hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.7868/S2073667321020088hydrophysics-81Research ArticleГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ И БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПОЛЯ И ПРОЦЕССЫHYDROPHYSICAL AND BIOGEOCHEMICAL FIELDS AND PROCESSESЧисленное моделирование массопереноса в проточном водоемеMathematical Modeling of Mass Transfer in a Flowing ReservoirРахубаА. В.RakhubaA. V.

445003, ул. Комзина, д. 10, г. Тольятти

445003, Komzina Str., 10, Togliatti

rahavum@mail.ruШмаковаМ. В.ShmakovaM. V.

196105, Севастьянова, д. 9, г. Санкт-Петербург

196105, Sevastyanova Str., 9, St. Petersburg

КондратьевС. А.KondratyevS. A.

196105, Севастьянова, д. 9, г. Санкт-Петербург

196105, Sevastyanova Str., 9, St. Petersburg

Самарский федеральный исследовательский центр РАН, Институт экологии Волжского бассейна РАНРоссияSamara Federal Research Scientific Center of RAS, Institute of Ecology of the Volga River Basin of RASRussian FederationИнститут озероведения Российской академии наук – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук»РоссияInstitute of Limnology of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2021301120211428997Copyright © Рахуба А.В., Шмакова М.В., Кондратьев С.А., 20212021Рахуба А.В., Шмакова М.В., Кондратьев С.А.Rakhuba A.V., Shmakova M.V., Kondratyev S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/81

Представлена модель массопереноса в Куйбышевском водохранилище, разработанная на основе системы уравнений «мелкой воды», модели конвективно-диффузионного переноса растворенного вещества, а также аналитических формул для расчета общего расхода наносов и мутности воды. Модель была использована для оценки геоэкологического состояния Куйбышевского водохранилища в части качества воды. Оценка параметров модели выполнена с применением данных натурных изменений в пунктах мониторинга. Проведена серия имитационных расчетов течений в акватории водохранилища, распространения шлейфов вод притоков и переноса взвешенных частиц при различных гидрометеорологических ситуациях в условиях средней водности. Показано, что скорости и траектории распространения речных водных масс зависят как от наличия ветровой циркуляции течений, так и от режима стока в акватории. Формирование пространственной конфигурации шлейфов речных вод в плёсовых районах водохранилища определяется скоростью и направленностью циркуляционных ветровых течений. Значения удельного расхода наносов в водохранилище при сильных ветрах меняются на порядок. В результате решения поставленной задачи продемонстрированы возможности представленной модели и дана оценка распространения растворенной примеси (возможно загрязненной), а также транспорта и переотложения речных наносов в различных точках акватории при различных гидрометеорологических условиях.

The paper presents a model of mass transfer in the Kuibyshev Reservoir, developed on the basis of a system of equations of “shallow water”, a model of convective-diffusion transfer of a dissolved substance, as well as analytical formulas for calculating the total sediment discharge and water turbidity. The model was used to assess the geoecological state of the Kuibyshev Reservoir in parts of water quality. The model parameters were evaluated using data from field changes at monitoring points. A series of simulation calculations of flows in the water area of the reservoir, the spread of tributary water plumes and the transport of suspended particles in various hydrometeorological situations in the conditions of average water content was carried out. It is shown that the velocity and trajectory of river water mass distribution depend on both the presence of wind circulation of currents and the flow regime in the water area. The formation of the spatial configuration of river water plumes in the plyos areas of the reservoir is determined by the speed and direction of circulating wind currents. The values of the specific discharge of sediment in the reservoir during strong winds change by an order of magnitude. As a result of solving this problem, the capabilities of the presented model are demonstrated and the estimation and forecast of the distribution of dissolved admixture (possibly contaminated), as well as the transport and re-deposition of river sediments in different points of the water area under different hydrometeorological conditions are given.

