даже наиболее полные математические модели гидрологических процессов Енисейского эстуария содержат некоторые упрощения, то необходимо их устранить в той мере, в какой требуется воспроизвести модельный образ реального процесса и составить усовершенствованную модель.

Итак, объектом исследования является Енисейский эстуарий, включающий в себя устьевое взморье от морского края дельты до морского створа реки. Предметом исследования являются протекающие в нем гидрологические процессы, формирующие соответствующие поля. Методика исследования предусматривает использование метода системного подхода, включающего в себя выделение системы, ее состава и структуры, математическое описание системы, реализацию математической модели для ЭВМ, ее калибровку и верификацию, а также ее анализ.

Состав исследования включает изучение особенностей как внутренних связей системы, так и реакций системы на внешние воздействия сезонного и синоптического масштабов, включая антропогенные изменения стока.

В первой главе приводится краткая физико-географическая характеристика исследуемого объекта, дается анализ изученности элементов гидрологического режима Енисейского эстуария. Показано, что, несмотря на значительный объем имеющихся исследований, дальнейшее изучение объекта требует применения метода комплексного описания объекта, а именно метода математического моделирования. Однако, как показал анализ, моделироваться должен не объект, а система, этот объект включающая. До настоящего времени в полной мере этого сделано не было. По результатам обзора сформулированы конкретные задачи, подлежащие решению.

Вторая глава посвящена разработке региональной модели Енисейского эстуария. В ней сделан выбор математической модели, дается выделение системы Енисейского эстуария, приведена формулировка трехмерной комплексной математическая модели гидрологических процессов в Енисейском эстуарии, приведены результаты калибровки модели и верификационных расчетов.

Третья и четвертая главы содержат анализ результатов моделирования гидрологических полей в сезонном и синоптическом масштабах времени соответственно. В третьей главе на результатах моделирования показано влияние сезонной изменчивости речного стока на циркуляцию вод, термогалинные и ледовые условия Енисейского эстуария. Здесь также сделаны оценки воздействия антропогенного внутригодового перераспределения речного стока на основные элементы гидрологического режима. Четвертая глава раскрывает некоторые особенности изменчивости гидрологических полей Енисейского эстуария под влиянием синоптических процессов. Здесь рассматривается воздействие синоптической изменчивости интегрального потока массы со стороны моря, температуры воздуха и воды.

Полученный разрешающий оператор модели гидрологических процессов Енисейского эстуария позволяет рассчитывать динамику гидрологических характеристик в сезонном и синоптическом масштабах соответствующую входным данным. Это дает возможность исследовать их пространственно-временные закономерности. Модель может быть расширена увеличением числа описываемых процессов, например, переносом и трансформацией примесей. Также модель может быть перенесена на другие арктические эстуарии и использована для изучения их гидрологических процессов.

Работа выполнялась в Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте в рамках плановых НИР, НТП 2 «Исследовать гидрологические процессы, формирующие изменчивость и аномальные явления в системе „эстуарии — арктические моря — Арктический бассейн“, и разработать модели сезонной и межгодовой изменчивости», проект 5.15 ИПМО «Комплексное исследование гидрололго-экологического состояния устьев рек российских арктических морей. Оценка воздействия природных и антропогенных чрезвычайных экологических ситуаций на эстуарии и прибрежные зоны.».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Енисейский эстуарий представляет собой переходную зону между рекой и морем, в которой происходит взаимодействие и трансформация их вод. Дальность затока морской воды в эстуарий зависит не только от разности плотностей воды на морском и речном створах участка, речного стока и уровня моря, но и от плотностной стратификации воды и от сопротивления движению воды у дна и у поверхности воды — будь это лед или открытая вода. В свою очередь, последние определяются температурой и соленостью воды. Поэтому для определения интрузии морской воды необходимо знать поля температуры и солености воды, зависящие от атмосферных воздействий и речного стока, знать время образования и распространения ледяного покрова, его разрушения. Все перечисленные динамические и термогалинные поля и их изменчивость имеют и самостоятельное значение, определяющее гидрологическое состояние эстуария. Это приводит к необходимости использования комплексной трехмерной модели. Однако имеющаяся к настоящему времени трехмерная модель, учитывающая указанные механизмы /31/, по ряду причин не может быть использована как есть. Поэтому в нее были внесены изменения и дополнения, так чтобы она в наибольшей степени отражала систему Енисейского эстуария. Во-первых, в отличие от модели /31/ использующей квазигеострофическое приближение, сформулированная модель включает полную нестационарную постановку уравнений движения. Во-вторых, добавлен учет многосвязанности расчетной области, что очень важно из-за наличия острова Сибирякова в Енисейском эстуарии, не позволяющим по причине больших размеров и местоположения каким-либо образом его игнорировать. Для пространственного выделения системы Енисейского эстуария были использованы количественные вероятностные оценки.

