Численное исследование влияния расхода воды на уровенный режим в устьевой области Дона

А. Л. Чикин1,✉, А. В. Клещенков1, Л. Г. Чикина2

1 Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук, Ростов-на-Дону, Россия

2 Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, Россия

✉ e-mail: chikin1956@gmail.com

Аннотация

Цель. Цель данной работы – установление закономерностей формирования уровенного режима в русловом и дельтовом участках долины Дона при различных объемах речного стока и уровнях воды в Таганрогском заливе.

Методы и результаты. Приводится описание математической модели течения в дельтовой части реки Дон. Рассматривается русло из нескольких рукавов при впадении в принимающий водоем – Таганрогский залив. Модель описывается системой уравнений Сен-Венана, которая решается конечно-разностными методами. Аппроксимация уравнений проводится на четырехточечном шаблоне, что приводит к системе линейных уравнений с пятидиагональной матрицей. Для разных по величине расходов воды подобраны коэффициенты шероховатости. Приведено сравнение расчетных значений расхода воды и скорости течения с наблюдаемыми значениями при разных сгонах воды в Таганрогском заливе. Получены результаты численного исследования влияния величины расхода в вершине устьевой области на величину уровня поверхности воды в русле при разных уровнях в принимающем водоеме. Численно установлено, что величина расхода оказывает существенное влияние на уровенную поверхность в основном русле Дона. Однако расход почти не влияет на уровень в дельтовой части реки. В то же время уровень воды в Таганрогском заливе существенно влияет на уровенную поверхность в рукавах дельты и не оказывает влияние на вершинную часть русла.

Выводы. Вычислительные эксперименты с использованием математической модели показали, что на участке устьевой области выше первого узла дельты Дона существенное влияние на уровенную поверхность оказывает расход воды, на нижележащем участке – уровень воды в Таганрогском заливе.

Ключевые слова

русловой поток, дельта реки, уравнения Сен-Венана, математическая модель, сгонно-нагонные колебания, вычислительный эксперимент

Благодарности

Работа подготовлена в рамках реализации государственного задания ЮНЦ РАН, № госрегистрации проекта АААА-А18-118122790121-5. Расчеты выполнены на кластере ЦКП «Высокопроизводительные вычисления».

Для цитирования

Чикин А. Л., Клещенков А. В., Чикина Л. Г. Численное исследование влияния расхода воды на уровенный режим в устьевой области Дона // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 4. С. 355–366. EDN MTFSEY. doi:10.22449/0233-7584-2019-4-355-366

Chikin, A.L., Kleshchenkov, A.V. and Chikina, L.G., 2019. Numerical Study of the Water Flow Effect on the Water Level in the Don Mouth. Physical Oceanography, 26(4), pp. 316-325. doi:10.22449/1573-160X-2019-4-316-325

DOI

10.22449/0233-7584-2019-4-355-366

Список литературы

  1. Михайлов В. Н. Устья рек России и сопредельных стран: прошлое, настоящее и будущее. М. : ГЕОС, 1997. 413 с.
  2. Филиппов Ю. Г. О влиянии стока р. Дон на уровень воды в Таганрогском заливе // Метеорология и гидрология. 2015. № 2. С. 76–80.
  3. Остроумова Л. П. Исследование нагонных и сгонных явлений в морских устьях рек на примере устьевой области р. Дон // Метеорология и гидрология. 2017. № 12. С. 69–82.
  4. Симов В. Г. Гидрология устьев рек Азовского моря. М. : Гидрометеоиздат, 1989. 328 с.
  5. Мишин Д. В., Полонский В. Ф. Исследование нестационарных водных потоков в неприливном устье реки Дон // Труды государственного океанографического института. 2013. № 214. С. 166–179.
  6. Матишов Г. Г., Григоренко К. С. Причины осолонения Таганрогского залива // Доклады Академии наук. 2017. Т. 477, № 1. С. 92–96.
  7. Матишов Г. Г., Ковалева Г. В., Ясакова О. Н. Аномальное осолонение в Таганрогском эстуарии и дельте Дона // Наука Юга России (Вестник Южного научного центра). 2016. Т. 12, № 1. C. 43–50.
  8. Матишов Г. Г., Ермолаев А. И. Мир каравайки и взморья глазами донских казаков. Ростов-на-Дону : Изд-во ЮНЦ РАН, 2017. 224 с.
  9. Drivers and impacts of water level fluctuations in the Mississippi River delta: Implications for delta restoration / M. Hiatt [et al.] // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 2019. Vol. 224. P. 117–137. https://doi.org/10.1016/j.ecss.2019.04.020
  10. Metal fate and effects in estuaries: A review and conceptual model for better understanding of toxicity / A. A. de Souza Machado [et al.] // Science of the Total Environment. 2016. Vol. 541. P. 268–281. doi:10.1016/j.scitotenv.2015.09.045
  11. Михайлов В. Н., Рогов М. М., Чистяков А. А. Речные дельты. Гидролого-морфологи-ческие процессы. Л. : Гидрометеоиздат, 1986. 280 с.
  12. Polonskii V. F., Ostroumova L. P. Probabilistic Estimates of Water Level in the Ural River Mouth Reach at Interaction between the River Runoff and Positive Setups // Water Resources. 2002. Vol. 29, iss. 5. P. 497–505. https://doi.org/10.1023/A:1020365512557
  13. Сгонно-нагонные колебания уровня воды устьевой области Дона: численное моделирование и сценарии изменения / А. Л. Чикин [и др.] // Наука Юга России. 2017. Т. 13, № 3. С. 39–49.
  14. Грушевский М. С. Волны попусков и паводков в реках. Л. : Гидрометеоиздат, 1969. 337 с.
  15. Корень В. И. Математические модели в прогнозах речного стока. Л. : Гидрометеоиздат, 1991. 197 с.
  16. Атлас единой глубоководной системы Европейской части РФ. Том 8. Часть 2. Волго-Донской водный путь. От Волгодонска до устья Дона. СПб. : Волго-Балт, 2006. 40 с.
  17. Amein M., Fang C. S. Implicit Flood Routing in Natural Channels // Journal of the Hydraulics Division. 1970. Vol. 96, iss. 12. P. 2481–2500.
  18. Fread D. L. Numerical Properties of Implicit Four-Point Finite Difference Equations of Unsteady Flow. NOAA Technical Memorandum NWS Hydro-18. Silver Spring, MD : U.S. Department of Commerce, NOAA, 1974. 123 p. URL: https://www.nws.noaa.gov/oh/hdsc/Technical_memoranda/TM18.pdf (дата обращения: 04.01.2019).
  19. Форсайт Дж., Молер К. Численное решение систем линейных алгебраических уравне-ний / Пер. с англ. В. П. Ильина и Ю. И. Кузнецова. М. : Мир, 1969. 167 с.
  20. Шевердяев И. В. Исследование шероховатости русел дельты Дона на основе наблюде-ний колебаний уровня в мае 2018 года // Экология. Экономика. Информатика. Серия: Системный анализ и моделирование экономических и экологических систем. Ростов-на-Дону : Изд-во ЮНЦ РАН, 2018. Т. 1, вып. 3. С. 276–279. doi:10.23885/2500-123x-2018-2-3-49-57

Скачать статью в PDF-формате