Июн 30 2001

Одесский филиал Института биологии южных морей НАН Украины, Одесса, Украина

Опубликовано в 07:07 в категории Экология Черного моря

Комплекс математических моделей для разработки стратегии оздоровления экологической ситуации в пляжной зоне г. Одесса

Ю.С. Тучковенко

Одесский филиал Института биологии южных морей НАН Украины,

Одесса, Украина

Проблема высокого уровня загрязнения  морских вод  в пляжной зоне города Одессы возникает каждое лето и приводит к закрытию многих известных пляжей, что, помимо непосредственной угрозы  здоровью одесситов и отдыхающих, приводит к плохой «славе» Одессы как курортного и рекреационного центра,  снижая приток отдыхающих  в город и снижение доходов от курортного бизнеса. Причина данной ситуации общеизвестна: ограниченный водообмен «ковшов» пляжей с прилегающей частью моря, что обусловлено наличием сплошной стенки волнолома. В настоящее время обмен вод между ковшами и морем происходит лишь в пределах полуметрового приповерхностного слоя между верхней границей стенки волнолома и поверхностью моря.  В результате слабого разбавления чистыми морскими водами на акваториях ковшов происходит накопление загрязняющих веществ, поступающих из ливневой канализации, прилегающих социально-бытовых объектов и непосредственно от отдыхающих. Это приводит к повышению уровня содержания в воде загрязняющих веществ выше предельно-допустимых концентраций, возникновению заморов в придонном слое ковшов, распреснению вод выше критических пределов и гибели организмов бентоса, которые, фильтруя воду, играют  существенную роль в биоочищении морской воды от загрязнений.

О путях решения этой проблемы существует два абсолютно противоположных  мнения:

·   разрушить стенки волноломов и восстановить естественный водообмен пляжной зоны с морем;

·   все оставить как есть, т.к. разрушение волноломов возродит старую проблему – разрушение дренажной системы и береговой зоны в результате оползней.

Однако очевидно, что реальные пути решения этой проблемы должны находится где-то посередине между этими двумя крайними позициями, и учитывать позитивные факторы каждой из них. Наиболее перспективным и экономичным представляется следующее решение:  в пределах каждого пляжа в стенке волнолома  сделать два-три пролома до дна, ширина которых должна, с одной стороны,  обеспечить водообновление в ковше  с интенсивностью достаточной для поддержания качества вод на требуемом экологическими нормативами уровне, а с другой стороны – не допустить прохождения через проломы значимых с точки зрения разрушения берега ветровых волн.

Инженерное обоснование этого решения является очень сложной и комплексной задачей, в которой можно выделить три подзадачи:

·   расчет трансформации параметров ветровых волн в прибрежной зоне моря с учетом влияния на их динамику инженерных сооружений;

·   расчет ветро-волновых течений  в прибрежной зоне моря с учетом конструкции инженерных сооружений для оценки водообновления  в «ковшах»;

·    расчет влияния течений и ветровых волн на литодинамические процессы в прибрежной зоне моря.

Единственным научным подходом, позволяющим решить эту задачу комплексно и обоснованно, является использование методов математического моделирования указанных выше природных процессов. Речь идет о комплексе математических моделей, каждая из которых решает свою частную задачу, но в целом эти модели позволяют достигнуть конечный результат за счет того, что каждая модель использует в качестве исходной информации результаты, полученные с помощью предыдущей модели.

Прежде чем определить конкретную структуру комплекса математических моделей, опишем физические процессы, протекающие в прибрежной зоне моря при наличии подводных волноломов. Условно ее можно разделить на зону прибрежного мелководья и береговую отмель. Согласно [1], прибрежным мелководьем принято считать зону, которая окаймляет сушу и расположена в пределах глубин   (- средняя длина волны; - глубина; - глубина начала разрушения ветровых волн), т.е. со стороны берега ограничена внешней границей прибойной зоны, а со стороны открытого водоема глубинами, начиная с которых на движении штормовых волн ощущается влияние дна. Береговая отмель со стороны берега ограничена урезом воды, а со стороны моря – границей прибрежного мелководья, т.е. охватывает зону, в пределах которой происходит интенсивная трансформация и окончательное разрушение ветровых волн. В случае наличия подводного волнолома зоной прибрежного мелководья по-видимому следует считать участок прибрежной акватории прилегающий к волнолому со стороны моря, а береговой отмелью – участок между волноломом и берегом.

Ширина  зоны  прибрежного   мелководья  в  зависимости  от  уклона  дна   может  изменяться  от  нескольких  десятков  метров  до  нескольких  километров. Процессы  переноса вод  в  этой  зоне  практически  полностью  определяются  ветровыми  и  волновыми  течениями. Для  нее  характерны  следующие процессы: рефракция  ветровых волн; постепенный  переход  круговых  волновых орбит  в  эллиптические  или  удлиненных  циклоидальных  траекторий в укороченные; постепенный  разворот  дрейфовых  течений  косого  направления (к  берегу) и переход  их во  вдольбереговые  течения; формирование   в  условиях  подхода ветровых волн по нормали к берегу компенсационных течений в виде распластанного потока или сосредоточенной струи, охватывающей всю толщу воды; постепенное увеличение турбулизации вод по мере продвижения к берегу в связи с разрушением забурунивающихся гребней волн; взаимодействием дрейфового и компенсационного течений, увеличением шероховатости дна и т.п.