Модель была калибрована в условиях годовых изменений среднемноголетних значений граничных условий. Дальнейшая ее проверка на материале трех конкретных лет показала, что модель может быть использована при проведении исследований и выявлении закономерностей гидрологических процессов.

Учет влияния острова Сибирякова на динамику потоков впервые позволяет оценить водообмен в проливах Овцына и Восточном в течение года, что практически нереально сделать путем проведения натурных наблюдений. Моделирование показало, что для средних условий водности года в половодье 78% стока выносится через Восточный пролив, а в зимнюю межень 58% через пролив Овцына. Суммарный годовой сток через эти проливы примерно одинаковый и может увеличиваться или уменьшаться в том или другом проливе в зависимости от вклада половодья в годовой сток реки. Это обстоятельство в некоторой степени определяет формирование ареалов распространения речных вод в Карском море, типы которых описаны в /49, 96/. Кроме того, было установлено, что заток морской воды в эстуарий приводит к увеличению стока на морском створе эстуария. Так суммарный годовой сток, разумеется, уже осолоненных вод, там оказывается в 1.5 раза больше чем сток реки. Это необходимо учитывать при задании граничных условий в моделях Карского моря.

Исследование результатов моделирования при различной водности Енисея показало, что максимальная дальность затока морской воды в эстуарий слабо зависит от величины годового стока. Как правило, к февралю клин солоноватых вод достигает своего предельного положения, однако наполнение эстуария более солеными водами происходит до конца зимней межени, когда между притоком пресных вод со стороны реки и турбулентным переносом соли из нижних слоев потока устанавливается равновесие.

В половодье прослеживаются наибольшие отличия в дальности интрузии для лет различной водности. Большей водности года соответствует наименьшая дальность интрузии. Эта зависимость сохраняется не только при выносе соленых вод в море, но при продвижении галоклина в глубь эстуария. Более детальное исследование термогалинной структуры на основе модельных данных позволяет проследить процессы в зоне гидрофронта в различные периоды года, включая переходные. Так показано, что в период образования льда термогалинная структура определяется не только водностью реки и осенним выхолаживанием, но и их совместным действием. Результаты моделирования также показали, что реакцией системы Енисейского эстуария на водность реки является изменение сроков наступления ледовых фаз. Наиболее подверженным влиянию водности оказывается район севернее о. Крестовский, разность в сроках, определяемая исключительно водностью реки, здесь может достигать нескольких суток.

Моделирование с гидрографами стока, соответствующими различным уровням хозяйственной деятельности в бассейне Енисея, показало, что термогалинная структура претерпела изменения в течение всего года. Перераспределение стока привело к сдвигу наступления ледовых фаз на приглубом устьевом взморье на более поздний срок, наиболее сильно это проявляется при очищении ото льда. Дальнейшее регулирование стока приведет к еще большим изменениям как в термогалинной структуре, так и в ледовом режиме. При хозяйственной деятельности на уровень 2025 г. очищение будет происходить позже на срок до полумесяца, изменится водообмен в проливах Овцына и Восточном в соответствии с вышеописанными закономерностями.

С помощью моделирования изучалась реакция гидрологических полей Енисейского эстуария на процессы синоптического масштаба. Рассматривалось воздействие синоптической изменчивости интегрального потока воды через морскую границу, температуры воздуха и воды.