математическое моделированиеобщая минерализацияКуйбышевское водохранилищерасход наносовмутность водыmathematical modelingreservoirshallow water equationsconvective-diffusion transfersediment flowwater turbidityРабота выполнена при финансовом обеспечении за счет средств федерального бюджета в рамках темы № 0154–2019–0001 «Комплексная оценка динамики экосистем Ладожского озера и водоемов его бассейна под воздействием природных и антропогенных факторов» и темы № АААА-А17-117112040039-7 «Разработка системы управления антропогенным эвтрофированием водохранилищ Средней и Нижней Волги».ReferencesШироков В.М. Режим прозрачности и мутности воды Куйбышевского водохранилища // Сборник работ Комсомольской гидрометеорологической обсерватории. Вып. II. 1962. С. 173–199.Shirokov V.M. Regime of transparency and turbidity of water in the Kuibyshev Reservoir. Sbornik Rabot Komsomol’skoj Gidrometeorologicheskoj Observatorii. 1962, II, 73–199 (in Russian).Чигиринский П.Ф. О течениях в Куйбышевском водохранилище на основании четырехлетних наблюдений // Сборник работ Комсомольской гидрометеорологической обсерватории. Вып. II. 1962. С. 200–233.Chigirinsky P.F. About currents in the Kuibyshev Reservoir based on Four-year observations. Sbornik Rabot Komsomol’skoj Gidrometeorologicheskoj Observatorii. 1962, II, 200–233 (in Russian).Поддубный С.А. О генерации мезомасштабных вихрей на участке русло-затопленная пойма в северной части Куйбышевского водохранилища // Биология внутренних вод: информационный бюллетень. 1991. № 90. С. 92–96.Poddubny S.A. About the generation of mesoscale vortices in the channel-flooded floodplain section in the Northern part of the Kuibyshev Reservoir. Biologiya Vnutrennih Vod: Informacionnyj Byulleten’. 1991, 90, 92–96 (in Russian).Ивлентиев В.С., Козина Л.Н. Математическое моделирование гидродинамики Волжского каскада гидросооружений // Вестник НГИЭИ. 2015. № 6 (49). С. 44–48.Islentiev V.S., Kozina L.N. Mathematical modeling of the hydrodynamics of the Volga cascade of hydraulic structures. Vestnik NGIEI. 2015, 6 (49), 44–48 (in Russian).Даценко Ю.С. Модельный расчет реакции Куйбышевского водохранилища на точечные загрязнения // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов. Труды VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием: в 3-х т. 2019. С. 59–63.Datsenko Yu.S. Model calculation of the reaction of the Kuibyshev Reservoir to point pollution. Sovremennye Problemy Vodohranilishch i ih Vodosborov. 2019, 59–63 (in Russian).Пуклаков В.В., Даценко Ю.С. Моделирование гидрологического режима Куйбышевского водохранилища // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов. Труды VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием: в 3-х т. 2019. С. 160–166.Puklakov V.V., Datsenko Yu.S. modeling of the hydrological regime of the Kuibyshev Reservoir. Sovremennye Problemy Vodohranilisch i ih Vodosborov. 2019, 160–166 (in Russian).Рахуба А.В., Шмакова М.В. Математическое моделирование динамики заиления как фактора эвтрофирования водных масс Куйбышевского водохранилища // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2015. Т. 17, № 4. С. 189–193.Rakhuba A.V., Shmakova M.V. Mathematical modelling of dynamics of sedimentation as a factor in eutrophication of the water mass of Kuibyshev Reservoir. Izvestiya Samarskogo Nauchnogo Centra Rossijskoj Akademii Nauk. 2015, 17, 4, 89–193 (in Russian).Рахуба А.В. Пространственно-временная изменчивость качества вод Саратовского водохранилища в условиях неустановившегося гидродинамического режима: натурные эксперименты и численное моделирование. Дис. … канд. техн. наук. Екатеринбург: ФГУП РосНИИВХ, 2007. 