Численное моделирование массопереноса в проточном водоеме

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.

1. Широков В.М. Режим прозрачности и мутности воды Куйбышевского водохранилища // Сборник работ Комсомольской гидрометеорологической обсерватории. Вып. II. 1962. С. 173–199.

2. Чигиринский П.Ф. О течениях в Куйбышевском водохранилище на основании четырехлетних наблюдений // Сборник работ Комсомольской гидрометеорологической обсерватории. Вып. II. 1962. С. 200–233.

3. 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.

4. Ивлентиев В.С., Козина Л.Н. Математическое моделирование гидродинамики Волжского каскада гидросооружений // Вестник НГИЭИ. 2015. № 6 (49). С. 44–48.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Рахуба А.В., Шмакова М.В. Численное моделирование заиления приплотинного плеса Куйбышевского водохранилища речными наносами // Метеорология и гидрология. 2018. № 1. С. 35–48.

11. Шмакова М.В. Расчеты твердого стока рек и заиления водохранилищ. СПб.: Издательство ВВМ, 2018. 149 с.

12. Wu Weiming. Computational River Dynamics. CRC Press, 2007. 509 p.

13. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики: учеб. пособие. М.: Наука, 1989. 608 с.

14. Вольцингер Н.Е., Пясковский Р.В. Теория мелкой воды. Океанологические задачи и численные методы. Л.: Гидрометиздат, 1977. 207 с.

15. Куйбышевское водохранилище / Ред. Монаков А.В. Л.: Наука, 1983. 213 с.

16. Материалы наблюдений на водохранилищах (Дополнение к Гидрологическому ежегоднику) / Под ред. А.Ф. Троицкой. Куйбышев: Приволжское УГМС, 1972. Т. 4, вып. 4, 8. 270 с.

17. Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 12, вып. 1 / Под ред. Г.Г. Доброумовой, О.Н. Потаповой, Т.С. Шмидт. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. 412 с.

18. Гидрометеорологический режим озер и водохранилищ СССР: Куйбышевское и Саратовское водохранилища / Под ред. В.А. Знаменского и П.Ф. Чигиринского. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 269 с.

19. Поддубный С.А. Гидрологические условия формирования и повышения биологической продуктивности экосистем Волжских водохранилищ. Автореф. дис… д-ра геогр. наук. М., 2000. 41 с.