Моделирование показало, что возмущения синоптического масштаба интегрального потока массы на северной границе области моделирования распространяются на весь галоклин, уменьшаясь постепенно по величине и запаздывая по фазе. Летом эти возмущения не распространяются южнее о. Сибирякова, а зимой прослеживаются до верховьев эстуария. Возмущения передаются за счет горизонтального градиента давления, а скорость распространения массы воды имеет величину порядка см/с.

В соответствии с перемещениями галоклина изменяются его характеристики, из которых наиболее заметны изменения солености. Летом они прослеживаются до о. Сибирякова, а зимой — до верховьев эстуария. Посредством моделирования удается воспроизвести заполнение понижений дна плотной соленой водой, которая в них остается при отходе галоклина, постепенно трансформируясь за счет турбулентного обмена с вышерасположенной водой.

Оценка посредством моделирования влияния изменений теплообмена с атмосферой синоптического масштаба на температуру воды показала, что оно довольно существенное. В экспериментах фиксировалось не само поле температуры, а дата наступления 0 °C, то есть дата замерзания воды. Эта характеристика более четко представляется на рисунках и имеет важное практическое применение. Оказалось, что масштаб вариаций сроков замерзания эстуария таков же, как и масштаб возмущений суммарного теплообмена с атмосферой относительно климатического. При этом какой-либо заметной зависимости дат начала замерзания эстуария от величины речного стока не выявлено.

Модельные эксперименты с вариациями температуры воды синоптического масштаба, поступающей в эстуарий через его южную и северную границы показали, что вследствие малых скоростей движения массы воды эти аномалии за заданный интервал времени распространяются на небольшие расстояния от границ. Такие оценки проведены на основании определения дат достижения водой сроков замерзания. На основной части поверхности эстуария изменений сроков его замерзания практически не произошло при таких вариациях температуры поступающей воды.

Аномалии температуры воздуха и радиационного баланса в синоптическом масштабе времени относительно слабо влияют на рост и таяние льда, поскольку за такие интервалы времени изменения толщины льда небольшие. Действие положительных и отрицательных аномалий вызывает противоположные по знаку изменения толщины льда и за более или менее продолжительный период времени их суммарный эффект в значительной степени нивелируется. Гораздо существеннее на рост толщины льда влияет аномалия снежного покрова на льду. Однако ее вряд ли можно отнести к процессам синоптического масштаба, т.к. она обычно сохраняется длительное время.

При моделировании изменчивости синоптического масштаба движения льда в период ледохода внимание обращалось на формирование зон сплоченного льда. Из-за специфики очертаний эстуария и переноса льдов течением сплочения льда возникают лишь на отдельных локальных его участках. Существуют эти скопления льда относительно короткое время. Нигде не возникли скопления льда, которые перекрывали бы весь эстуарий.

Итак, результаты моделирования позволили уточнить характер влияния внешних факторов в сезонном и синоптическом масштабах на гидрологические процессы, а также получить некоторые количественные оценки. Особенно важным в этом отношении являются оценки возможных последствий при антропогенных воздействиях на сток реки. Можно также отметить, что полученная модель обладает большими возможностями при воспроизведении гидрологических полей, явлений или процессов, чем немногочисленные натурные наблюдения, а также двумерные профильные модели и предшествующая трехмерная. По сравнению с последними модель гораздо более адекватно воспроизводит Енисейский эстуарий и его гидрологические поля. Это позволяет, с одной стороны, правильнее калибровать модель на основе натурных данных и получать более верную информацию, с другой стороны, дает возможность получить такие сведения о гидрологических полях и процессах, которые попросту не воспроизводятся предшествующими моделями либо получение которых путем прямых натурных измерений затруднительно.

Модель может быть расширена путем увеличения описываемых ею процессов. Программа модели написана с использованием технологии объектно-ориентированного программирования, то есть имеет такую структуру, которая позволяет, используя основной гидрологиический объект, с легкостью создавать новые объекты-потомки и внедрять в них дополнительные составляющие. Таким образом в модель могут быть включены процессы переноса и осаждения взвеси, а также переноса и трансформации какой-либо примеси (загрязняющего вещества). Кроме того, модель реализовывалась с возможностью задания любой расчетной области без дополнительных изменений в программе. Это позволяет переносить модель на другие арктические эстуарии и использовать ее для их изучения.