188 с.Rakhuba A.V. Spatial-temporal variability of the water quality of the Saratov Reservoir under conditions of an unsteady hydrodynamic regime: field experiments and numerical modeling. Cand. Tehn. Sci. Diss. Ekaterinburg, 2007. 188 p. (in Russian).Рахуба А.В. Опыт использования измерительно-вычислительной системы «Хитон-Волна» в гидроэкологических исследованиях прибрежной акватории г. Тольятти // Экологические проблемы промышленных городов. Сборник 8-й Международной научно-практической конференции. Саратов, 2017. С. 484–488.Rakhuba A.V. Experience in using the “Hiton-Volna” measuring and computing system in hydroecological studies of the coastal waters of Tolyatti. In the collection: Environmental problems of industrial cities. Collection of the 8th International scientific and practical conference. Saratov, Izd-vo SGTU, 2017, 484–488 (in Russian).Рахуба А.В., Шмакова М.В. Численное моделирование заиления приплотинного плеса Куйбышевского водохранилища речными наносами // Метеорология и гидрология. 2018. № 1. С. 35–48.Rakhuba A.V., Shmakova M.V. Numerical simulation of siltation of the Kuibyshev Reservoir’s floodplain by river sediments. Meteorologiya i Gidrologiya. 2018, 1, 35–48 (in Russian).Шмакова М.В. Расчеты твердого стока рек и заиления водохранилищ. СПб.: Издательство ВВМ, 2018. 149 с.Shmakova M.V. Calculations of solid river flow and siltation of reservoirs. SPb, Izdatel`stvo VVM, 2018. 149 p. (in Russian).Wu Weiming. Computational River Dynamics. CRC Press, 2007. 509 p.Wu Weiming. Computational river dynamics. CRC Press, 2007. 509 p.Марчук Г.И. Методы вычислительной математики: учеб. пособие. М.: Наука, 1989. 608 с.Marchuk G.I. Methods of computational mathematics. Moscow, Nauka, 1989. 608 p. (in Russian).Вольцингер Н.Е., Пясковский Р.В. Теория мелкой воды. Океанологические задачи и численные методы. Л.: Гидрометиздат, 1977. 207 с.Voltzinger N.E., Pyaskovsky R.V. Theory of shallow water. Oceanological problems and numerical methods. Leningrad, Gidrometeoizdat, 1977. 207 p. (in Russian).Куйбышевское водохранилище / Ред. Монаков А.В. Л.: Наука, 1983. 213 с.Kuibyshev Reservoir / Ed. Monakov A.V. Leningrad, Gidrometeoizdat, 1983. 213 p. (in Russian).Материалы наблюдений на водохранилищах (Дополнение к Гидрологическому ежегоднику) / Под ред. А.Ф. Троицкой. Куйбышев: Приволжское УГМС, 1972. Т. 4, вып. 4, 8. 270 с.Materials of observations on reservoirs / Ed. A.F. Troitskaya. Kujbyshev, Privolzhskoe UGMS, 4, 4 and 8, 1972. 270 p. (in Russian).Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 12, вып. 1 / Под ред. Г.Г. Доброумовой, О.Н. Потаповой, Т.С. Шмидт. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. 412 с.Surface water resources of the USSR / Eds. G.G. Dobroumova, O.N. Potapova, T.C. Shmidt.Leningrad,Gidrometeoizdat, 12, 1, 1971. 412 p. (in Russian).Гидрометеорологический режим озер и водохранилищ СССР: Куйбышевское и Саратовское водохранилища / Под ред. В.А. Знаменского и П.Ф. Чигиринского. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 269 с.Hydrometeorological regime of lakes and reservoirs of the USSR: Kuibyshev and Saratov Reservoirs. Leningrad, Gidrometeoizdat, 1978. 269 p. (in Russian).Поддубный С.А. Гидрологические условия формирования и повышения биологической продуктивности экосистем Волжских водохранилищ. Автореф. дис… д-ра геогр. наук. М., 2000. 41 с.Poddubny S.A. Hydrological conditions for the formation and increase of biological productivity of ecosystems of the Volga reservoirs. Author’s abstract. dis … Dr. Geogr. Sciences. M., 2000. 41 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.