Моделирование гидродинамических режимов крупных водных объектов
Автор: Татьяна Петровна Любимова
Соавторы: Лепихин А.П., Паршакова Я.Н.
Организация: Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь; Горный институт УрО РАН, Пермь
Рис.1. Зона слияния рек Сылва и Чусовая
Доклад посвящен моделированию гидродинамических режимов крупных водных объектов, характеризующихся вертикальной стратификацией водных масс. Анализ проводится на двух конкретных примерах. Первый пример касается расположенной в нижней части Камского водохранилища, в подпоре от Камской ГЭС, зоны слияния существенно различающихся по составу и плотности вод рек Сылва и Чусовая. Исследование гидродинамического режима этого участка Камского водохранилища очень важно, так как ниже зоны слияния рек Сылва и Чусовая располагается основной водозабор питьевой воды г. Перми (рис. 1). Высокая закарстованность водосборной территории р. Сылвы обуславливает не только повышенную жесткость ее воды, но и повышенную минерализацию и плотность по сравнению с водой р. Чусовой. воды в зимний период. Натурные наблюдения и прямое численное моделирование в рамках трехмерного подхода выявили характерную особенность данного участка водохранилища – в зимний период, при малых расходах, водные массы характеризуются значительной вертикальной стратификацией: более плотные воды реки Сылвы, характеризующиеся повышенной жесткостью воды, располагаются вблизи дна, а менее плотные воды реки Чусовая вблизи поверхности. Это приводит к весьма специфическому гидрохимическому режиму. Более минерализованные, более плотные воды р. Сылва «подтекают» под менее плотные воды р. Чусовой, в свою очередь воды р. Чусовой «надтекают» на воды р. Сылвы. Соответственно ниже слияния рр. Сылвы и Чусовой, в том числе в районе размещения Чусовского водозабора г. Перми, наблюдается устойчивая двухслойная структура водных масс: в верхнем слое вода по своим свойствам близка к воде р. Чусовой, а в нижнем слое – к воде р. Сылва. Эту особенность было предложено использовать для снижения жесткости забираемой воды в зимний период.
Второй пример касается верхней части Камского водохранилища в зоне расположения крупнейшего в мире месторождения калийных и магниевых солей, характеризующейся пульсирующим характером формирования стратификации. Если в зоне слияния рек Сылва и Чусовая стратификация водных масс устойчива не менее 3-4 месяцев, то в верхней части Камского водохранилища, вблизи города Березники, как показали натурные наблюдения, стратификация водных масс может существенно меняться даже в течение суток. Данный объект является основным источником технического водоснабжения промышленных предприятий комплекса, поэтому для повышения его устойчивости принципиально важно было установить причины и механизм формирования этих колебаний и разработать гидродинамические модели для их описания. Особенностью этого водоема является то, что в результате сочетания природных и техногенных факторов, в него происходит фильтрационная разгрузка высокоминерализованных рассолов. Если скорость течения достаточно велика, то происходит вертикальное перемешивание водных масс и распределение минерализации достаточно однородно по глубине. При уменьшении скорости течения происходит формирование вертикальной стратификации и минерализация воды в придонной области может на порядок превышать ее значения в поверхностном слое. Критерием, определяющим условия формирования устойчивой стратификации, является число Ричардсона или тесно связанное с ним плотностное число Фруда. Величина этого параметра зависит как от скоростного режима водного объекта, так и от распределения в нем плотности воды. При значениях плотностного числа Фруда, больших единицы, когда условий для формирования вертикальной стратификации водных масс нет, значимые колебания минерализации не наблюдаются. В то же время при плотностных числах Фруда, меньших единицы, стратификация формируется и оказывает принципиальное влияние на устойчивость водообеспечения.