Над береговой отмелью наиболее отчетливо выражены следующие характерные черты: интенсивно забурунивающиеся волны завершают процесс рефракции, окончательно разрушаются и образуют поток наката; волновые колебания частиц имеют характер возвратно-поступательных движений, а траектории движений в условиях вдольберегового течения похожи на сплющенные спирали или зигзагообразные кривые; перенос вод происходит за счет энергии разрушающихся волн и осуществляется преимущественно вдоль берега при косом подходе волн к отмели или в сторону моря в виде сосредоточенных и распластанных струй при подходе волн по нормали к линии берега; турбулизация вод достигает наибольшего развития преимущественно за  счет   забурунивания и разрушения волн, а также концентрации возвратно-поступательного волнового потока и взаимодействия его с вдольбереговым  и компенсационным течениями; под действием волновых колебательных движений и переносных течений происходит интенсивное взмучивание твердых частиц и возникают такие аккумулятивные формы, как знаки ряби, рифели, подводные валы, косы и т.п.; под действием течений происходит перенос наносов вдоль берега и частичный их вынос в сторону моря.

Таким образом, динамика вод в прибрежной зоне моря определяется тремя составляющими: энергетическими течениями, возникающими под действием трансформирующихся и разрушающихся волн, дрейфовыми и градиентными ветровыми течениями. Для полноты описания гидродинамических процессов, обуславливающих водообмен в прибрежной зоне моря ограниченной волноломом, необходимо использовать два вида моделей: эволюции параметров ветрового волнения и ветро-волновой динамики  вод на мелководье.

Для оценки параметров ветрового волнения в прибрежной зоне моря в зависимости от ветровых условий, батиметрии района и течений, целесообразно использовать  численную волновую модель третьего поколения  SWAN (Simulating Waves Nearshore), разработанную в Delft University (Нидерланды).   Помимо того, что в этой  модели с достаточной для практических целей точностью учитываются все наиболее важные процессы связанные с генерацией, распространением и диссипацией ветровых волн в прибрежной зоне моря, она также позволяет учитывать влияние на распространение волн препятствий подсеточного масштаба и оценить волновой нагон. 

Ветро-волновая циркуляция вод в прибрежной зоне моря может быть описана с помощью осредненных по глубине и периоду ветровых волн уравнений Рейнольдса [2]:

 , (1)

,  (2)

,                                                                                        (3)

где  оси  x  и y направлены соответственно во вдольбереговом и поперечном направлениях; t - время; U  и V – осредненные по глубине компоненты скорости течений по осям x и  y, соответственно; x - возвышение уровня свободной поверхности;  - локальная глубина; - расстояние от дна до некоторой поверхности отсчета, характеризующей невозмущенный уровень водоема; - средняя плотность воды; - параметр Кориолиса; g- ускорение свободного падения;  компоненты волновых радиационных напряжений, определяемые в модели SWAN либо рассчитываемые на основе данных о характеристиках ветрового волнения в каждой точке расчетной области; - поперечная компонента тензора турбулентных напряжений потока, зависящая от волнения и течений;  и  - компоненты тангенциальных напряжений на дне потока, также зависящие от характеристик ветрового волнения;  и - компоненты тангенциальных напряжений ветра на свободной поверхности.

          Изложенная гидродинамическая модель (в комплексе с моделью SWAN) может быть использована как для расчета обновления вод в пляжных ковшах, так и для оценки транспорта взвешенных и донных наносов в прибрежной зоне. Для этого модель должна быть дополнена литодинамическим блоком.

          Важным дополнением к описанному  комплексу моделей являются две прикладные модели  US Army Corps of Engineers :  Sbeach (Numerical Model for Simulating Storm-Induced Beach Change) и  Genesis  (GENEralised Model for Simulating Shoreline Change).

Модель Sbeach предназначена для расчета эрозии пляжей, вызванной штормовыми волнами и волновым нагоном.  Основывается на использовании эмпирических зависимостей. Позволяет рассчитывать эволюцию береговых профилей при прохождении штормов.

Модель  Genesis предназначена для расчета долговременных (от 1 до 100 месяцев) изменений береговой линии при строительстве различных инженерных сооружений в прибрежной зоне моря за счет транспорта наносов.

Описанный выше модельный комплекс имеется в Одесском филиале Института биологии южных морей и в случае наличия финансовой поддержки со стороны заинтересованных организаций может быть адаптирован к условиям пляжной зоны города Одессы.

Литература:

1. Судольский А.С. Динамические явления в водоемах.- Л: Гидрометеоиздат, 1991.- 261С.

2. Иванов В.А., Михинов А.Е., Лукьянов Ю.П., Баклановская В.Ф., Чечель И.И., Ковешников Л.Л. Динамика наносов в прибрежной зоне южного берега Крыма.- Препринт МГИ АН Украины, Севастополь, 1993.- 37с.

The complex of mathematical models for development of the strategy of environmental sanitation of an ecological situation in beach zone of Odessa city

Yuriy S. Tuchkovenko

Odessa Branch Institute of Biology of  Southern Seas a  National Academy of Sciences of Ukraine

The description of the complex of mathematical models is given which can be applied for development of the scientifically reasonable measures with the purpose of enriching quality of waters in beach zone of city.

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.